Site Loader

Содержание

Устройство и работа биполярного транзистора

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки.

Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов.

У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего.

У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter).

Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера.

Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером VКЭ (VCE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE — 0.6V).

Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать).

Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру IBE, и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы IB, сильно меняется ток коллектора IС.

Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току.

Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = IC / IB

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная.

Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора.

Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление.

Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить.

Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V.

Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V.

А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора IС

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC.

Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились.

Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся».

Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β.

В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

  • Режим отсечки (cut off mode).
  • Активный режим (active mode).
  • Режим насыщения (saturation mode).
  • Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора.

В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы.

В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор.

Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме.

Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора IС к току базы IB. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках.

Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной.

Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается Rin (Rвх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

Rвх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления.

Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше.

Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление Rout = 0 (Rвых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах.

На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Биполярные транзисторы. For dummies

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru) Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs.

И это была, без преувеличения, революция в электронике. Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры.

И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам. Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу. Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему? Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор. Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31.

Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току.

Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений.

Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц.

Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается.

Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е.

транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

  • обратный ток коллектор-эмиттер
  • время включения
  • обратный ток колектора
  • максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

  1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт.

    Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.

  2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями.

    Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.

  3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е.

    ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.

  4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением.

    Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников.

И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки.

Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов. Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом. В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц. В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода. Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов. Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.

Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей.

Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала.

Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл .xls (35 кб) .

Список источников:

http://ru.wikipedia.org http://www.physics.ru http://radiocon-net.narod.ru http://radio.cybernet.name http://dvo.sut.ru

Полезные комментарии:

Принцип работы биполярного транзистора

В свое время транзисторы пришли на смену электронным лампах. Это произошло благодаря тому, что они имеют меньшие габариты, высокую надежность и менее затратную стоимость производства. Сейчас, биполярные транзисторы являются основными элементами во всех усилительных схемах.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода. Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода. В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.  

  •  
  • База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.
  • Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.
  • Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.

Как правило, эмиттер содержит намного большее количество основных зарядов, чем база.

Это основное условие работы транзистора, потому что в этом случае, при прямом смещении эмиттерного перехода, ток будет обуславливаться основными носителями эмиттера. Эмиттер сможет осуществлять свою главную функцию – впрыск носителей в слой базы.

Обратный ток эмиттера обычно стараются сделать как можно меньше. Увеличение основных носителей эмиттера достигается с помощью высокой концентрации примеси.

Базу делают как можно более тонкой. Это связано с временем жизни зарядов. Носители зарядов должны пересекать базу и как можно меньше рекомбинировать с основными носителями базы, для того чтобы достигнуть коллектора.

Для того чтобы коллектор мог наиболее полнее собирать носители прошедшие через базу его стараются сделать шире.

Принцип работы транзистора

Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.

 

В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.

Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора.

Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника. Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом  к эмиттеру, а отрицательным к базе.

Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ

Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении.

Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его.

  Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки 1-5, а в базе электроны 7-8. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном ими.

Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы. 

Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции

Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

Дырки 1-5 перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода.

Таким образом, создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода, в следствии чего начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу.

Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.

Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися там, например, как дырка 5 и электрон 6.

А так как дырки  поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд, поэтому, должны поступать и электроны, которые втягиваются через вывод базы и образуют базовый ток Iбр.

Это важное условие работы транзистора – концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов. Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.

Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы. 

  1. Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1. 
  2. Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора. 

Обратный ток коллектора возникает в результате  обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырки 9 и электрона 10. Именно потому, что обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током.

  • От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.
  • Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока
  • Токи в транзисторе можно представить следующим образом
  •  
  • Основное соотношение для токов транзистора 
  • Ток коллектора можно выразить как 

Из вышесказанного можно сделать вывод, что изменяя ток в цепи база – эмиттер, мы можем управлять выходным током коллектора. Причем незначительное изменение тока базы, вызывает значительное изменение тока коллектора.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3.33 (9 Голоса)

Биполярный транзистор: принцип работы

В этой статье постараемся описать принцип работы самого распространенного типа транзистора — биполярного. Биполярный транзистор является одним из главных активных элементов радиоэлектронных устройств.

Предназначение его – работа по усилению мощности электрического сигнал поступающего на его вход. Усиление мощности осуществляется посредством внешнего источника энергии.

 Транзистор — это радиоэлектронный компонент, обладающий тремя выводами

Конструкционная особенность биполярного транзистора

Для производства биполярного транзистора нужен полупроводник дырочного или электронного типа проводимости, который получают методом диффузии либо сплавления акцепторными примесями. В результате этого с обоих сторон базы образуются области с полярными видами проводимостей.

Биполярные транзисторы  по проводимости бывают двух видов: n-p-n и p-n-p. Правила работы, которым подчинен биполярный транзистор, имеющий n-p-n проводимость (для p-n-p необходимо поменять полярность приложенного напряжения):

  1.  Положительный потенциал на коллекторе имеет большее значение по сравнению с эмиттером.
  2. Любой транзистор имеет свои максимально допустимые параметры Iб, Iк и Uкэ, превышение которых в принципе недопустимо, так как это может привести к разрушению полупроводника.
  3. Выводы  база — эмиттер и база — коллектор функционируют наподобие диодов.  Как правило, диод по направлению база — эмиттер открыт, а по направлению база — коллектор смещен в противоположном  направлении, то есть поступающее напряжение мешает протеканию электрического тока через него.
  4. Если пункты с 1 по 3 выполнены, то ток Iк прямо пропорционален току Iб и  имеет вид: Iк = hэ21*Iб, где hэ21 является коэффициентом усиления по току. Данное правило характеризует главное качество транзистора, а именно то, что малый ток базы оказывает управление мощным током коллектора.

Для разных биполярных транзисторов одной серии показатель  hэ21 может принципиально разниться от 50 до 250. Его величина так же зависит от протекающего тока коллектора, напряжения между эмиттером  и коллектором, и от температуры окружающей среды.

Изучим правило №3. Из него вытекает, что напряжение, приложенное между эмиттером и базой не следует значительно увеличивать, поскольку, если напряжение базы будет больше эмиттера на 0,6…0,8 В (прямое напряжение диода), то появится крайне большой ток. Таким образом, в работающем транзисторе напряжения на эмиттере и базе взаимосвязаны по формуле: Uб =Uэ + 0,6В (Uб=Uэ+Uбэ)

Еще раз напомним, что все указанные моменты относятся к транзисторам, имеющим n-p-n проводимость. Для типа p-n-p все следует изменить на противоположное.

Еще следует обратить внимание на то, что ток коллектора не имеет связи с проводимостью диода, поскольку, как правило, к диоду коллектор — база поступает обратное напряжение. В добавок , ток протекающий через коллектор весьма мало зависит от потенциала на коллекторе (данный диод аналогичен малому источнику тока)

Биполярный транзистор  принцип работы

При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу.

Таким образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера.

 Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.

В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе восполняется от плюса источника ЕЭ. В результате этого в электрической цепи базы будет течь довольно слабый ток.

Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под разгоняющим воздействием поля запертого коллекторного перехода, как неосновные носители, будут перемещаться в коллектор, создавая коллекторный ток.

Перенос носителей зарядов из зоны, где они были неосновными, в зону, где они становятся основными, именуется экстракцией электрических зарядов.

Устройство и основные физические процессы биполярных транзисторов

Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n-перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.

Средний слой и соответствующий вывод называют базой (Б), один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером (Э), а другой крайний слой и соответствующий вывод — коллектором (К).

Дадим схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n-p-n

(рис. 1.51, а) и два допустимых варианта условного графического обозначения (рис. 1.51, б).

Транзистор типа p-n-p устроен аналогично, упрощенное изображение его структуры дано на рис. 1.52, а, более простой вариант условного графического обозначения — на рис. 1.52, б.

Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков — электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна.

Транзисторы типа n-p-n более распространены в сравнении с транзисторами типа p-n-p, так как обычно имеют лучшие параметры. Это объясняется следующим образом: основную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-p-n играют электроны, а в транзисторах типа p-n-p— дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.

Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.

Количественное своеобразие структуры транзистора

Для определенности обратимся к транзистору типа n-p-n. В основе работы биполярного транзистора лежат не какие-либо новые физические процессы, еще не рассмотренные при изучении полупроводникового диода: своеобразие транзистора определяется особенностями его конструкции.

Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n-перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, представленное на рис. 1.53.

Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n-переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Именно это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 1.54).

В схеме с диодами ток каждого диода зависит только от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.

Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину, а именно: очень малое расстояние между переходами транзистора (от 20 — 30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает качественное своеобразие транзистора.

Вообще полезно отметить, что в электронике достаточно часто реализуется следующий способ получения устройства, обладающего новым качеством: особым образом соединяют два одинаковых, уже хорошо изученных элемента. При изучении дифференциального усилителя станет ясно, что новое качество можно получить при использовании в роли таких элементов уже самих двух транзисторов.

Основные физические процессы в транзисторе

Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в эмиттере сравнительно велика, поэтому этот слой низкоомный. Концентрация атомов примеси (и дырок) в базе сравнительно низка, поэтому этот слой высокоомный. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в коллекторе может быть как больше концентрации атомов примеси в базе, так и меньше ее.

С помощью источников напряжения сместим эмиттерный переход в прямом, а коллекторный — в обратном направлении (рис. 1.55).

Тогда через эмиттерный переход потечет ток iэ, который будет обеспечиваться главным образом инжекцией электронов из эмиттера в базу. Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной вследствие указанного выше различия в концентрациях атомов примесей.

Из-за малой толщины базы почти все электроны, пройдя базу, через так называемое время пролета достигают коллектора. Только малая доля электронов рекомбинирует в базе с дырками. Убыль этих дырок компенсируется протеканием тока базы iб. Из изложенного следует, что iб

Как работает транзистор: принцип и устройство

Транзистор – прибор, предназначенный для управления током в электрической цепи. Применяется практически во всех моделях видео- и аудио аппаратуры.

Полупроводниковые транзисторы пришли на смену морально устаревшим ламповым, которые устанавливались в старые телевизоры.

Для изготовления полупроводниковых моделей ранее использовался германий, но сферы его применения ограничены из-за чувствительности к температурным колебаниям. На смену германию пришел кремний, т.к.

кремниевые детали стоят дешевле германиевых и более устойчивы к скачкам температуры. Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических цилиндрических. В этой статье мы постараемся простыми словами изложить, что такое транзистор, как он устроен и что делает.

Транзисторы

Устройство транзисторов

Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный. В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), каждая из которых имеет свой вывод.

  • Б – база, очень тонкий внутренний слой;
  • Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;
  • К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

Типы проводимости:

  • n-типа — носителями зарядов являются электроны.
  • p-типа — носители зарядов – положительно заряженные «дырки».

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p.

Принцип работы транзистора

Транзистор работает в режимах «Открыто» и «Закрыто». Рассмотрим, как работает транзистор биполярного типа на уровне «чайников», и на каких физических процессах основано его функционирование. В таком транзисторе коллектор и эмиттер сильно легированы, база тонкая, содержит малое количество примесей.

Простое изложение принципа работы биполярного транзистора:

  • Подключение к зажимам одноименного напряжения к эмиттеру и базе (p подсоединяется к «+», а n – к «-») приводит к появлению тока между эмиттером и базой. В базе образуются носители зарядов. Чем выше напряжение, тем больше количество носителей зарядов появляется в базе. Ток, подаваемый на базу, называется управляющим.
  • Если к коллектору подключить обратное напряжение (n-коллектор подключается к плюсу, p-коллектор – к минусу), то между эмиттером и коллектором появится разница потенциалов, и между ними потечет ток. Чем больше носителей заряда скапливается в базе, тем сильнее будет ток между коллектором и эмиттером.
  • При увеличении управляющего напряжения на базе растет ток «эмиттер-коллектор». Причем несущественный рост напряжения приводит к значительному усилению тока «эмиттер-коллектор». Этот принцип используется при производстве усилителей.

Если к эмиттеру и базе подключают напряжение, противоположное по знаку, ток прекращается, и транзистор переходит в закрытое состояние.

Кратко принцип работы полупроводникового транзистора можно изложить так: при подключении к зажимам эмиттера и базы напряжения одноименного заряда прибор переходит в открытое состояние, при подключении к этим выводам обратных зарядов транзистор закрывается.

Как работает транзистор — видео

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8 БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

2.2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

2.2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область эмиттером (Э), а другая коллектором (К). Обычно концентрация примесей в эмиттере больше, чем в коллекторе.

Подробнее

Лекция 3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

21 Лекция 3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ План 1. Устройство и принцип действия биполярного транзистора 3. Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов 3. Мощные биполярные транзисторы 4. Выводы 1. Устройство

Подробнее

Лабораторная работа 3

Лабораторная работа 3 Определение статических — параметров биполярных транзисторов по характеристикам Цель работы: Научиться работать со справочными материалами и определять статические параметры транзистора

Подробнее

Нелинейные сопротивления «на ладони»

Нелинейные сопротивления «на ладони» Структурой, лежащей в основе функционирования большинства полупроводниковых электронных приборов, является т.н. «p-n переход». Он представляет собой границу между двумя

Подробнее

Изучение работы биполярного транзистора

Специализированный учебно-научный центр — факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Школа имени А.Н. Колмогорова Кафедра физики Общий физический практикум Лабораторная работа 3.7 Изучение работы биполярного транзистора

Подробнее

8. Интегральные логические элементы

8. Интегральные логические элементы Введение В логических элементах биполярные транзисторы могут использоваться в трёх режимах: режим отсечки оба p-n перехода транзистора закрыты, режим насыщения оба p-n

Подробнее

Глава 3. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

Глава 3. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ 3.1. ЭЛЕКТРОННО-УПРАВЛЯЕМЫЕ ЛАМПЫ Электровакуумными приборами (ЭВП) называют устройства, в которых электрический ток создается потоком электронов или ионов, движущихся

Подробнее

Рис. 2 Модуль «Транзисторы»

Глава 2 Исследование полевого и биполярного транзисторов Цель проведения работ Знание устройств, изучение характеристик и параметров электронных полупроводниковых приборов: полевых и биполярных транзисторов.

Подробнее

Изучение работы полевого транзистора

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Изучение работы полевого транзистора Цель работы: ознакомиться с принципами работы полевого транзистора, построить стоковые характеристики транзистора. Краткие теоретические сведения

Подробнее

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Биполярный транзистор прибор, состоящий из трех полупроводниковых областей с чередующимся типом проводимости (np-n или p-n-p) с двумя p n-переходами, пригодный для усиления, генерации

Подробнее

ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Подробнее

1.1 Усилители мощности (выходные каскады)

Лекция 9 Тема 9 Выходные каскады 1.1 Усилители мощности (выходные каскады) Каскады усиления мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены

Подробнее

Глава 5. Дифференциальные усилители

Глава 5. Дифференциальные усилители 5. Дифференциальные усилители Дифференциальный усилитель это симметричный усилитель с двумя входами и двумя выходами, использующийся для усиления разности напряжений

Подробнее

Вход Усилитель. Обратная связь

Лекция 5 Тема 5 Обратная связь в усилителях Обратной связью () называют передачу части энергии усиливаемого сигнала из выходной цепи усилителя во входную. На рисунке 4 показана структурная схема усилителя

Подробнее

Рисунок 1 Частотная характеристика УПТ

Лекция 8 Тема 8 Специальные усилители Усилители постоянного тока Усилителями постоянного тока (УПТ) или усилителями медленно изменяющихся сигналов называются усилители, которые способны усиливать электрические

Подробнее

2.4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

2.4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Полевой транзистор (ПТ) это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда одного знака, протекающим через проводящий канал,

Подробнее

Одновибраторы на дискретных элементах.

11.3. ОДНОВИБРАТОРЫ Одновибраторы используются для получения прямоугольных импульсов напряжения большой длительности (от десятков микросекунд до сотен миллисекунд), в качестве устройств задержки, делителей

Подробнее

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ. Рисунок 1. Рисунок 2

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ Методические указания по темам курса Изучение данного раздела целесообразно проводить, базируясь на курсе физики и руководствуясь программой курса. Усилители на биполярных транзисторах

Подробнее

Исследование биполярного транзистора

ГУАП ОТЧЕТ ЗАЩИЩЕН С ОЦЕНКОЙ ПРЕПОДАВАТЕЛЬ должность, уч. степень, звание подпись, дата инициалы, фамилия ОТЧЕТ О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ Исследование биполярного транзистора по курсу: ЭЛЕКТРОНИКА РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ

Подробнее

I.ЦЕЛЬ РАБОТЫ II.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

I.ЦЕЛЬ РАБОТЫ Знакомство с устройством и принципом действия биполярного транзистора. Изучение статических характеристик транзистора и ознакомление с транзистором как усилительным прибором. II.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ

Подробнее

Лекция 4 МОП-ТРАНЗИСТОРЫ

29 Лекция 4 МОП-ТРАНЗИСТОРЫ План 1. Классификация полевых транзисторов 2. МОП-транзисторы 4. Конструкция и характеристики мощных МОП-транзисторов 4. Биполярные транзисторы с изолированным затвором 5. Выводы

Подробнее

УНИПОЛЯРНЫЕ (ПОЛЕВЫЕ) ТРАНЗИСТОРЫ

УНОЛЯРНЫЕ (ОЛЕВЫЕ) ТРАНЗСТОРЫ Униполярными называются транзисторы, в которых для создания тока используются носители заряда только одного знака. Эти транзисторы делятся на два основных класса: 1) Транзисторы

Подробнее

Биполярные транзисторы (BJT)

Транзисторы лектроника и МПТ Транзисторы полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Позволяют регулировать ток в электрической цепи.

Подробнее

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Транзистор — это полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх выводов и способный усиливать мощность. Классификация транзисторов По материалу полупроводника

Подробнее

Биполярный транзистор.

Конспект 04 1 Биполярный транзистор. Транзисторы бывают биполярные (приборы, управляемые током) и полевые (приборы, управляемые напряжением). В основу биполярного транзистора положены два p-n перехода.

Подробнее

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА» Кафедра микропроцессорной техники и информационно-управляющих систем С. Ф. ЕРМАКОВ,

Подробнее

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Содержание 1 ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА Электрические цепи постоянного тока. Руководство по выполнению базовых экспериментов. Описаны отдельные компоненты комплектов типового лабораторного оборудования

Подробнее

1.1 Усилители мощности (выходные каскады)

Лекция 7 Тема: Специальные усилители 1.1 Усилители мощности (выходные каскады) Каскады усиления мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены

Подробнее

) j 1 и j з — j 2 — j2 — j 2. V2. j2 —

ТИРИСТОРЫ ПЛАН 1. Общие сведения: классификация, маркировка, УГО. 2. Динистор: устройство, принцип работы, ВАХ, параметры и применение. 3. Тринистор. 4. Симистор. Тиристор — это полупроводниковый прибор

Подробнее

Глава 5. УСИЛИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Глава 5. УСИЛИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 5.1. ПРИНЦИП УСИЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Назначение и классификация усилителей. Усилители переменного напряжения являются наиболее распространенным типом электронных

Подробнее

Лекция 11. Электронно-дырочный переход

Лекция 11. Электронно-дырочный переход Контакт двух примесных полупроводников с различными типами проводимости называется электронно-дырочным переходом или сокращенно p-n-переходом. Обычно он создается

Подробнее

П13, П13А, П13Б, П14, П14А, П14Б, П15, П15А

П13,, П13Б, П14, П14А, П14Б, П15, П15А Германиевые плоскостные транзисторы типа П13,, П14, П15 предназначены для усиления электрических сигналов промежуточной частоты. Транзистор П13Б предназначен для

Подробнее

Использование силовых транзисторов в линейном режиме

Теоретически, добиться работы в линейном режиме очень просто. Для этого достаточно подать на затвор напряжение определенной величины и следить за соблюдением требований документации в области безопасной работы в прямом смещении (ОБР-П). В действительности же задача реализации силовой схемы, работающей в линейном режиме, — одна из самых непредсказуемых: многие простые решения проявляют себя так, что могут стать кошмарным сном разработчика. В данной статье будут показаны «подводные камни» линейного режима и даны рекомендации и примеры реализации высоконадежных схем, работающих в таком режиме. В описаниях в основном будет идти речь о силовых МОП-транзисторах, хотя все сказанное в равной мере может быть отнесено и к IGBT силовым транзисторам.

 

Проблемы линейного режима

Реализация силовой схемы, работающей в линейном режиме, связана с тремя фундаментальными проблемами:

  1. Информация, приведенная в документации производителя, часто является неадекватной или даже некорректной по отношению к линейному режиму работы.
  2. Тепловая неустойчивость ограничивает возможности силового транзистора, работающего в линейном режиме, по управлению нагрузкой относительно значений, которые следуют из паспортных данных максимальной рассеиваемой мощности или температуры перехода кристалла.
  3. Пороговые напряжения и крутизна транзисторов с изолированным затвором (МОП и IGBT) могут существенно отличаться даже у однотипных транзисторов.

 

Тепловая неустойчивость и коэффициент передачи

Для управления током стока достаточно регулировать напряжение затвор-исток. Тем не менее, под влиянием некоторых различий температуры вдоль кристалла в нем возникает температурно-индуцированное изменение тока. Если температурно-зависимое изменение плотности тока окажется температурно-нестабильным (что нормально для линейного режима работы), то результатом может быть локальный разогрев и колебания тока в кристалле. Следствием разогрева может быть выход из строя, идентичный вторичному пробою биполярных силовых транзисторов. Исходя из этого, границы действительной ОБР-П могут быть существенно меньшими, чем те, что получены только на основании тепловых сопротивлений, часто публикуемых в документации. Исключение возможности отказа является самой большой проблемой при создании силовой схемы, работающей в линейном режиме. Таким образом, есть смысл в том, чтобы разобраться, что же вызывает выход силового транзистора из строя.

Работа в линейном режиме возможна в области «насыщения» передаточной характеристики (смежная с омической область), как показано на рис. 1.

Рис. 1. Выходные характеристики МОП-транзистора

При работе в этой области ток стока зависит от напряжения затвор-исток VGS и от порогового напряжения VTH:

где k = (μeCOZW)/2L, μe — подвижность электронов, COZ — емкость оксидного слоя затвора, W — ширина канала, L — длина канала.

Коэффициент передачи и значение k тем выше, чем больше ширина канала W и чем меньше его длина L. Поскольку значение μe снижается по мере роста температуры, то рост температуры также вызовет снижение k. (Емкость не зависит от температуры, но зато зависит от напряжения сток-исток). Значение VTH тоже снижается с ростом температуры. Поскольку работа прибора в линейном режиме связана с его разогревом, то снижение подвижности электронов приведет к снижению тока стока, таким образом, поддерживая тепловую устойчивость. В противоположность этому, снижение порогового напряжения приводит к возрастанию тока стока. Таким образом, отрицательный температурный коэффициент порогового напряжения является фактором тепловой неустойчивости. Данные соотношения можно выразить математически. Для этого нужно продифференцировать (1) по температуре и выполнить подстановку в зависимость рассеиваемой мощности от температуры. В итоге получаем коэффициент устойчивости S:

Чем выше значение S, тем большей тепловой неустойчивостью будет обладать силовой транзистор. Это означает, что локальное возрастание температуры оказывает регенеративное влияние. Если же S имеет отрицательное значение, прибор будет температурно-устойчивым в линейном режиме. Обратите внимание, что значения dVТН/dT и dk/dT всегда отрицательны.

Пользуясь выражением (2), можно сформулировать факторы улучшения тепловой устойчивости (когда S имеет меньшие значения):

  1. Снижение теплового сопротивления.
  2. Снижение напряжения сток-исток.
  3. Увеличение тока стока.
  4. Снижение коэффициента передачи (а следовательно и k).
  5. Снижение абсолютного значения температурного коэффициента порогового напряжения dVТН/dT.

Факторы 4 и 5 полностью зависят от конструкции силового транзистора. Таким образом, при его проектировании могут быть предприняты меры по улучшению тепловой устойчивости и, как следствие, расширению области безопасной работы в линейном режиме. Таким мерам были подвергнуты серии линейных МОП силовых транзисторов и большинство РЧ МОП силовых транзисторов серий ARF компании Microsemi (ранее Advanced Power Technology).

На рис. 2 показаны передаточные характеристики МОП транзистора для трех температур. На нем наглядно демонстрируется фактор тепловой устойчивости, описанный выражением (2). Существует одна точка, в которой пересекаются все кривые. Ниже этой точки преобладает влияние порогового напряжения, и поэтому локальные изменения тока вызывают температурную неустойчивость. Выше этой точки преобладает влияние изменения коэффициента передачи, и силовой транзистор будет температурно-устойчивым.

Рис. 2. Передаточные характеристики МОП-транзистора

 

Механизм отказа

Поскольку пересечение передаточных характеристик происходит в точке с относительно большим током, работа в линейном режиме ниже этой точки практически всегда сопровождается тепловой неустойчивостью. Проблема состоит в том, что в более разогретых областях кристалла выше плотность тока, что еще больше усиливает нагрев.

У любого МОП- или IGBT силового транзистора есть внутренний биполярный транзистор. Его коэффициент передачи возрастает при увеличении температуры прибора, а также при увеличении напряжения сток-исток. Сопротивление базы биполярного транзистора возрастает с нарастанием температуры, и снижается напряжение база-эмиттер. Учитывая данные факторы совместно, можно сделать вывод, что с ростом температуры повышается вероятность генерации напряжения на сопротивлении базы, достаточного для включения биполярного транзистора.

Таким образом, при определенном уровне нагретости кристалла может произойти отпирание расположенного в разогретой области биполярного транзистора. Вследствие этого работа в линейном режиме становится аварийной: разогрев становится необратимым, температура стремительно возрастает вплоть до перегорания аварийного участка, вызывающего закорачивание стока с истоком, а иногда и затвора с истоком. Некоторые поврежденные приборы еще могут работать в открытом состоянии, но после запирания они смогут работать только с напряжением, которое характеризуется большим током утечки, протекающим через поврежденную область.

 

Рекомендации по реализации линейного режима в силовых транзисторах

Первым этапом проектирования надежной силовой схемы, работающей в линейном режиме, является налаживание контакта с инженером по применениям компании-производителя силового транзистора. Этот специалист может дать бесценную информацию и советы, которых нет в документации.

Второй этап — это нахождение действительной ОБР-П для выбранных приборов. К сожалению, этот этап работы нельзя выполнить с помощью инструментов моделирования, так как модели полупроводниковых приборов не позволяют определить, когда же происходит его повреждение. Для нахождения рабочей ОБР-П потребуется тестирование на отказ нескольких приборов. Здесь можно воспользоваться преимуществами первого этапа, потому что эта работа уже скорее всего была выполнена. После того как были собраны данные, при каких напряжениях и токах возникали отказы, могут быть построены кривые или составлена математическая модель. Добавив небольшой запас надежности, получим действительную ОБР-П.

В таблице 1 представлена информация по рассеиваемой мощности IGBT силовым транзистором APT200GN60J в линейном режиме, когда при фиксированном напряжении коллекторэмиттер ток в линейном режиме возрастал вплоть до отказа силового транзистора. В результате в таблицу были внесены данные для нескольких напряжений коллектор-эмиттер.

Таблица 1. Данные по отказам силового транзистора APT200GN60J при работе в линейном режиме

VCE, В

IC, А

Р, Вт

500

0,227

114

450

0,25

113

400

0,338

135

350

0,413

145

300

0,473

142

250

0,565

141

200

0,68

136

150

1

150

100

1,84

184

Силовые транзисторы были смонтированы на теплоотводе с водяным охлаждением. Измеренная температура корпуса TC во время отказа составляла около 75 °C. С помощью аппроксимирующей кривой можно оценить среднюю температуру перехода, при которой возникает отказ, — это примерно 175 °C. Данная температура равна паспортной максимальной температуре перехода. Важно обратить внимание, что в линейном режиме отказ может произойти при средней температуре перехода, меньшей паспортного максимального значения.

На рис. 3 проиллюстрированы данные из таблицы 1, а также теоретические кривые ОБР-П, построенные из условий постоянства рассеиваемой мощности при температурах TJ = 175 °C и TC = 75 °C и 25 °C. Обратите внимание, насколько меньше действительная область ОБР-П, чем те, что получены расчетным путем на основании постоянства рассеиваемой мощности и ограниченные только тепловым сопротивлением (представлены кривыми для температур TC = 25 °C и 75 °C). В большинстве документов публикуются кривые ОБР-П для температуры корпуса 25 °C. Если полагаться на эти данные, то окажется, что при больших напряжениях ток может быть в 6 раз больше, чем на самом деле способен пропустить силовой транзистор!

Рис. 3. Измеренные и теоретические ОБР-П

Но даже если ориентироваться на более низкий ток, соответствующий температуре корпуса 75 °C, он все равно окажется намного выше тока, при котором наступает отказ прибора вследствие локального разогрева. Решить эту проблему можно только одним способом: проверить несколько силовых транзисторов, для того чтобы найти условия, вызывающие их повреждение.

На рис. 3 показана аппроксимирующая кривая, построенная по результатам тестирования на отказ при протекании постоянного тока (статическая ОБР-П). Затем, пользуясь данными по переходным тепловым сопротивлениям, были построены ОБР-П при импульсном протекании тока (импульсные ОБР-П). Результат показан на рис. 4. Полученные кривые являются рабочими ОБР-П силового транзистора APT200GN60J. Использование температуры перехода 125 °C (ниже температуры, при которой происходит повреждение силового транзистора) позволяет создать некоторый запас надежности. Обратите внимание, если сопоставить кривую статической ОБР-П с кривой испытания на отказ на рис. 3, то первая кривая окажется ниже. Именно так нужно поступать при использовании силового транзистора в линейном режиме, принимая запас минимум в 20 °C относительно средней температуры перехода, при которой наступает отказ. На рис. 4 за максимальную рекомендованную температуру перехода принято значение 125 °C, таким образом, запас надежности составляет 50 °C относительно предельной температуры.

Рис. 4. Рабочие ОБР-П транзистора APT200GN60J

Далее рассмотрим ОБР-П МОП транзистора APL502J, который был специально создан для работы в линейном режиме.

Рабочие ОБР-П силового транзистора APL502J представлены на рис. 5. По сравнению с APT200 GN60J (рис. 4) APL502J имеет более широкую ОБР-П. Границы ОБР-П находятся в противоречии с потерями проводимости. При полном включении и токе нагрузки 200 А типичное значение напряжения коллектор-эмиттер APT200GN60J составляет всего лишь 1,7 В в разогретом состоянии (1,5 В при комнатной температуре). Более надежный силовой транзистор APL502J при токе 26 A и температуре 125 °C характеризуется примерно в 6 раз большими потерями по сравнению с APT200GN60J.

Рис. 5. Рабочие ОБР-П транзистора APL502J

Обратите внимание, что кривые ОБР-П на рис. 4 и 5 загибаются в области повышенных напряжений (обе оси имеют логарифмический масштаб). Кривые ОБР-П, построенные на основании постоянства рассеиваемой мощности, являются прямолинейными. Если в документации вы увидите прямолинейную ОБР-П для статического режима работы, будьте бдительны! Этот график, скорее всего, неадекватен линейному режиму.

 

Примеры применения силовых транзисторов в линейном режиме

Твердотельное реле для коммутации постоянного тока

APT200GN60J прекрасно работает в составе твердотельных реле (ТТР), где обеспечивает ограничение тока заряда больших конденсаторных батарей за счет работы в линейном режиме, а затем переходит в полностью открытое состояние для минимизации потерь проводимости. Чтобы вписаться в пределы ОБР-П IGBT силового транзистора, необходимо существенно ограничить ток заряда емкости. Если к времени заряда нет строгих требований, то решение этой задачи не будет проблемой.

Требования

Рассмотрим ситуацию, когда необходимо зарядить конденсаторную батарею 1500 мкФ с напряжения 0 В до 400 В. Сколько будет длиться заряд емкости, значения не имеет. Для поддержания температуры корпуса ТТР на уровне 75 °C или менее может понадобиться теплоотвод.

Решение

В соответствии с графиком ОБР-П (рис. 4) ток больше всего ограничивается при максимальном прикладываемом напряжении, которое в данном случае составляет 400 В. Из данных, которые использовались для создания рис. 4, следует, что безопасный ток заряда конденсаторов при напряжении 400 В составляет 0,16 A (примерно вдвое меньше, чем ток в точке повреждения силового транзистора по данным из таблицы 1, таким образом, есть хороший запас надежности). При токе заряда 0,16 A заряд конденсаторной батареи с напряжения 0 В до 400 В произойдет за 3,75 с. Ускорить заряд, конечно же, можно, если, следуя по кривой ОБР-П, увеличивать ток заряда по мере нарастания напряжения на конденсаторе (то есть когда снижается напряжение коллектор-эмиттер). Тем не менее, поскольку нет требований по времени заряда, вариант заряда постоянным током ввиду простоты схемного решения более приемлем.

Обеспечение работы силового транзистора в пределах ОБР-П для статического режима — решение только половины проблемы. Необходимо оценить пиковое значение рассеиваемой мощности и результирующее пиковое значение температуры перехода. Поскольку ток заряда непрерывно поддерживается на постоянном уровне, то напряжение коллектор-эмиттер будет линейно снижаться с 400 В до практически 0 В, так как напряжение на конденсаторной батарее возрастает. Следовательно, рассеиваемая мощность достигает пикового значения на уровне 64 Вт (0,16 A, 400 В) сразу после подачи напряжения, а затем будет линейно снижаться. Изменение рассеиваемой мощности во времени имеет треугольную форму.

На рис. 6 показан результат моделирования теплового переходного процесса, для чего использовалась RC-схема моделирования переходного теплового сопротивления силового транзистора APT200GN60J, на вход которой подавался линейно снижающийся импульс рассеиваемой мощности с пиковым значением 64 Вт. Пиковое значение падения температуры между переходом и корпусом составляет около 12 °C. Если температура корпуса достигнет 75 °C, то средняя температура перехода должна приблизиться к 75 + 12 = 85 °C, что существенно меньше предельно-допустимого значения 125 °C.

Рис. 6. Моделирование теплового переходного процесса

Электронная нагрузка

Линейный МОП-транзистор APL502J хорошо работает в схемах, требующих более широкую ОБР-П, как, например, схема электронной нагрузки. В данном применении для удовлетворения требований по рассеиваемой мощности, а также по максимальному падению напряжения в открытом состоянии может понадобиться параллельное включение силовых транзисторов.

Требования

В рассматриваемом примере наша самодельная нагрузка должна иметь рабочие диапазоны до 400 Вт, 400 В, 20 А и перепад напряжения при полном открытии с током 20 А не более 1 В. С помощью теплоотвода можно добиться поддержания температуры корпуса на уровне не более 75 °C.

Решение

Чтобы добиться температуры перехода менее 125 °C, воспользуемся кривыми ОБР-П, они представлены на рис. 5. Сначала проверим, выполняется ли требование к полностью открытому состоянию. При комнатной температуре (и токе 26 А) максимальное значение RDS (on) силового транзистора APL502J составляет 0,090 Ом. При температуре 125 °C значение RDS (on) удваивается и составляет 0,180 Ом у каждого силового транзистора. Общее максимально-допустимое сопротивление равно 1 В/20 A = 0,050 Ом. Теперь находим, какое минимальное число силовых транзисторов позволит выполнить требование по падению напряжения в открытом состоянии: 0,180 Ом/0,050 Ом = 3,6. Следовательно, необходимо минимум 4 силовых транзистора. Обратите внимание, что при использовании токоизмерительных резисторов (об этом пойдет речь далее) падение напряжения на них также нужно учитывать при определении числа силовых транзисторов.

Рассматривая ограничения ОБР-П, определим минимальное значение мощности, которую можно рассеивать при наибольшем приложенном напряжении. В данном случае это 400 В. В случае применения APL502J с температурами корпуса и перехода, 75 °C и 125 °C соответственно, при напряжении 400 В максимальный ток равен 0,2 А, а рассеиваемая мощность 80 Вт. Минимальное число силовых транзисторов, которое необходимо для управления всей нагрузкой мощностью 400 Вт, составляет 400 Вт/80 Вт = 5 шт. Таким образом, все поставленные требования выполняются при параллельном включении минимум 5 силовых транзисторов APL502J.

Может возникнуть мысль о параллельном включении силовых транзисторов с добавлением к затвору каждого транзистора отдельного резистора (для предотвращения генерации) и контролем тока в одной точке. Но, к сожалению, реализация такой идеи, несомненно, привела бы к выходу из строя силовых транзисторов.

Наконец, нам осталось решить последнюю проблему при создании силовой схемы, работающей в линейном режиме. Она связана с разбросом пороговых напряжений у однотипных силовых транзисторов. В линейном режиме силовые транзисторы нельзя напрямую соединять параллельно; каждый силовой транзистор должен пропускать через себя отведенную ему долю общего тока. Добиться этого можно с помощью различных способов.

При условии, что это позволяет требование по максимальному падению напряжения в открытом состоянии, последовательно с каждым МОП-транзистором может быть включено достаточно большое сопротивление, на которое будет возложена существенная часть тепловой нагрузки (резисторы будут нагреваться). С помощью резисторов можно также добиться уравновешивания токов через МОП-транзисторы. Для этого между истоком каждого МОП-транзистора и возвратной линией цепи управления затвором должен быть предусмотрен отдельный резистор. Такое включение создает отрицательную обратную связь возле каждого затвора. Добиться идеального уравновешивания токов невозможно. Сортировка транзисторов по пороговому напряжению также не даст результата, так как даже незначительное различие МОП-транзисторов по пороговому напряжению приведет к существенному разбросу тока.

Поскольку рассматриваемая схема должна обладать малым падением напряжения в открытом состоянии, то эффективным в стоимостном плане может оказаться решение с раздельной стабилизацией тока у каждого МОП-транзистора с помощью усилительной схемы (управляет напряжением затвор-исток) и датчика тока. Данную идею иллюстрирует упрощенная схема на трех параллельно работающих МОП-транзисторах (рис. 7). Чтобы выполнить требование по малому общему падению напряжения, в схеме нужно использовать низкоомные резисторы или датчики Холла.

Рис. 7. Осуществление линейного режима при параллельном включении транзисторов

Для упрощения сборки и минимизации размеров и стоимости готового решения компания Microsemi выпустила серию приборов, предназначенных главным образом для линейного режима, но они способны работать и в качестве коммутаторов. Данные приборы содержат в компактном корпусе SP1 силовой транзистор (линейный МОП- или Filed Stop IGBT-транзистор), токоизмерительный резистор (обладающий малой индуктивностью) и датчик температуры.

Рис. 8. Транзистор, токоизмерительный
резистор и датчик температуры
в одном корпусе SP1

Встроенный токоизмерительный резистор установлен на том же керамическом изоляторе, что и силовой транзистор. Тем самым транзистор минимизирует индуктивность и достигает охлаждения резистора, который при максимальной нагрузке рассеивает мощность всего лишь несколько ватт. Такое решение упрощает одновременный контроль напряжения сток-исток, тока стока и температуры корпуса. В результате обработки данной информации в численном виде могут быть получены такие кривые ОБР-П, которые позволят более полно использовать возможности прибора и максимально снизить стоимость системы.

PNP транзистор. Устройство и принцип работы, схема подключения

Стоит отметить, что транзистор, в котором один полупроводник имеет n-тип и размещен между двумя полупроводниками p-типа, называют PNP-транзистор.

Данное устройство с управлением по току. Это означает, что ток базы контролирует ток эмиттера и коллектора. Транзистор PNP имеет два кристаллических диода, соединенных друг с другом. Левая сторона диода известна как диод на основе перехода эмиттер-база, а правая сторона диода известна как диод на основе коллекторного перехода.

Дырки являются основным носителем транзисторов PNP, которые составляют ток в нем. Ток внутри транзистора формируется изменением положения дырок, а на выводах — из-за потока электронов. Транзистор PNP включается, когда через базу протекает небольшой ток. Направление тока в PNP-транзисторе от эмиттера к коллектору.

Буква транзистора PNP указывает на напряжение, требуемое эмиттером, коллектором и базой. База транзистора PNP всегда была отрицательной по отношению к эмиттеру и коллектору. В PNP-транзисторе электроны перемещаются с базы. Ток, который входит в базу, усиливается на выводах коллектора.

Обозначение на схеме PNP транзистора

Обозначение PNP-транзистора на электрических схемах показано на рисунке ниже. Стрелка внутрь показывает, что направление тока в устройстве PNP типа от эмиттера к коллектору.

Устройство PNP транзистора

Конструкция PNP-транзистора показана на рисунке ниже. Эмиттер-база соединены в прямом смещении, а коллектор-база соединены в обратном смещении. Эмиттер, который подключен в прямом смещении, притягивает электроны к базе и, следовательно, создается ток, протекающий по пути от эмиттера к коллектору.

База транзистора всегда остается положительной по отношению к коллектору, так что дырки не могут «мигрировать» от коллектора к базе. И переход база-эмиттер поддерживает ток, благодаря чему дырки из области эмиттера входят в базу, а затем в область коллектора, пересекая область истощения.

Принцип работы PNP транзистора

Переход эмиттер-база соединен в прямом смещении, благодаря чему эмиттер выталкивает дырки в базу. Дырки и составляют ток эмиттера. Когда носители перемещаются в полупроводниковый материал или основу N-типа, они объединяются с электронами. База транзистора тонкая и слаболегированная. Следовательно, только несколько дырок в сочетании с электронами движутся в направлении слоя пространственного заряда коллектора. Отсюда получается ток базы.

Область основания коллектора соединена в обратном смещении. Дырки, которые накапливаются вокруг области истощения p-n перехода при воздействии отрицательной полярности, собираются или притягиваются коллектором. Таким образом создается ток коллектора. Полный ток эмиттера протекает через ток коллектора IC.

Принцип действия транзистора, внутреннее устройство и основные характеристики транзисторов

Транзистором называется полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний. Так что же такое транзистор? — Он представляет собой кристалл, помещенный в корпус, снабженный выводами. Кристалл изготовляют из полупроводникового материала. По своим электрическим свойствам полупроводники занимают некоторое промежуточное положение между проводниками и непроводниками тока (изоляторами).

Небольшой кристалл полупроводникового материала (полупроводника) после соответствующей технологической обработки становится способным менять свою электропроводность в очень широких пределах при подведении к нему слабых электрических колебаний и постоянного напряжения смещения.

Кристалл помещают в металлический или пластмассовый корпус и снабжают тремя выводами, жесткими или мягкими, присоединенными к соответствующим зонам кристалла. Металлический корпус иногда имеет собственный вывод, но чаща с корпусом соединяют один из трех электродов транзистора.

В настоящее время находят применение транзисторы двух видов — биполярные и полевые. Биполярные транзисторы появились первыми и получили наибольшее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Полевые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных.

Быполярные транзисторы

Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицательные заряды переносятся электронами. В биполярном транзисторе используют кристалл из германия или кремния — основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов.

Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми, другие — германиевыми. Для обоих разновидностей биполярных транзисторов характерны свои особенности, которые обычно учитывают при проектировании устройств.

Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появление в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость). Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой.

Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близколежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзистор.

Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей заряда, а вторую — коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмиттером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваивают названия, аналогичные его электродам.

Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электрическое напряжение — входной сигнал, то в цепи коллектор — эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмиттером, но во много раз больший по значению.

Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относительно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) должно быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера — несколько вольт.

Включение в цепь n-р-n и р-n-р транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещения. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой лишь значением напряжения смещения. У кремниевых оно примерно на 0,45 В больше, чем у герма ниевых.

Рис. 1. Напряжения смещения базы для кремниевых и германиевых транзисторов.

На рис. 1 показаны условные графические обозначения транзисторов той и другой структуры, выполненных на основе германия и кремния, и типовое напряжение смещения. Электроды транзисторов обозначены первыми буквами слов: эмиттер — Э, база — Б, коллектор — К.

Напряжение смещения (или, как принято говорить, режим) показано относительно эмиттера, но на практике напряжение на электродах транзистора указывают относительно общего провода устройства. Общим проводом в устройстве и на схеме называют провод, гальванически соединенный с входом, выходом и часто с источником питания, т. е. общий для входа, выхода и источника питания.

Усилительные и другие свойства транзисторов характеризуются рядом электрических параметров, наиболее важные из которых рассмотрены ниже.

Статический коэффициент передачи тока базы h21Э показывает, во сколько раз ток коллектора биполярного транзистора больше тока его базы, вызвавшего этот ток. У большинства типов транзисторов численное значение этого коэффициента от экземпляра к экземпляру может изменяться от 20 до 200. Есть транзисторы и с меньшим значением — 10…15, и с большим — до 50…800 (такие называют транзисторами со сверхусилением).

Нередко считают, что хорошие результаты можно получить только с транзисторами, имеющими большое значение h21э. Однако практика показывает, что при умелом конструировании аппаратуры вполне можно обойтись транзисторами, имеющими h2lЭ, равный всего 12…20. Примером этого может служить большинство конструкций, описанных в этой книге.

Частотными свойствами транзистора учитывается тот факт, что транзистор способен усиливать электрические сигналы с частотой, не превышающей определенного для каждого транзистора предела. Частоту, на которой транзистор теряет свои усилительные свойства, называют предельной частотой усиления транзистора.

Для того, чтобы транзистор мог обеспечить значительное усиление сигнала, необходимо, чтобы максимальная рабочая частота сигнала была по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты fт транзистора. Например, для эффективного усиления сигналов низкой частоты (до 20 кГц) применяют низкочастотные транзисторы, предельная частота которых не менее 0,2…0,4 МГц.

Для усиления сигналов радиостанций длинноволнового и средневолнового диапазонов волн (частота сигнала не выше 1,6 МГц) пригодны лишь высокочастотные транзисторы с предельной частотой не ниже 16…30 МГц.

Максимальная допустимая рассеиваемая мощность — это наибольшая мощность, которую может рассеивать транзистор в течение длительного времени без опасности выхода из строя. В справочниках по транзисторам обычно указывают максимальную допустимую мощность коллектора Яктах, поскольку именно в цепи коллектор — эмиттер выделяется наибольшая мощность и действуют наибольшие ток и напряжение.

Базовый и коллекторный токи, протекая по кристаллу транзистора, разогревают его. Германиевый кристалл может нормально работать при температуре не более 80, а кремниевый — не более 120°С. Тепло, которое выделяется в кристалле, отводится в окружающую, среду через корпус транзистора, а также и через дополнительный теплоотвод (радиатор), которым дополнительно снабжают транзисторы большой мощности.

В зависимости от назначения выпускают транзисторы малой, средней и большой мощности. Маломощные используют главным образом для усиления и преобразования слабых сигналов низкой и высокой частот, мощные — в оконечных ступенях усиления и генерации электрических колебаний низкой и высокой частот.

Усилительные возможности ступени на биполярном транзисторе зависят не только от того, какой он мощности, а сколько от того, какой конкретно выбран транзистор, в каком режиме работы по переменному и постоянному току он работает (в частности, каковы ток коллектора и напряжение между коллектором и эмиттером), каково соотношение рабочей частоты сигнала и предельной частоты транзистора.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током между двумя электродами, образованным направленным движением носителей заряда дырок или электронов, осуществляется электрическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде.

Электроды, между Которыми протекает управляемый ток, иоСят название истока и стока, причем истоком считают тот электрод, из которого выходят (истекают) носители заряда.

Третий, управляющий, электрод называют затвором. Токопроводящий участок полупроводникового материала между истоком и стоком принято называть каналом, отсюда еще одно название этих транзисторов — канальные. Под действием напряжения на затворе» относительно истока меняется сопротивление канала» а значит, и ток через него.

В зависимости от типа носителей заряда различают транзисторы с n-каналом или р-каналом. В n-канальных ток канала обусловлен направленным движением электронов, а р-канальных — дырок. В связи с этой особенностью полевых транзисторов их иногда называют также униполярными. Это название подчеркивает, что ток в них образуют носители только одного знака, что и отличает полевые транзисторы от биполярных.

Для изготовления полевых транзисторов используют главным образом кремний, что связано с особенностями технологии их производства.

Основные параметры полевых транзисторов

Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y21 указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение крутизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна характеристики радиоламп.

Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала.

Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, достигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая экономичность в расходе тока.

Частотные свойства полевого транзистора, так же как и биполярного, характеризуются значением предельной частоты. Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты транзистора.

Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

Для нормальной работы полевого транзистора на его электродах должно действовать постоянное напряжение начального смещения. Полярность напряжения смещения определяется типом канала (n или р), а значение этого напряжения — конкретным типом транзистора.

Здесь следует указать, что среди полевых транзисторов значительно больше разнообразие конструкций кристалла, чем среди биполярных. Наибольшее распространение в любительских конструкциях и в изделиях промышленного производства получили полевые транзисторы с так называемым встроенным каналом и р-n переходом.

Они неприхотливы в эксплуатации, работают в широких частотных пределах, обладают высоким входным сопротивлением, достигающим на низкой частоте нескольких мегаом, а на средней и высокой частотах — нескольких десятков или сотен килоом в зависимости от серии.

Для сравнения укажем, что биполярные транзисторы имеют значительно меньшее входное сопротивление, обычно близкое к 1…2 кОм, и лишь ступени на составном транзисторе могут иметь большее входное сопротивление. В этом со-состоит большое преимущество полевых транзисторов перед биполярными.

Рис. 2. Напряжения питания для полевых транзисторов.

На рис. 2 показаны условные обозначения полевых транзисторов со встроенным каналом и р-n переходом, а также указаны и типовые значения напряжения смещения. Выводы обозначены в соответствии с первыми буквами названий электродов.

Характерно, что для транзисторов с р-каналом напряжение на стоке относительно истока должно быть отрицательным, а на затворе относительно истока — положительным, а для транзистора с n-каналом — наоборот.

В промышленной аппаратуре и реже в радиолюбительской находят также применение полевые транзисторы с изолированным затвором. Такие транзисторы имеют еще более высокое входное сопротивление, могут работать на очень высоких частотах. Но у них есть существенный недостаток — низкая электрическая прочность изолированного затвора.

Для его пробоя и выхода транзистора из строя вполне достаточно даже слабого заряда статического электричества, который всегда есть на теле человека, на одежде, на инструменте.

По этой причине выводы полевых транзисторов с изолированным затвором при хранении следует связывать вместе мягкой голой проволокой, при монтаже транзисторов руки и инструменты нужно «заземлять», используют и другие защитные мероприятия.

Литература: Васильев В.А. Приемники начинающего радиолюбителя (МРБ 1072).

Наши ученые разрабатывают квантовый молекулярный транзистор нового типа

НИУ МИЭТ/Новости/Наши ученые разрабатывают квантовый молекулярный транзистор нового типа

Наши ученые разрабатывают квантовый молекулярный транзистор нового типа

05 декабря 2018 1711 просмотр

Ученые МИЭТа член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой Квантовой физики и наноэлектроники Александр Горбацевич, академик РАН, заведующий Базовой кафедрой субмикронной технологии СБИС Геннадий Красников и аспирант кафедры КФН Николай Шубин предложили теоретическую модель молекулярного транзистора, работа которого основана на эффекте квантовой интерференции и особых свойствах открытых квантовых систем.

Процессы резонансного туннелирования через квантовые объекты, такие как, например, отдельные молекулы, определяются не только структурой самой квантовой системы, но и взаимодействием этой системы с контактами. Ученые построили теоретическую модель, описывающую этот процесс, и показали принципиальное отличие туннелирования через систему с вырожденными и невырожденными уровнями. В первом случае вероятность процесса оказывается существенно ниже, чем для невырожденных состояний. Воздействуя на квантовый проводник (молекулу) внешним неоднородным электрическим полем за счет очень локального затвора, можно снимать и восстанавливать вырождение уровней в системе, и, таким образом, переключаться между различными режимами туннелирования.

Предложенный вариант управляемого квантового проводника, фактически квантового интерференционного транзистора, обладает двумя важными преимуществами перед современными кремниевыми аналогами. Во-первых, молекулярные транзисторы обладают гораздо меньшими размерами нежели самые передовые кремниевые разработки. Более того, молекулы неотличимы друг от друга и поэтому воспроизводимость совершенно одинаковых рабочих узлов транзистора будет абсолютной. Во-вторых, как было показано учеными, такие транзисторы и даже более сложные логические элементы (например, инвертор) могут работать при комнатной температуре при крайне низких напряжениях питания. Это представляется главным достоинством предлагаемой идеи нового типа молекулярных переключателей, поскольку проблема снижения энерговыделения является одной из самых острых в современной электронике. Несмотря на все уменьшающиеся топологические нормы не удается существенно снизить напряжение питания и оно остается на уровне 0,5 – 1 В. В связи с этим, подобные устройства с крайне низким энергопотреблением могут найти широкое применение как в традиционных вычислительных устройствах, так и во многих других областях, например, во встраиваемых системах, включая имплантируемые в медицинских целях устройства.

Работа, проведенная авторами, служит лишь первым шагом на пути к возможному созданию новой молекулярной элементной базы наноэлектроники. Для развития и уточнения предложенной идеи предстоит провести численное моделирование из первых принципов различных молекулярных систем и рассчитать их проводимость. Только после этого будет возможно сформулировать конкретные предложения по экспериментальной реализации и приступить к практическому созданию новых типов молекулярных транзисторов и устройств на их основе.

Подробнее с результатами работы можно ознакомиться в статье журнала Scientific Reports.

РАБОТА СИЛОВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

ЭЛЕКТРОПРИВОДА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

В схемах электроприводов малой мощности с преобразовате­лями частоты или с широтно-импульсными преобразователями постоянного тока (прерывателями) применяют силовые транзи­сторы. При этом не требуются используемые в тиристорных схе­мах громоздкие цепи для запирания (выключения) тиристоров-. В данном разделе объясняется работа транзисторных ключей, включающих в себя также обратные вентили и защитные цепи. Обратные вентили служат для создания цепи реактивного тока обмоток двигателя от ЭДС самоиндукции. Под термином ключ понимают силовой управляемый прибор вместе со вспомогатель­ными цепями. Это устройство является самостоятельным и основ­ным элементом силовой схемы преобразователя. Ключ может на­ходиться в одном из двух состояний: включено — он замыкает силовую цепь, выключено — он размыкает силовую цепь.

Транзисторы в преобразователях работают в режиме переклю­чения и, как правило, по схеме с общим эмиттером (рис. 59,а). Для повышения коэффициента усиления в ряде преобразователей применяется схема составного транзистора (схема Дарлингтона). При этом объединяются коллекторы обоих транзисторов, а эмит­тер входного транзистора соединен с базой выходного (рис. 59, в). На рис. 59, б приведены зависимости тока коллектора (/к) тран­зистора от напряжения эмиттер-коллектора (U3K) для различных значений тока базы. Режимы работы транзистора (отсечка и на-

Рис. 59. Схема соединения транзисторов с общим эмиттером (а), характеристик ки (б) и составной транзистор (в)

сыщение) обусловлены токами базы и коллектора. В силовой пре­образовательной технике используются, главным образом, тран­зисторы проводимости типа п-р-п, применительно к которым мы будем дальше указывать полярность напряжения питания и управления. Если к базе приложено отрицательное напряжение относительно эмиттера (U3б), то транзистор закрыт и почти все напряжение питания (Uп) прикладывается к электродам эмит­тера и коллектора. Ток нагрузки пренебрежимо мал, мощность, рассеиваемая на транзисторе, минимальна. Граничной кривой области отсечки соответствует значение [/„б=0. Режим отсечки транзистора соответствует разомкнутому состоянию управляе­мого силового ключа преобразователя.

При подаче на базу транзистора положительного напряжения относительно эмиттера достаточной величины транзистор пере­ключается в режим насыщения. Область насыщения ограничена линией ОВ. Падение напряжения на транзисторе (напряжение змиттер — коллектор) составляет 1—3 В. Режимы насыщения и отсечки удачно сочетаются с ключевым характером работы си­ловых управляемых приборов в инверторах и прерывателях. Ко­гда ключ преобразователя замкнут, падение напряжения на тран­зисторе пренебрежимо мало по сравнению с напряжением пита­ния преобразователя, достигающим сотни вольт, т. е. практически всё напряжение прикладывается к нагрузке. При этом ток на­грузки 1K=U„/RH. Благодаря малому падению напряжения мощ­ность, рассеиваемая на транзисторе, не является чрезмерной. Для того чтобы ввести транзистор в состояние насыщения, требуется обеспечить определенную величину тока базы. Эта величина обус­лавливается заданным значением тока коллектора (нагрузки) и коэффициентом усиления конкретного транзистора. При дальней­шем значительном увеличении тока базы усиливается глубина насыщения, а падение напряжения транзистора уменьшается в малой степени.

В обоих режимах отсечки и насыщения, называемых статиче­скими, проще обеспечить «безопасную» работу транзисторов. В этих режимах при большом значении одного из параметров (ток или напряжение) другой имеет малое значение, т. е. мощность рассеивания на транзисторе, равная произведению тока падения напряжения на переходе эмиттер — коллектора, не превышает допустимой величины. Переключение транзистора из режима от­сечки в режим насыщения и наоборот проходит через активную область. В отличие от первых двух режимов активный характе­ризуется большими потерями мощности, так как одновременно могут иметь место значительные величины тока коллектора и на­пряжения эмиттер — коллектор. Поэтому в преобразователях приняты меры по снижению времени переключения и созданию такого режима переключения, чтобы не было одновременного образования больших коллекторных токов и напряжений. Во время выключения сначала режим транзистора смещается к гра­нице области насыщения (интервал задержки), а затем ток кол­лектора спадает до очень малой величины (интервал запирания).

Так как во многих случаях серийно выпускаемые транзисторы Не могут обеспечить требуемый ток нагрузки, то в преобразова­телях применяется параллельное соединение транзисторов. Для более равномерного распределения тока между отдельными тран­зисторами в цепи их эмиттеров, устанавливаются уравнительные резисторы небольшой величины, которые в некоторых преобразо­вателях используются как датчики тока для токовой защиты.

Если силовой транзистор работает на границе режимов (ак­тивного и насыщения), то уменьшается время выключения тран­зистора и снижается ток базы, последнее способствует разгрузке блока питания предварительных усилителей в цепи базы. Кроме того, выравниваются характеристики транзисторов и облегчается их параллельная работа. Наиболее близкая к активному режиму точка работы транзистора с наибольшим падением напряжения выбирается для режимов перегрузки. Однако, если выбрать ре­жим работы транзистора по каким-то определенным значениям токов коллектора и базы, то при увеличении тока нагрузки тран­зистор перейдет в активный режим, что нежелательно. Для обес­печения стабильной величины напряжения эмиттер — коллектор служит отрицательная обратная связь с коллекторов транзисто­ров на выходные усилители (ВУ), регулирующие ток базы (рис. 59, а). В цепи обратной связи устанавливают маломощные диоды. При этом сравниваются: суммарное падение напряжения на указанных диодах и падение напряжения эмиттер — коллек­тор. Если увеличится ток нагрузки и соответственно падение на­пряжения эмиттер — коллектор, то обратная связь воздействует на выходной усилитель таким образом, что повышается ток базы. В результате транзистор приоткрывается и падение напряжения эмиттер — коллектор возвращается к заданному уровню.

Работу силовых транзисторов необходимо рассматривать сов­местно с обратным (шунтирующим) вентилем, через который про­текает реактивный ток двигателя. Для исключения отрицатель­ного тока через транзистор необходимо подавать на базу отрица­тельное напряжение на время, когда транзистор не должен про­водить. Рассмотрим работу транзисторного ключа инвертора, ча­стота которого равна выходной частоте инвертора. Транзисторный ключ включает в себя обратный вентиль (V3 или V4) и защит­ную цепочку от перенапряжений (Ш •— V5 — С1 или R2 — V6 — С2 рис. 60,а). Цепь R—V—С уменьшает скорость нарастания напряжения эмиттер — коллектор транзистора при его отключе­нии. Благодаря этому снижается мощность рассеяния транзисто­ра. Кроме того, эта цепь облегчает параллельную работу транзи­сторов по следующей причине. Как известно, серийные транзи­сторы имеют разные времена выключения. При отсутствии ука­занной цепочки суммарный ток отключения ключа протекал бы через один наиболее медленно выключающийся транзистор, кото­рый мог бы выйти из строя. Благодаря защитной цепи ток про­текает через ее конденсатор.

Рис. 60. Схемы транзисторных ключей; а — ключ, работающий на выходной частоте инвертора; б — ключ, работающий на не-<

сущей частоте

После заряда конденсатора цепи выключаемого транзистора ток нагрузки замыкается через обратный вентиль второго ключа этой же фазы, но подключенного к другой шине источника посто­янного тока. После коммутационной паузы, которая больше вре­мени заряда конденсатора защитной цепи первого ключа, пода­ется открывающий сигнал на второй ключ. Благоприятным явля­ется то, что силовые транзисторы открываются при малом напря­жении эмиттер — коллектор, а ток нагрузки плавно нарастает после спадания реактивного тока до нуля. При следующем вклю­чении транзистора первого ключа конденсатор разряжается через резистор и упомянутый транзистор.

В инверторах, работающих на несущей частоте, переключение ключей одной фазы производится при постоянном направлении тока нагрузки. Поэтому в случае двигательной нагрузки при оче­редном включении транзистора одного ключа начинает протекать сквозной ток через этот транзистор и обратный вентиль второго ключа до восстановления запирающих свойств вентиля. Дело в том, что после того, как вентиль перестал проводить в прямом направлении, требуется некоторое время, чтобы вентиль восста­новил свои запирающие свойства.

Ограничение указанного тока осуществляется дросселями L1 и L2 (рис. 60,6). После выключения транзисторов VI или V2 ток дросселей спадает и проходит через вентиль V5 или V6 на конденсатор С1 или С2, которые разряжаются на резисторы Rt или R2. Конденсаторы СЗ и С4, так же как конденсатор С1 или С2 (рис. 60,а), ограничивают скорость нарастания напряжения на запираемых транзисторах. После очередного открытия транзи­сторов ток разряда конденсатора СЗ или С4 через транзисторы ограничивается дросселем L1 или L2.

Наиболее популярным и распространенным методом металлообработки считается резка металла, при помощи которой получают всевозможные продукты проката или листа. Не существует универсального оборудования и станков — один вид обрабатывает профиль или …

Цилиндрический редуктор — простое и эффективное решение для ступенчатого снижения числа оборотов и повышения крутящего момента.

Разборка и сборка электроприводов серии ПМСМ (1—3-й ти­пы размеров). При разборке следует освободить выходной конец вала агрегата от шкива или другого соединительного устройства; снять щеткодержатель 7 (см. рис. 55, а) …

Как работают транзисторы | HowStuffWorks

Если клетки являются строительными блоками жизни, то транзисторы — строительными блоками цифровой революции. Без транзисторов чудеса техники, которыми вы пользуетесь каждый день — сотовые телефоны, компьютеры, автомобили — были бы совершенно другими, если бы они вообще существовали.

До появления транзисторов инженеры-разработчики использовали вакуумные лампы и электромеханические переключатели для завершения электрических цепей. Трубки были далеки от идеала. Перед работой им приходилось разогреваться (а иногда и перегреваться), они были ненадежными, громоздкими и потребляли слишком много энергии.Все, от телевизоров до телефонных систем и первых компьютеров, использовало эти компоненты, но после Второй мировой войны ученые искали альтернативы электронным лампам. Вскоре они найдут ответ в работе, проделанной десятилетиями ранее.

В конце 1920-х годов польский американский физик Юлиус Лилиенфельд подал патент на трехэлектродное устройство, изготовленное из сульфида меди. Нет никаких доказательств того, что он действительно создал компонент, но его исследования помогли разработать то, что сегодня является полевым транзистором, строительным блоком кремниевых чипов.

Через двадцать лет после того, как Лилиенфельд подал свои патенты, ученые пытались применить его идеи на практике. Телефонной системе Bell, в частности, требовалось нечто лучшее, чем электронные лампы, для поддержания работоспособности систем связи. Компания собрала звездную команду ученых умов, включая Джона Бардина, Уолтера Браттейна и Уильяма Шокли, и заставила их заняться исследованием заменителей электронных ламп.

В 1947 году Шокли был директором по исследованиям транзисторов в Bell Telephone Labs.Браттейн был знатоком физики твердого тела, а также экспертом по природе атомной структуры твердых тел, а Бардин был инженером-электриком и физиком. В течение года Бардин и Бриттен использовали элемент германий для создания схемы усиления, также называемой точечным транзистором. Вскоре после этого Шокли усовершенствовал свою идею, разработав переходной транзистор.

В следующем году Bell Labs объявила миру, что они изобрели рабочие транзисторы. Первоначальное патентное название первого транзистора было следующим: Полупроводниковый усилитель; трехэлектродный элемент схемы из полупроводниковых материалов.Фраза звучала безобидно. Но это изобретение принесло команде Белла Нобелевскую премию по физике 1956 года и позволило ученым и инженерам-разработчикам гораздо больше контролировать поток электричества.

Не будет преувеличением, что транзисторы сделали возможным один из крупнейших технологических скачков человечества. Продолжайте читать, чтобы узнать, как именно работают транзисторы, как они повлияли на развитие технологий и, соответственно, на историю человечества.

Как работает транзистор?

Вопрос

Как работает транзистор?

Спросил: Тони Уилан Ответ

Конструкция транзистора позволяет ему работать как усилитель или переключатель.Это достигается за счет использования небольшого количества электричества для управления воротами на гораздо большем подача электричества, очень похожая на поворот клапана для управления подачей воды. Транзисторы

состоят из трех частей: базы, коллектора и эмиттера. База это устройство управления затвором для большего источника электроэнергии. Коллекционер — это большее электрическое питание, и эмиттер является выходом для этого источника. Отправив различные уровни тока от базы, количество тока, протекающего через затвор от коллектора может регулироваться.Таким образом, очень небольшое количество тока может быть используется для управления большим током, как в усилителе. Тот же процесс используется для создать двоичный код для цифровых процессоров, но в этом случае порог напряжения для открытия коллекторного затвора необходимо пять вольт. Таким образом, транзистор используется в качестве переключателя с двоичной функцией: пять вольт ВКЛ, менее пяти вольт выключено.

Полупроводящие материалы — вот что делает возможным создание транзисторов.Большинство людей знакомы с электропроводящими и непроводящими материалами. Металлы обычно считаются как проводящие. Такие материалы, как дерево, пластик, стекло и керамика непроводящие или изоляторы. В конце 1940-х годов группа ученых, работающая в Bell Лаборатории в Нью-Джерси обнаружили, как брать определенные типы кристаллов и использовать их в качестве электронные устройства управления за счет использования их полупроводниковых свойств. неметаллические кристаллические структуры обычно считаются изоляторами.Но по заставляя кристаллы германия или кремния расти с примесями, такими как бор или фосфора кристаллы приобретают совершенно другие электропроводящие свойства. К помещая этот материал между двумя проводящими пластинами (эмиттером и коллектором), транзистор сделан. Подавая ток на полупроводниковый материал (основание), электроны собираться до тех пор, пока не будет сформирован эффективный канал, по которому проходит электричество Учеными, ответственными за изобретение транзистора, были Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли.Их патент назывался: Три Элемент электродной цепи из полупроводниковых материалов.

Артикул:



Ответил: Стивен Портц, учитель технологий, средняя школа космического побережья, Флорида


Существуют два основных типа транзисторов: переходные транзисторы и полевые транзисторы. Каждый работает по-своему. Но полезность любого транзистора заключается в его возможность управления сильным током при слабом напряжении.Например, транзисторы в система громкой связи усиливает (усиливает) слабое напряжение, возникающее, когда человек говорит в микрофон. Электроэнергия, идущая от транзисторов, достаточно сильна, чтобы использовать громкоговоритель, который издает звуки намного громче, чем голос человека.

ПЕРЕХОДНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Соединительный транзистор состоит из тонкого кусочка одного типа полупроводниковый материал между двумя более толстыми слоями противоположного типа.Например, если средний слой p-типа, внешние слои должны быть n-типа. Такой транзистор — это Транзистор NPN. Один из внешних слоев называется эмиттером, а другой известен как коллекционер. Средний слой — это основа. Места присоединения эмиттера к база и база, соединяющая коллектор, называются узлами.

Слои NPN-транзистора должны иметь правильное напряжение, подключенное к ним. В Напряжение базы должно быть положительнее, чем у эмиттера.Напряжение коллектор, в свою очередь, должен быть более положительным, чем у цоколя. Напряжения питается от батареи или другого источника постоянного тока. Эмиттер подает электроны. База оттягивает эти электроны от эмиттера, потому что он имеет более положительное напряжение, чем эмиттер. Это движение электронов создает поток электричества через транзистор.

Ток проходит от эмиттера к коллектору через базу.Изменения в напряжение, подключенное к базе, изменяет поток тока, изменяя количество электроны в базе. Таким образом, небольшие изменения в базовом напряжении могут вызвать большие изменения тока, вытекающего из коллектора.

Производители также производят соединительные транзисторы PNP. В этих устройствах эмиттер и коллектор — это полупроводниковый материал p-типа и база n-типа. Соединение PNP Транзистор работает по тому же принципу, что и транзистор NPN.Но он отличается в одном уважать. Основной поток тока в транзисторе PNP регулируется путем изменения количество дырок, а не количество электронов в основании. Также этот тип Транзистор работает правильно только в том случае, если отрицательные и положительные соединения к нему являются обратный таковым у транзистора NPN.

ТРАНЗИСТОРЫ ПОЛЕВОГО ЭФФЕКТА

Полевой транзистор имеет только два слоя полупроводника. материал, один поверх другого.Электричество проходит через один из слоев, называемый канал. Напряжение, подключенное к другому слою, называемому затвором, мешает ток, протекающий в канале. Таким образом, напряжение, подключенное к затвору, управляет сила тока в канале. Существует две основных разновидности полевого эффекта. транзисторы — полевой транзистор на стыке (JFET) и металлооксидный полупроводник полевой транзистор (MOSFET). Большинство транзисторов, содержащихся в сегодняшних интегральные схемы — это МОП-транзисторы.

Ответил: Джастин Шорс, ученик старшей школы

Как работают биполярные переходные транзисторы.

  • Изучив этот раздел, вы должны уметь:
  • • Опишите основную работу кремниевого планарного транзистора.
  • • Понять работу переходов база / эмиттер и база / коллектор.
  • • Опишите влияние легирования на материалы транзисторов.

Рис. 3.3.1 Как легируется транзистор BJP.

Все дело в допинге

Принцип работы транзистора может быть описан со ссылкой на рис. 3.3.1, на котором показано базовое легирование переходного транзистора, и на рис. 3.3.2, показывающий, как работает BJT.

Работа транзистора очень зависит от степени легирования различных частей полупроводникового кристалла.Эмиттер N-типа очень сильно легирован, чтобы обеспечить много свободных электронов в качестве основных носителей заряда. Слаболегированная базовая область P-типа чрезвычайно тонкая, а коллектор N-типа очень сильно легирован, чтобы придать ему низкое удельное сопротивление, за исключением слоя менее сильно легированного материала рядом с базовой областью. Это изменение удельного сопротивления коллектора гарантирует, что в материале коллектора рядом с основанием присутствует большой потенциал. Важность этого станет очевидной из следующего описания.

Рис. 3.3.2. Как транзистор усиливает ток.

Во время нормальной работы на переход база / эмиттер прикладывается потенциал, так что база примерно на 0,6 В положительнее, чем эмиттер, это делает переход база / эмиттер смещенным вперед.

К переходу база / коллектор прикладывается гораздо более высокий потенциал с относительно высоким положительным напряжением, приложенным к коллектору, так что переход база / коллектор сильно смещен в обратном направлении.Это делает слой истощения между базой и коллектором довольно широким после подачи питания.

Как упоминалось выше, коллектор состоит в основном из сильно легированного материала с низким удельным сопротивлением и тонкого слоя легированного материала с высоким сопротивлением рядом с переходом база / коллектор. Это означает, что большая часть напряжения между коллектором и базой вырабатывается через этот тонкий слой с высоким удельным сопротивлением, создавая высокий градиент напряжения рядом с переходом коллектор-база.

Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, в базу будет течь небольшой ток.Поэтому в материале P-типа вводятся отверстия. Эти дырки притягивают электроны через смещенный вперед переход база / эмиттер для объединения с дырками. Однако, поскольку эмиттерная область очень сильно легирована, в базовую область P-типа пересекает гораздо больше электронов, чем может объединиться с доступными дырками. Это означает, что в области базы имеется большая концентрация электронов, и большая часть этих электронов проходит прямо через очень тонкую базу и попадает в обедненный слой база / коллектор.Оказавшись здесь, они попадают под влияние сильного электрического поля на переходе база / коллектор. Это поле настолько сильное из-за большого градиента потенциала в материале коллектора, упомянутого ранее, что электроны перемещаются через обедненный слой в материал коллектора и, таким образом, в сторону вывода коллектора.

Изменение тока, протекающего в базе, влияет на количество электронов, притягиваемых эмиттером. Таким образом, очень небольшие изменения тока базы вызывают очень большие изменения тока, протекающего от эмиттера к коллектору, поэтому происходит усиление тока.

Посмотрите наше видео о том, как делаются биполярные транзисторы и как они работают.

Начало страницы

Изобретение транзистора — CHM Revolution

Изобретение транзистора

Ученые в 1920-х годах предложили строить усилители из полупроводников. Но они недостаточно хорошо разбирались в материалах, чтобы на самом деле это делать. В 1939 году Уильям Шокли из Bell Labs компании AT&T возродил идею замены электронных ламп.

Под руководством Шокли Джон Бардин и Уолтер Браттейн продемонстрировали в 1947 году первый полупроводниковый усилитель: точечный транзистор с двумя металлическими точками, контактирующими с полоской германия. В 1948 году Шокли изобрел более прочный переходной транзистор, построенный в 1951 году.

Эти трое разделили Нобелевскую премию по физике 1956 года за свои изобретения.

Как работал транзистор Бардина и Браттейна

Транзистор Бардина и Браттейна состоял из полоски германия с двумя близко расположенными золотыми точечными контактами, удерживаемыми пластиковым клином.Они выбрали германиевый материал, который был обработан так, чтобы содержать избыток электронов, названный N-типом. Когда они заставляли электрический ток проходить через один контакт (называемый эмиттером), он вызывал дефицит электронов в тонком слое (локально изменяя его на P-тип) около поверхности германия. Это изменило количество тока, который мог протекать через контакт коллектора. Небольшое изменение тока через эмиттер вызвало большее изменение тока коллектора. Они создали усилитель тока.

Транзисторы Взлет

Компания AT&T, которая изобрела транзистор, лицензировала технологию в 1952 году. Она надеялась извлечь выгоду из других усовершенствований.

Транзисторы быстро покинули лабораторию и вышли на рынок. Хотя они дороже электронных ламп, они были идеальными, когда важна портативность и работа от батарей. Слуховой аппарат Sonotone 1952 года стал первым в Америке потребительским товаром на транзисторах. AT&T также использовала транзисторные усилители в своей системе междугородной телефонной связи.Вскоре они появились как переключатели, начиная с экспериментального компьютера в Манчестерском университете в 1953 году.

По мере того, как цены падали, количество потребителей увеличивалось. К 1960 году большинство новых компьютеров были транзисторными.

Факты о транзисторах для детей

Несколько типов транзисторов в индивидуальной упаковке

Транзистор — это электронный компонент, который можно использовать как часть усилителя или как переключатель. Он изготовлен из полупроводникового материала. Транзисторы встречаются в большинстве электронных устройств.Транзистор был большим достижением после лампового триода, потреблявшего гораздо меньше электроэнергии и служившего на много лет дольше, для переключения или усиления другого электронного тока.

Транзистор может использоваться для множества различных вещей, включая усилители и цифровые переключатели для компьютерных микропроцессоров. В цифровой работе в основном используются полевые МОП-транзисторы. Некоторые транзисторы имеют индивидуальную упаковку, в основном для того, чтобы они могли работать с большой мощностью. Большинство транзисторов находится внутри интегральных схем.

Как они работают

Когда на центральный штифт подается питание, мощность может течь.Транзисторы

имеют три вывода: затвор, сток и исток (на биполярном транзисторе провода можно назвать эмиттером, коллектором и базой). Когда источник (или эмиттер) подключен к отрицательной клемме батареи, а сток (или коллектор) — к положительной клемме, в цепи не будет течь электричество (если у вас есть только лампа, соединенная последовательно с транзистором). Но когда вы коснетесь затвора и стока вместе, транзистор пропустит электричество.Это связано с тем, что, когда затвор заряжен положительно, положительные электроны будут подталкивать другие положительные электроны в транзисторе, позволяя отрицательным электронам проходить через него. Транзистор также может работать, когда затвор просто положительно заряжен, поэтому ему не нужно касаться стока.

Визуализация

Легко представить, как работает транзистор, — это шланг с крутым изгибом, не позволяющий воде проходить через него. Вода — это электроны, и когда вы заряжаете затвор положительно, он разгибает шланг, позволяя воде течь.

Обозначение схемы транзистора Дарлингтона. «B» обозначает базу, «C» обозначает коллектор, а «E» обозначает эмиттер.

Базовая схема транзистора Дарлингтона состоит из двух биполярных транзисторов, подключенных эмиттером к базе, поэтому они действуют как один транзистор. Один из транзисторов подключен так, что контролирует ток на базе другого транзистора. Это означает, что вы можете контролировать такое же количество тока при очень небольшом токе, идущем в базу.

использует

Когда затвор P-канального MOSFET заряжен положительно, через него проходит электричество, это полезно для электроники, которая требует включения переключателя, что делает его электронным переключателем. Это конкурирует с механическим переключателем, который требует постоянного нажатия на него.

В полевом МОП-транзисторе, используемом в качестве усилителя, транзисторы принимают поток стока и истока, и, поскольку ток истока намного больше, чем ток стока, ток стока обычно возрастает до значения, равного истоку, усиливая Это.

Материалы

Транзисторы изготовлены из полупроводниковых химических элементов, обычно кремния, который относится к современной группе 14 (ранее группа IV) периодической таблицы элементов. Германий, другой элемент группы 14, используется вместе с кремнием в специализированных транзисторах. Исследователи также изучают транзисторы, сделанные из особых форм углерода. Транзисторы также могут быть изготовлены из таких соединений, как арсенид галлия.

История

Транзистор был не первым трех оконечным устройством.Триод служил той же цели, что и транзистор 50 лет назад. Электронные лампы были важны в бытовой технике до транзисторов. К сожалению, лампы были большими и хрупкими, потребляли много энергии и прослужили недолго. Транзистор решил эти проблемы.

Трем физикам приписывают изобретение транзистора в 1947 году: Уолтеру Х. Браттейну, Джону Бардину и Уильяму Шокли, которые внесли наибольший вклад.

Важность

Транзистор сегодня является очень важным компонентом.Если бы не транзистор, такие устройства, как сотовые телефоны и компьютеры, были бы совсем другими, или они, возможно, вообще не были бы изобретены. Транзисторы были сделаны очень маленькими (в десятки атомов в ширину), так что миллиарды их можно поместить в небольшой компьютерный чип.

Галерея

  • Периодическая таблица элементов

  • Реплика первого транзистора

  • Изобретатели транзистора

Картинки для детей

  • Разборные дискретные транзисторы.Пакеты по порядку сверху вниз: ТО-3, ТО-126, ТО-92, СОТ-23.

  • Джулиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора в 1925 году.

  • Герберт Матаре в 1950 году. Он независимо изобрел точечный транзистор в июне 1948 года.

  • Поверхностно-барьерный транзистор Philco, разработанный и произведенный в 1953 году

  • Транзистор Дарлингтона открылся, так что внутри виден сам транзисторный чип (маленький квадрат).Транзистор Дарлингтона — это фактически два транзистора на одной микросхеме. Один транзистор намного больше другого, но оба они больше по сравнению с транзисторами в крупномасштабной интеграции, потому что этот конкретный пример предназначен для силовых приложений.

  • Работа полевого транзистора и его кривая Id-Vg. Сначала, когда напряжение на затвор не подается, в канале нет инверсионных электронов, поэтому устройство выключено. По мере увеличения напряжения затвора плотность инверсионных электронов в канале увеличивается, ток увеличивается, и, таким образом, устройство включается.

  • Символ транзистора создан на португальском асфальте в университете Авейру.

  • Разные дискретные транзисторы

Как работает транзистор, альтернативная точка зрения

Потоки заряда, управляемые напряжением

Прежде всего, вы должны отказаться от идеи, что ток проходит в транзисторы или потоки внутри проводов. Да, вы поняли меня правильно. Ток не течет. Электрический ток никогда не течет , поскольку электрический ток — это не материал.Электрический ток — это поток чего-то другого. (Спросите себя: что такое вещество, которое течет в реке, называется ли оно «течением»? Либо это называется «вода?»)

Поскольку ток — это поток заряда, следует избегать распространенного выражения «поток тока», поскольку буквально оно означает « поток из потока заряда». — СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА КОЛЛЕДЖА, Richards, Sears, Wehr, Zemansky (найти похожие в книге Сервея COLLEGE ФИЗИКА)
Так что же на самом деле течет внутри проводов?

То, что движется внутри проводов, НЕ называется электрическим током.Вместо он называется Electric Charge . Это заряд, который течет, а не ток. Движение зарядов может исчезнуть, а движение появиться. Но Само движение не течет, текут заряды. И в реки (или в водопроводе) течет вода, а не «течение». Аналогия: мы не сможем понять сантехнику, пока не перестанем предполагать, что трубы пусты … при этом веря в волшебство, называемое «Текущий.»

Мы должны узнать, что трубы уже заполнены; эта «вода» течет внутри них.То же самое и со схемами. Провода не залиты «потоком Текущий «, вместо этого они предварительно заполнены. Платежи, которые могут двигаться. Электрический заряд — это настоящая штука; его переносят физические частицы, и он может двигаться с реальной скоростью и в реальном направлении. Плата ведет себя как «вещество», как газ или жидкость. Но электрический ток отличается от заряда: заряд — это как материал, но ток — это не вещи. (Если ток подобен ветру, то заряд подобен азоту!) Если мы экспериментируйте с концепциями; если мы решим игнорировать «текущий», и вместо этого мы пойдите и внимательно изучите поведение движущихся зарядов в большом детали, мы можем сжечь облака тумана, которые блокируют наше понимание электроника.

Секунда: заряды внутри проводников не проталкиваются сами собой. вместе, но вместо этого их подталкивает «разность потенциалов»; они проталкивается полями напряжения в проводящем материале. Сборы не выскакивал из блока питания, как будто блок питания какой-то резервуара для воды. Если представить, что заряды уходят через минус клемма источника питания; и если вы думаете, что обвинения то распределить по полым трубам контура, то вы сделали фундаментальная ошибка.Если вы считаете, что сборы предусмотрены источник питания, значит, вы совершили фундаментальную ошибку. Провода не действуют вроде «пустых электронных трубок». Блок питания не дает никаких электроны. Блоки питания обязательно создают токов, или они вызывает токов, но помните, мы убираем слово «ток». Чтобы создать поток зарядов, источник питания не вводит никаких заряжает провода. Источник питания — только помпа. Насос может подавать давление накачки.Насосы никогда не подают перекачиваемую воду.

Третий: вы открыли большой «секрет» визуализации электрических схемы?

ВСЕ ПРОВОДНИКИ УЖЕ ЗАРЯДНЫ
Провода и силикон … оба ведут себя как предварительно заполненные водопроводные трубы или резервуары для воды. В «вода» — это огромное количество подвижных заряженных частиц дирижер. Электрические схемы построены по «полнотрубной аналогии». Этот простая идея обычно скрывается фразами «поток тока» или «Источники питания посылают ток.»Мы думаем, что провода похожи на полые трубы. В итоге мы визуализируем загадочную субстанцию ​​под названием Current. которая протекает через них. Неа. (Как только мы избавимся от слова «текущий», мы можем открыть для себя довольно ошеломляющую информацию о простых схемах, а?)
Если контуры подобны водопроводу, , тогда ни одна из «труб» контура всегда пусты. Эта идея чрезвычайно важна, и без нее мы не может понять полупроводники … или даже проводники! Металлы содержат огромное количество подвижных электронов, образующих своего рода «электрическую жидкость» внутри металла.Простой кусок меди похож на резервуар для воды! Физики называют эту жидкость «электронным морем металлов» или океан заряда ». Полупроводники всегда полны этой подвижной «зарядка». Подвижный заряд присутствует, даже когда транзистор сидит на полке и отключен от всего. Когда напряжение нанесенный на кусок кремния, эти заряды уже находятся в материал приводится в движение. Также обратите внимание, что заряд внутри проводов … незаряжен. Рядом с каждым подвижным электроном находится положительный протон, поэтому хотя металл содержит огромное море заряда, нет никакой сети заряд в среднем.Провода содержат «незаряженный» заряд. Лучше назови это «отмена платежа». Но даже несмотря на то, что электроны нейтрализуются рядом с протонами электроны все еще могут течь между протонами. Отменено заряд все еще может перемещаться, поэтому возможны потоки заряда в незаряженный металл.

Хорошо, так как «трубы» уже заполнены «жидкостью», то для того, чтобы понимать схему, мы НЕ должны отслеживать путь, начинающийся с клеммы источника питания. Вместо этого мы можем начать с любого компонента на схема.Если к этому компоненту приложено напряжение, то заряды внутри этого компонента начнут течь. Доработаем старую «объяснение с помощью фонарика», которому всех нас учили в начальной школе. Вот исправленная версия:

ТОЧНОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ ФОНАРЯ:
Провода полны огромных количества подвижного электрического заряда (все проводники есть!) Если подключить несколько проводов в сплошное кольцо, вы формируете «электрическую цепь», которая содержит подвижную конвейерную ленту из зарядов внутри металлического круга.Далее мы разрезаем это кольцо в паре мест и вставляем батарею и лампочку в разрезы. Аккумулятор действует как зарядный насос, в то время как лампочка предлагает трение. Аккумулятор проталкивает длинный ряд проводов заряжается вперед, потом все заряды текут, затем загорается лампочка. Давайте следовать за ними.

Заряды начинаются внутри нити накаливания лампочки. (Нет, не внутри аккумулятор. Начнем с лампочки .) Заряды вынуждены течь вдоль нити.Потом они вытекают в первую проволоку и двигайтесь к первому выводу аккумулятора. (В то же время более заряды попадают в нить через другой ее конец.) Аккумулятор нагнетает заряжается через себя и снова отступает. Обвинения уходят вторые клемма АКБ, потом по второму проводу стекают к лампочке. Они намотать обратно внутрь нити накаливания лампочки. В то же время заряды в других частях цепи делают то же самое. Это как пояс сплошной сделанный из зарядов.Аккумулятор действует как привод колесо, которое перемещает ремень. Провода ведут себя так, как будто они скрывают конвейерная лента внутри. Лампочка действует как «трение»; становится жарко когда его собственные естественные заряды вынуждены течь. Скорость батареи вверх по всему ремню, а трение лампочки замедляет его опять таки. А так ремень работает постоянно, а лампочка нагревается.



Правда освободит вас … но сначала это вас разозлит! -анон

Краткий обзор:

1.МАТЕРИАЛ, ПРОТЕКАЮЩИЙ ЧЕРЕЗ ПРОВОДНИКИ НАЗЫВАЕТСЯ ОПЛАТА. («ТОК» НЕ ПРОХОДИТ.)

2. ЗАРЯД ВНУТРИ ПРОВОДНИКИ УМЫВАЮТСЯ ПОЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ.

3. ВСЕ ПРОВОДА «ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ЗАПОЛНЕННЫЙ» ОБЪЕМ ПОДВИЖНОГО ЗАРЯДА

4. АККУМУЛЯТОРЫ И ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЯВЛЯЮТСЯ ЗАРЯДНЫМИ НАСОСАМИ.

5. ЛАМПОЧКИ И РЕЗИСТОРЫ ОБА АКТ «ФРИКЦИОННО».

И последнее: разница между проводником и изолятором в том, что просто: проводники похожи на предварительно залитые водопроводные трубы, а изоляторы — на как трубы, задушенные льдом.Оба содержат «электрический материал»; проводники и изоляторы заполнены электрически заряженными частицами. Но «вещество» внутри изолятора не может двигаться. Когда мы применяем перепад давления по водопроводу, течет вода. Но с труба пустая, там ничего нет, поэтому течения не происходит. И с трубка в замороженном состоянии, материал застрял в ловушке и не сдвинется с места. (Другими словами, напряжение вызывает поток заряда в проводниках, но не может вызвать поток заряда в изоляторах, потому что заряды либо отсутствуют, либо неподвижны.) Многие вводные учебники ошибаются в своих определениях. Они определяют проводника как нечто, через которое могут течь заряды, а изоляторы якобы блочные сборы. Неа. Воздух и вакуум не блокируют заряды, но воздух и вакуум — хорошие изоляторы! На самом деле дирижер — это то, что содержит подвижные заряды, а в изоляторе их нет. (Если в книге неверна эта основополагающая идея, то большая часть ее последующих объяснения подобны зданиям, построенным на куче мусора, и они имеют тенденцию свернуть.)

Еще одно напоминание перед тем, как погрузиться в транзисторы. Кремний очень отличается от металла. Металлы полны подвижных зарядов … но также легированный кремний. Насколько они разные? Конечно, дело в «запрещенная зона» и разница между электронами и дырками, но это не главное. Важное отличие довольно простое: металлы имеют огромное количество подвижного заряда, но кремний его гораздо меньше. Для Например, в меди каждый атом меди отдает один подвижный электрон в «море заряда».«Электрический флюид» меди очень плотный, это такой же плотный, как и медь. Но в легированном кремнии только по одному на каждый миллиард атомов отдает подвижный заряд. Кремний похож на большое пустое пространство со случайным блуждающим зарядом. В кремнии можно подмести все заряжается из материала, используя потенциал в несколько вольт, в то время как металл потребуются миллиарды вольт, чтобы сделать то же самое. Или в другие слова:

6. ЗАРЯД ВНУТРИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ КАК СЖИМАЯ Несжимаемая жидкость.
Сметание зарядов в материале — то же самое, что преобразование этого материала. материал от проводника до изолятора. Если силикон похож на резину шланг, значит, это шланг, содержащий сжимаемый газ. Мы можем легко закройте его и остановите поток. Но если медь тоже похожа на резину шланг, то вместо этого он похож на шланг, полный железных слизней. Вы можете сжать и давить, но не разбить их с дороги. Но с воздушными шлангами а с кремниевыми проводниками даже небольшое боковое давление может защемить путь закройте и остановите поток.

Хорошо, давайте посмотрим, как обычно объясняют транзисторы.

Чтобы включить транзистор NPN, на базу подается напряжение и эмиттерные клеммы. Это приводит к тому, что электроны в основном проводе удаляются. от самого транзистора и вытекают в сторону блока питания. Это в Turn выдергивает электроны из базовой области P-типа, оставляя « дырки » позади, и «дыры» действуют как положительные заряды, которые проталкиваются в противоположном направлении от направления электронного тока.Что КАЖЕТСЯ бывает так, что базовый провод вводит положительные заряды в основание область. Изрыгает дыры. Он вводит заряд.

(Обратите внимание, что здесь я описываю поток заряда , а не положительный заряд. «условный ток»)

Что такое транзистор? Как работает транзистор?

Транзистор — одно из двух важнейших изобретений прошлого века. Другой, конечно же, кресло. Появление транзистора спровоцировало то, что сейчас называют электронной революцией.Без изобретения транзистора большинство электронных устройств, от которых вы так безнадежно зависимы, не существовало бы. Самые незаменимые технологические чудеса современности основаны на транзисторах — персональные компьютеры, телевизоры, смартфоны, планшеты, фаблеты, ноутбуки, маршрутизаторы и массажеры для ног. Переполненные миллиардами транзисторов для электронных устройств такие же, как клетки для нашего тела. Но как инструменту тоньше человеческого волоса удается поднять на своих слабых плечах целые отрасли?

Полупроводники

Во-первых, мы должны узнать, из чего сделаны транзисторы.Знание его анатомии позволит нам с большей легкостью понять его работу. Полупроводники — это в основном амбиверты материального мира. Они не слишком общительны, когда дело касается дружбы с электронами, как проводники, и не молчаливы и не реагируют на них, как интровертные изоляторы. Их проводимость находится между проводниками и изоляторами. Наиболее часто используемые полупроводники — это кремний и германий.

Полупроводники проводят ток, только когда они нагреваются до более высоких температур.Тепловая энергия преодолевает слабую энергию, которая слабо связывает его электроны с их атомами, тем самым освобождая их, и тем самым делая материал проводящим. Однако более удобной альтернативой является изменение атомной структуры материала и повышение его проводимости путем введения в него примесей. Этот процесс известен как легирование. Эти материалы только полу -проводящие, потому что объем высвободившихся электронов намного меньше, чем объем свободных электронов, роящихся на поверхности проводников.

Однако частичная проводимость делает его выходной ток чувствительным к манипулированию или «контролю». Там, где электроны вырываются из проводника в огромных объемах, как вода течет по плотине, электроны в полупроводнике ведут себя больше как вода, вытягиваемая из крана. Смеситель можно затянуть или ослабить, чтобы регулировать количество воды, протекающей через него. Это и есть принцип работы транзистора.

Что такое транзистор?

Давайте продолжим нашу аналогию с краном.Работа крана состоит из трех частей: резервуара с водой, трубы, по которой вода выходит, и ручки, которая позволяет нам контролировать выходящий объем. Точно так же транзистор состоит из трех полупроводников: резервуара электронов, заполненного чрезмерным легированием, трубки с умеренным легированием и ручки, на которой — можно сделать разумный вывод — вообще нет электронов. Ток из резервуара течет по трубе при вращении ручки. Степень вращения определяет количество тока, протекающего по трубе.Здесь вращение означало бы подачу на ручку небольшого напряжения или тока.

(Фото: Inductiveload / Wikimedia Commons)

Транзисторы в основном можно разделить на две категории: переходные транзисторы и полевые транзисторы. Резервуар, труба и ручка в переходных транзисторах называются эмиттером, коллектором и базой соответственно. Коллектор обозначен буквой «n +», что подчеркивает избыток отрицательно заряженных частиц (электронов). Точно так же эмиттер обозначается буквой «n», что подчеркивает умеренную плотность электронов, тогда как основание обозначается буквой «p», что подчеркивает отсутствие электронов или избыток положительно заряженных частиц, называемых дырками.Термин «соединение» относится к соединениям, образованным между этими тремя блоками.

Напротив, полевые транзисторы устроены иначе. Он состоит не из трех, а из двух слоев, зажатых друг над другом. Электроны проходят через внутренности одного слоя, называемого каналом, в то время как другой слой, называемый затвором, выполняет функцию ручки. Напряжение затвора контролирует силу тока, протекающего по каналу. Различная архитектура дает им совершенно разные резистивные свойства, но основная функция этих двух категорий транзисторов по существу одинакова — управление сильным током при слабом напряжении.

Транзистор может выполнять две основные функции. Он может действовать как переключатель или как усилитель. Работая в качестве переключателя, кран позволяет току течь по своей трубе только тогда, когда на его ручку подается определенное напряжение. Если напряжение ниже этого порога, кран подавляет любой ток, который может протекать через него. Так генерируются двоичные числа. Каждый бит «1» или «0» является либо открытым краном, величина тока которого стандартизована как «1», либо закрытым краном, что переводится в «0».Последовательность битов затем обрабатывается микропроцессорами для выполнения множества операций.

Биты «0» и «1» согласно нашей аналогии с краном.

Согласно закону Мура количество транзисторов в микропроцессоре должно удваиваться каждый год. При создании процессоров сначала на них застрял миллион транзисторов, и теперь их количество, в соответствии с законом Мура, выросло до триллионов! Этот невероятный подвиг был бы невозможен, если бы полупроводники не продемонстрировали склонность к такому масштабированию.Их невероятная масштабируемость позволила нам сжать компьютер, телефон, радио, GPS, игровую консоль и многое другое в одном устройстве — устройстве, на котором вы, вероятно, читаете это прямо сейчас.

Невероятная масштабируемость полупроводников позволила нам сжать компьютер, телефон, радио, GPS, игровую консоль и множество других инструментов в одном устройстве — смартфоне. (Фото: GaudiLab / Fotolia)

Статьи по теме

Статьи по теме

При работе в качестве усилителя он потребляет большой ток из резервуара по мере того, как ручка постепенно отпускается, так что небольшое количество тока контролирует большое количество тока — выходной ток прямо пропорционален входному току.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.