Как устроен биполярный транзистор. Транзисторы

Обозначение биполярных транзисторов на схемах

Биполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор , один из типов транзисторов . В полупроводниковой структуре сформированы 2 p-n перехода и перенос заряда в приборе осуществляется носителями 2 видов — электронами и дырками . Именно поэтому прибор получил название «биполярный».

Применяется в электронных устройствах для усиления генерации электрических колебаний и в качестве переключающего ток элемента, например, в логических электронных схемах .

Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости . По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n (negative ) — электронный тип примесной проводимости, p (positive ) — дырочный).

Работа биполярного транзистора, в отличие от полевого транзистора , основана на переносе зарядов одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к среднему слою, называют базой , электроды, подключённые ко внешним слоям, называют эмиттером и коллектором . С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы. Но практически, при изготовлении транзисторов, для улучшения электрических параметров прибора они существенно различаются степенью легирования примесями. Эмиттерный слой сильно легированный, коллекторный легируется слабо, что обеспечивает повышение допустимого коллекторного напряжения. Величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода некритична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещенным эмиттерным p-n-переходом , кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Кроме того, площадь коллекторного p-n-перехода при изготовлении делается существенно больше площади эмиттерного перехода, что обеспечивает лучший сбор неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи.

Для повышения быстродействия (частотных параметров) биполярного транзистора толщину базового слоя нужно делать тоньше, так как толщиной базового слоя, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей, но, при снижении толщины базы, снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

Устройство и принцип действия

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий . В настоящее (2015 г.) время их изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия . Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ -усилителей .

Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых слоёв: эмиттера E (Э), базы B (Б) и коллектора C (К). В зависимости от чередования типа проводимости этих слоёв различают n-p-n (эмиттер − n -полупроводник, база − p -полупроводник, коллектор − n -полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты .

Слой базы расположен между эмиттерным и коллекторным слоями и слаболегирован, поэтому имеет большое электрическое сопротивление . Общая площадь контакта база-эмиттер выполняется значительно меньше площади контакта коллектор-база (это делается по двум причинам — большая площадь перехода коллектор-база увеличивает вероятность захвата неосновных носителей заряда из базы в коллектор и, так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включен с обратным смещением, при работе в коллекторном переходе выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, повышение площади способствует лучшему отводу тепла от коллекторного перехода), поэтому реальный биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (технически нецелесообразно менять местами эмиттер и коллектор и получить в результате аналогичный исходному биполярный транзистор — инверсное включение).

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

Для определённости рассмотрим работу n-p-n транзистора, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая p-n-p транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В n-p-n транзисторе электроны, основные носители заряда в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико . Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны), и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (

I э =I б + I к ).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I к = α I э ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера . Численное значение коэффициента α 0,9-0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малым током базы можно управлять значительно бо́льшим током коллектора.

Режимы работы биполярного транзистора

Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе ()	Смещение перехода база-эмиттер для типа n-p-n	Смещение перехода база-коллектор для типа n-p-n	Режим для типа n-p-n
	прямое	обратное	нормальный активный режим
	прямое	прямое	режим насыщения
	обратное	обратное	режим отсечки
	обратное	прямое	инверсный активный режим
Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе ()	Смещение перехода база-эмиттер для типа p-n-p	Смещение перехода база-коллектор для типа p-n-p	Режим для типа p-n-p
	обратное	прямое	инверсный активный режим
	обратное	обратное	режим отсечки
	прямое	прямое	режим насыщения
	прямое	обратное	нормальный активный режим

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

U ЭБ > 0; U КБ 0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид U ЭБ U КБ > 0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: U КБ > 0; U ЭБ 0 (для транзистора n-p-n типа).

Режим насыщения

Оба p-n

перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n -переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб . В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (I Э. нас) и коллектора (I К. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер

(U КЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог R

Режим насыщения транзистора — теория и практика

Между простой переключающей схемой и линейным усилителем на транзисторе имеется очевидное различие. В нормально работающем линейном усилителе коллекторный ток всегда прямо пропорционален базовому току. В переключающей схеме, такой как на рис. 1., коллекторный ток определяется, главным образом, напряжением питания VCC и сопротивлением нагрузки RL. Режим насыщения транзистора является достаточно важным и заслуживает подробного обсуждения. Рис. 1. Иллюстрация режима насыщения. Транзистор действует как ключ для включения лампы. Рассмотрим, что происходит с коллекторным током в схеме на рис. 1, если базовый ток постепенно увеличивается, начиная от нуля. Когда ключ S1 разомкнут, базовый ток не течет и ток коллектора ничтожно мал. Замыкание S1 приводит к появлению тока базы IB = VCC/RB, где мы пренебрегли разностью потенциалов на переходе база-эмиттер. Ток коллектора, протекающий по нагрузке RL, равен IC=hFEVCC/RB. Для конкретной схемы, приведенной на рисунке, при hFE = 100 и при максимальном значении RB (50 кОм) получим: IC=100×10/5000 А=20 мА Падение напряжения на RL определяется произведением RLIC и в нашем случае равно 50 х 0,02 = 1 В. Транзистор при этом находится в линейном режиме; уменьшение RB приводит к увеличению тока базы, увеличению тока коллектора и, следовательно, к увеличению падения напряжения на RL. В этих условиях схема могла бы быть использована как усилитель напряжения. Теперь рассмотрим случай, когда RB=hFERL и ток базы равен IB=VCC/RB=VCC/(hFERL) Следовательно, коллекторный ток равен IC=(hFEVCC)/(hFERL)=VCC/RL С точки зрения нагрузки транзистор ведет себя как пара контактов ключа. Из закона Ома следует, что ток нагрузки в этой ситуации не может превышать величины VCC/RL. Поэтому дальнейшее увеличение тока базы не может увеличить ток коллектора, который определяется теперь только сопротивлением нагрузки и напряжением питания. Транзистор находится в насыщении. На практике при насыщении транзистора между коллектором и эмиттером всегда остается небольшое напряжение, обычно обозначаемое VCE(sat). Как правило, оно меньше 1 В и может доходить до 0,1 B y транзисторов, специально предназначенных для работы в качестве ключей. Обычно VCE(sat) уменьшается по мере того, как через переход база-эмиттер течет все больший ток, то есть в случае, когда отношение тока коллектора IC к току базы IB становится значительно меньше, чем коэффициент усиления тока транзистора hFE. Грубо говоря, глубокое насыщение (малое значение VCE(sat)) имеет место, когда IC/IB < hFE/5 Для схемы типа той, какая показана на рис. 1, когда ток базы задается просто подключением резистора к источнику питания, мы выбираем RB/RL < hFE/5 Следовательно, для схемы на рис. 1, принимая типичное для транзистора 2N3053 (аналог КТ630Б — см. аналоги отечественных и зарубежных транзисторов) значение коэффициента усиления тока hFE = 150, имеем RB/RL < 150/5 = 30. Следовательно, при RL = 50 Ом мы выбираем RB < 30 х 50 Ом = 1,5 кОм. Итак, если в качестве нагрузки используется лампа с сопротивлением 50 Ом, то для ее эффективного включения нам следует выбрать сопротивление базового резистора меньше 1,5 кОм. Если это невозможно, когда, например, в качестве RB используется фоторезистор с минимальным сопротивлением 10 кОм, то следует воспользоваться схемой Дарлингтона, чтобы увеличить коэффициент усиления тока. Если биполярный транзистор работает с током коллектора, близким к максимальному, и нужно поддержать напряжение VCE(sat) на уровне долей вольта, то из-за уменьшения hFE может понадобиться базовый ток больше, чем Iс/10. Возможно покажется неожиданным, что VCE(sat) может быть много меньше, чем напряжение VBE, которое у кремниевого транзистора равно примерно 0,6 В. Происходит это потому, что в режиме насыщения переход коллектор-база смещен в прямом направлении. Следовательно, мы имеем два р-n перехода, смещенных в прямом направлении, включенных навстречу друг другу так, что падения напряжения на них взаимно компенсируются. Эта способность биполярного транзистора иметь в режиме насыщения очень маленькое падение напряжения между коллектором и эмиттером, делает его весьма полезным переключающим прибором. Многие из наиболее важных применений электроники, включая обширную область цифровой электроники, используют переключающие схемы. В режиме переключений транзистор работает либо с фактически нулевым током коллектора (транзистор выключен) или с фактически нулевым напряжением на коллекторе (транзистор включен). В обоих случаях мощность, рассеиваемая на транзисторе, очень мала. Значительная мощность рассеивается только в то время, когда происходит переключение: в это время и напряжение коллектор-эмиттер и ток коллектора имеют конечные значения. Маломощный транзистор, такой как 2N3053, с максимально допустимой рассеиваемой мощностью менее одного ватта, может переключать мощность в нагрузке в несколько ватт. Следует обратить внимание на то, что максимальные значения коллекторного напряжения и тока не должны выходить за допустимые пределы; кроме того, желательно осуществлять переключения возможно быстрее, чтобы избежать рассеяния чрезмерно большой мощности.

Коэффициент насыщения биполярного транзистора — это… Что такое Коэффициент насыщения биполярного транзистора?



Коэффициент насыщения биполярного транзистора

33. Коэффициент насыщения биполярного транзистора

Ндп. Степень насыщения

E. Saturation coefficient

F. Coefficient de saturation

К_нас

Отношение тока базы в режиме насыщения к току базы на границе насыщения

Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации. academic.ru. 2015.

• коэффициент направленности
• коэффициент насыщения движением

Смотреть что такое «Коэффициент насыщения биполярного транзистора» в других словарях:

• коэффициент насыщения биполярного транзистора — Ндп. степень насыщения Отношение тока базы в режиме насыщения к току базы на границе насыщения. Обозначение Kнас Ksat [ГОСТ 20003 74] Недопустимые, нерекомендуемые степень насыщения Тематики полупроводниковые приборы EN saturation coefficient FR… …   Справочник технического переводчика

• ГОСТ 20003-74: Транзисторы биполярные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров — Терминология ГОСТ 20003 74: Транзисторы биполярные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров оригинал документа: 1 При заданном обратном токе эмиттера в токе коллектора, равном нулю, UЭБ0, UEB0. 2 При заданном токе коллектора и… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Биполярный транзистор — Обозначение биполярных транзисторов на схемах Простейшая наглядная схема устройства транзистора Биполярный транзистор  трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно… …   Википедия

• время — 3.3.4 время tE (time tE): время нагрева начальным пусковым переменным током IА обмотки ротора или статора от температуры, достигаемой в номинальном режиме работы, до допустимой температуры при максимальной температуре окружающей среды. Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Биполярные транзисторы — Обозначение биполярных транзисторов на схемах Простейшая наглядная схема устройства транзистора Биполярный транзистор трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным… …   Википедия

• максимальная — максимальная: Максимально возможная длина ЗО, в пределах которой выполняются требования настоящего стандарта и технических условий (ТУ) на извещатели конкретных типов, Источник: ГОСТ Р 52651 2006: И …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Принцип транслинейности — (англ. translinear principle, от англ. transconductance  проводимость, крутизна передаточной характеристики) в анализе и проектировании аналоговых интегральных схем  правило (уравнение), определяющее соотношения токов,… …   Википедия

• ТРАНЗИСТОР — полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрического тока и управления им. Транзисторы выпускаются в виде дискретных компонентов в индивидуальных корпусах или в виде активных элементов т.н. интегральных схем, где их размеры не… …   Энциклопедия Кольера

4.3. Ключи на биполярных транзисторах

Простейшая схема ключа состоит из транзистора Т и резистора R_К (рис. 4.7). Ключ управляется от источника E_Г, R_Г. В зависимости от значения Е_Г (низкий уровень Е⁰_Г или высокий Е¹_Г) транзистор должен быть в закрытом (режим отсечки) или насыщенном статическом состоянии. В первом случае напряжение на выходе ключа близко к Е_К, во втором − к нулю. Таким образом, ключ представляет собой простейший логический элемент НЕ − инвертор. Условия, при которых обеспечиваются статические состояния, рассмотрим с помощью аппроксимированных входных и выходных характеристик транзистора (рис. 4.8). Здесь предполагается, что обратные токи переходов равны нулю, а в режиме насыщения (I_Б > I_Б.КР) напряжение на базе не зависит от тока базы (рис. 4.8, а).

Рисунок 4.7 − Схема ключа на биполярных транзисторах

Из входной характеристики следует, что условием запирания транзистора является

. (4.13)

Рисунок 4.8 − Аппроксимированные входные и

выходные характеристики транзистора

Для транзисторов ИС U_БЭО = 0,6…0,7 В.

Если в качестве источника управляющего сигнала используется подобный ключ (на рис. 4.9 это Т_Г и R_К), то низкий уровень U_БЭ = U_КЭН не превышает 0,2 В и обеспечивает надежное запирание транзистора Т.

Рисунок 4.9 – Транзисторный ключ в качестве

источника управляющего сигнала

В области насыщения оба перехода транзистора смещены в прямом направлении. При этом U_БЭ = U_БЭН; U_БК = U_БКН и они близки друг к другу (около 0,7…0,8 В). Поэтому U_КЭ = U_БЭ − U_БК = U_КЭН очень мало (в ряде случаев полагают равным нулю). Ток коллектора (рис. 4.8, б, точка А)

. (4.14)

Он соответствует так называемому критическому току базы I_Б.КР, при котором транзистор находится на границе активного и насыщенного режимов и ещё справедливы известные соотношения между токами в транзисторе, работающем в активном режиме. В частности,

, (4.15)

где β − статический коэффициент передачи тока транзистора. Дальнейшее увеличение тока базы практически уже не приводит к росту коллекторного тока. Таким образом, условием насыщения транзистора ключа является неравенство

. (4.16)

Для схемы рис. 4.7 условие насыщения, выраженное через параметры элементов ключа, имеет вид

. (4.17)

Для схемы рис. 4.9 обычно Е_К >> U_БЭН, поэтому условие насыщения упрощается:  R_К>>R_КГ. Степень насыщения транзистора характеризует коэффициент

. (4.18)

На границе насыщения I_Б = I_Б.КР, S_Н = 1. С увеличением S_Н увеличивается нагрузочная способность ключа (условие насыщения удовлетворяется при большем значении тока I_КН), уменьшается влияние различных дестабилизирующих факторов на состояние ключа, но, как будет показано ниже, ухудшается его быстродействие. Поэтому степень насыщения во всех случаях выбирают из компромиссных соображений, исходя из условий конкретной задачи. При этом в связи со значительным технологическим разбросом параметра β, а также зависимостью его от температуры условие насыщения транзистора должно быть выполнено при минимальном .

Быстродействие ключа определяется суммарным временем перехода из закрытого (выключенного) состояния в открытое (включенное) и обратно.

Для упрощения оценки длительности переходных процессов (рис. 4.10) при переключениях примем следующие допущения: управляющий сигнал представляет собой идеальный прямоугольный импульс с низким уровнем Е⁰_Г = 0, ключ не напружен (С_Н = 0, R_Н = ∞) и R_Г = R_К.

Рисунок 4.10 – Длительность переходных процессов

В исходном состоянии, на интервале времени 0 – t1, Е_Г = Е⁰_Г = 0, поэтому U_БЭ = 0 , транзистор закрыт и U_КЭ = Е_К. Включение ключа. При поступлении в момент времени t1 перепада Е_Г = Е¹_Г напряжение на базе транзистора нарастает по экспоненциальному закону с постоянной времени τ_З ≈ (С_Э + С_К)R_Г  (С_Э и С_К барьерные емкости переходов транзистора) и стремится к уровню Е¹_Г. При достижении значения U_БЭО ≈ U_БЭН эмиттерный переход открывается, его сопротивление резко уменьшается и дальнейший заряд емкостей прекращается. В течение времени подготовки к включению t_П транзистор продолжает оставаться в закрытом состоянии. Эту задержку можно определить, воспользовавшись известным правилом, согласно которому длительность любого начального участка экспоненциального процесса (рис. 4.11)

, (4.19)

где τ − постоянная времени процесса, U(∞) − U(t_Н) − полный размах экспоненты, U(∞) − U(t_K) − оставшаяся после t_K часть экспоненты. Таким образом,

. (4.20)

В момент времени t₂ транзистор переходит в активный режим. Его коллекторный ток нарастает с постоянной времени τ’_В ≈ τ_В (при С_Н = 0), стремясь к уровню

. (4.21)

При достижении значения I_КН транзистор переходит в режим насыщения и рост тока коллектора прекращается. Так как емкость нагрузки С_Н = 0, то напряжение на коллекторе изменяется аналогично току I_К и в момент времени t2 достигает уровня U_КЭН.

В соответствии с выражением (4.20) длительность фронта включения

. (4.22)

Для уменьшения времени задержки включения t^1,0_ЗД = t_П + t_Ф.ВКЛ необходимо увеличить включающий ток I¹_Б и повышать степень насыщения транзистора (увеличивать Е¹_Г уменьшать R_Г).Для типовых транзисторов и источников сигнала управления в ИС время включения ключа составляет единицы наносекунд.

По истечении времени t^1,0_ЗД транзистор находится в режиме насыщения, его токи практически не меняются, а заряд избыточных носителей в базе продолжает нарастать до уровня τ_H I¹_Б с постоянной времени накопления τ_H обычно τ_H ≈ τ_В. За время t_И = (2…3) τ_Hпроцесс накопления зарядов практически завершается и транзистор переходит в стационарный режим насыщения.

Выключение ключа. В момент времени t4 управляющий сигнал Е_Г = Е⁰_Г = 0. За счет накопленных неосновных носителей в области базы переходы транзистора остаются открытыми и на них поддерживается напряжение, близкое к U_БЭН. В базовой цепи протекает обратный (выключающий) ток (объемное сопротивление тела базы не учтено):

. (4.23)

Наряду с рекомбинационным процессом этот ток, протекая в обратном направлении, уменьшает накопленный заряд Q с постоянной времени τ_H . Процесс стремится к асимптотическому уровню – I⁰_Б τ_H. Пока заряд не достиг критического значения I_Б.КРτ_H (этот интервал называют временем рассасывания), коллекторный ток и напряжение U_КЭ не меняются. В соответствии с (4.21) время рассасывания

. (4.24)

Последняя форма записи выражений (4.21) позволяет иллюстрировать процесс накопления и рассасывания заряда с помощью временной диаграммы для кажущегося коллекторного тока I_К = βI_Б (на рис. 4.10 этот ток показан пунктирной линией).

Итак, для уменьшения времени рассасывания необходимо уменьшать степень насыщения транзистора (при S_Н = 1 время t_Р = 0) и увеличивать выключающий ток I⁰_Б. В момент времени t5 транзистор вновь переходит в активный режим. Коллекторный ток уменьшается с постоянной времени τ’_B, стремясь к уровню –β I⁰_Б. При достижении нулевого уровня транзистор запирается. Формирование фронта выключения заканчивается:

. (4.25)

Очевидно, для уменьшения необходимо увеличивать выключающий токI⁰_Б. Как и при включении, наличие емкости нагрузки С_Н приводит к возрастанию . Это увеличение не превосходит величины 2,2 С_HR_K, соответствующей при мгновенном запирании транзистора.

Задержка выключения ключа t^0,1_ЗД = t_P + t_Ф.ВЫКЛ определяется главным образом временем t_P и может составлять десятки наносекнуд.

Быстродействие ключа характеризуют максимальной частотой следования входных сигналов

, (4.26)

при которой успевают завершиться переходные процессы на всех этапах при включении и выключении. Часто для характеристики быстродействия используется среднее время задержки сигнала

. (4.27)

При конечной длительности фронта входного сигнала, что обычно и имеет место, задержки включения и выключения принято отсчитывать на заданных (чаще 50-процентных) уровнях входного и выходного сигналов и называть, соответственно, временем задержки распространения сигнала при включении и выключении.

Анализ переходных процессов в ключе показывает, что задержки включения и выключения зависят, соответственно, от включающего и выключающего токов базы. Чем больше токи, тем круче фронты и меньше время подготовки. Однако ток включения I¹_Б влияет не только на задержку включения, но и выключения. Так, желание уменьшить t^1,0_ЗД путем увеличения тока I¹_Б приводит к повышению степени насыщения S_H и, следовательно, к росту времени рассасывания при выключении. Поэтому на практике в отношении тока I¹_Б принимается компромиссное решение. Что касается тока I⁰_Б, то он влияет только на этапе выключения. Поэтому его стремятся сделать максимально возможным. Распространенным приемом в ИС является создание низкоомных цепей для выключающего тока с помощью диода Шотки, шунтирующего сопротивление R_Г (рис. 4.12, а). Низкоомная цепь создается также в схеме рис. 4.12, где в роли R⁰_Г выступает выходное сопротивление насыщенного транзистора Е_Г.

Рисунок 4.12 − Низкоомная цепь

Наиболее продолжительным этапом при переключениях является рассасывание. Поэтому быстродействие ключей повышается более существенно при использовании в них нелинейной обратной связи с помощью диодов Шотки (рис. 4.12, б), позволяющей практически исключить насыщение и, следовательно, этап рассасывания.

Когда транзистор закрыт или работает в активном режиме, напряжение на коллекторе достаточно высокое, диод закрыт и не влияет на работу ключа. При подходе транзистора к режиму насыщения, когда напряжение между базой и коллектором U_БК = U_БЭ − U_КЭ достигает порога отпирания диода U_ДО, диод шунтирует коллекторный переход, фиксируя на нем напряжение на уровне, близком к U_ДО. Так как U_ДО = 0,3…0,4 В, т.е. меньше порога отпирания U_БКО, коллекторный переход не отпирается и транзистор в режим насыщения не входит. Благодаря этому при выключении время t_P = 0. Однако платой за повышение быстродействия здесь является некоторое повышение нижнего уровня напряжения на открытом ключе.

Биполярный транзистор Википедия

Обозначение биполярных транзисторов на схемах. Направление стрелки показывает направление тока через эмиттерный переход, и служит для идентификации n-p-n и p-n-p транзисторов. Наличие окружности символизирует транзистор в индивидуальном корпусе, отсутствие — транзистор в составе микросхемы.

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

Биполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.

Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).

Устройство[ | ]

Упрощённая схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E), базы («Б», англ. B) и коллектора («К», англ. C). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты^[1].

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерн

принцип работы и как проверить

Существуют различные виды полупроводниковых приборов – тиристоры, триоды, они классифицируются по назначению и типу конструкции. Полупроводниковые биполярные транзисторы способны переносить одновременно заряды двух типов, в то время, как полевые только одного.

Конструкция и принцип работы

Ранее вместо транзисторов в электрических схемах использовались специальные малошумящие электронные лампы, но они были больших габаритов и работали за счет накаливания. Биполярный транзистор ГОСТ 18604.11-88 – это полупроводниковый электрический прибор, который является управляемым элементом и характеризуется трехслойной структурой, применяется для управления СВЧ. Может находиться в корпусе и без него. Они бывают p-n-p и n–p–n типа. В зависимости от порядка расположения слоев, базой может быть пластина p или n, на которую наплавляется определенный материал. За счет диффузии во время изготовления получается очень тонкий, но прочный слой покрытия.

Фото — мпринципиальные схемы включения

Чтобы определить, какой перед Вами транзистор, нужно найти стрелку эммитерного перехода. Если её направление идет в сторону базы, то структура pnp, если от неё – то npn. Некоторые полярные импортные аналоги (IGBT и прочие) могут иметь буквенное обозначение перехода. Помимо этого бывают еще биполярные комплементарные транзисторы. Это устройства, у которых одинаковые характеристики, но разные типы проводимости. Такая пара нашла применение в различных радиосхемах. Данную особенность нужно учитывать, если необходима замена отдельных элементов схемы.

Фото — конструкция

Область, которая находится в центре, называется базой, с двух сторон от неё располагаются эммитер и коллектор. База очень тонкая, зачастую её толщина не превышает пары 2 микрон. В теории существует такое понятие, как идеальный биполярный транзистор. Это модель, у которой расстояние между эммитерной и коллекторной областями одинаковое. Но, зачастую, эммиторный переход (область между базой и эммитером) в два раза больше коллекторного (участок между основой и коллектором).

Фото — виды биполярных триодов

По виду подключения и уровню пропускаемого питания, они делятся на:

1. Высокочастотные;
2. Низкочастотные.

По мощности на:

1. Маломощные;
2. Средней мощности;
3. Силовые (для управления необходим транзисторный драйвер).

Принцип работы биполярных транзисторов основан на том, что два срединных перехода расположены по отношению друг к другу в непосредственной близости. Это позволяет существенно усиливать проходящие через них электрические импульсы. Если приложить к разным участкам (областям) электрическую энергию разных потенциалов, то определенная область транзистора сместится. Этим они очень похожи на диоды.

Фото — пример

Например, при положительном открывается область p-n, а при отрицательном она закрывается. Главной особенностью действия транзисторов является то, что при смещении любой области база насыщается электронами или вакансиями (дырками), это позволяет снизить потенциал и увеличить проводимость элемента.

Существуют следующие ключевые виды работы:

1. Активный режим;
2. Отсечка;
3. Двойной или насыщения;
4. Инверсионный.

Перед тем, как определить режим работы в биполярных триодах, нужно разобраться, чем они отличаются друг от друга. Высоковольтные чаще всего работают в активном режиме (он же ключевой режим), здесь во время включения питания смещается переход эмиттера, а на коллекторном участке присутствует обратное напряжение. Инверсионный режим – это антипод активного, здесь все смещено прямо-пропорционально. Благодаря этому, электронные сигналы значительно усиливаются.

Во время отсечки исключены все типы напряжения, уровень тока транзистора сведен к нулю. В этом режиме размыкается транзисторный ключ или полевой триод с изолированным затвором, и устройство отключается. Есть еще также двойной режим или работа в насыщении, при таком виде работы транзистор не может выступать как усилитель. На основании такого принципа подключения работают схемы, где нужно не усиление сигналов, а размыкание и замыкание контактов.

Из-за разности уровней напряжения и тока в различных режимах, для их определения можно проверить биполярный транзистор мультиметром, так, например, в режиме усиления исправный транзистор n-p-n должен показывать изменение каскадов от 500 до 1200 Ом. Принцип измерения описан ниже.

Основное назначение транзисторов – это изменение определенных сигналов электрической сети в зависимости от показателей тока и напряжения. Их свойства позволяют управлять усилением посредством изменения частоты тока. Иными словами, это преобразователь сопротивления и усилитель сигналов. Используется в различной аудио- и видеоаппаратуре для управления маломощными потоками электроэнергии и в качестве УМЗЧ, трансформаторах, контроля двигателей станочного оборудования и т. д.

Видео: как работает биполярные транзисторы

Проверка

Самый простой способ измерить h31e мощных биполярных транзисторов – это прозвонить их мультиметром. Для открытия полупроводникового триода p-n-p подается отрицательное напряжение на базу. Для этого мультиметр переводится в режим омметра на -2000 Ом. Норма для колебания сопротивления от 500 до 1200 Ом.

Чтобы проверить другие участки, нужно на базу подать плюсовое сопротивление. При этой проверке индикатор должен показать большее сопротивление, в противном случае, триод неисправен.

Иногда выходные сигналы перебиваются резисторами, которые устанавливают для снижения сопротивления, но сейчас такая технология шунтирования редко используется. Для проверки характеристики сопротивления импульсных транзисторов n-p-n нужно подключать к базе плюс, а к выводам эммитера и коллектора — минус.

Технические характеристики и маркировка

Главными параметрами, по которым подбираются эти полупроводниковые элементы, является цоколевка и цветовая маркировка.

Фото — цоколевка маломощных биполярных триодовФото — цоколевка силовых

Также используется цветовая маркировка.

Фото — примеры цветовой маркировкиФото — таблица цветов

Многие отечественные современные транзисторы также обозначаются буквенным шифром, в который включается информация о группе (полевые, биполярные), типе (кремниевые и т. д.,) годе и месяце выпуска.

Фото — расшифровка

Основные свойства (параметры) триодов:

1. Коэффициент усиления по напряжению тока;
2. Входящее напряжение;
3. Составные частотные характеристики.

Для их выбора еще используются статические характеристики, которые включают сравнение входных и выходных ВАХ.

Необходимые параметры можно вычислить, если произвести расчет по основным характеристикам (распределение токов каскада, расчет ключевого режима). Коллекторный ток: Ik=(Ucc-Uкэнас)/Rн

• Ucc – напряжение сети;
• Uкэнас – насыщение;
• Rн – сопротивление сети.

Потери мощности при работе:

P=Ik*Uкэнас

Купить биполярные транзисторы SMD, IGBT и другие можно в любом электротехническом магазине. Их цена варьируется от нескольких центов до десятка долларов, в зависимости от назначения и характеристик.

Основные параметры транзистора | Практическая электроника

Основные параметры биполярного транзистора описаны в любом даташите. Для того, чтобы понять характеристики транзистора, надо научиться читать его основные параметры. Не зная этих параметров, можно накосячить при конструировании своих радиоэлектронных безделушек. Погнали!

Виды транзисторов

Из первой ст атьи про биполярный транзистор, мы помним, что его производят из двух веществ – это германий и кремний. Следовательно, по материалу, из которых их производят, все биполярные транзисторы делятся на кремниевые и германиевые. Почему же идет такая классификация? Как вы помните из предыдущих статей, для того, чтобы транзистор “открылся” на германиевый транзистор надо подать 0,2-0,3 Вольта, а на кремниевый 0,6-0,7 Вольт. Кремниевый транзистор выдерживает температуру эксплуатации до 150 градусов по Цельсию, тогда как германиевый только до 70 градусов. Обратный коллекторный ток у кремниевого транзистора намного меньше, чем у германиевого, что кстати, тоже немаловажный параметр.

Проводимость транзистора

Проводимость NPN или PNP. С этим, думаю, уже все понятно

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по  току в схеме с Общим Эмиттером (ОЭ)

Обратный коллекторный ток

Обратный коллекторный ток  I_КБО (I_CBO)

Обозначения и индексы

Откуда вообще берутся эти обозначения индексов? Снизу синим маркером я пометил эти индексы:

Оказывается, все до боли просто.

Первая буква индекса – первый вывод транзистора, вторая буква – второй вывод транзистора, ну а третья буква обозначает оставшийся вывод и его условие, при котором производится этот замер. Самая распространенная третья буква – это “О”. Но скорее всего это даже и не буква, а цифра “ноль”. Она говорит о том, что на третьем выводе напряжение равняется нулю. Это достигается тем, что оставшийся третий вывод никуда не подключен и висит в воздухе.

Например, I_КБО говорит нам о том, что это ток (сила тока), между коллектором и базой, при условии, что напряжение на эмиттере равняется нулю. То есть эмиттер отключен.

Есть также более интересные условия, но они встречаются редко. Например, буква “К” от слова “короткий” (в англ.варианте “Shot”). Такой параметр как U_КЭК говорит нам о том, что это напряжение между коллектором и эмиттером, при условии, что база и эмиттер замкнуты накоротко, или детским языком, база  с эмиттером соединены проводочком. Здесь последняя буква говорит нам об оставшемся выводе и условии, которое происходит между этим выводом и буковкой-выводом которая рядом.

Также иногда встречается буква “R”, которая обозначает, как ни странно, сопротивление. Например U_КЭR говорит о том, что это напряжение между коллектором и эмиттером при условии что база и эмиттер соединены сопротивлением. И рядышком в справочнике приводится номинал этого сопротивления.

Также часто встречается вместо третьей буквы индекса обозначение “нас” или на буржуйский манер “sat”. “Нас” – кратко от “насыщение”, то же самое и “”sat” – saturation  в переводе на русский  – насыщение. Например, U_{КЭ нас} (V_CEsat) – это напряжение насыщения коллектор-эмиттер.

И еще один нюанс… порядок индексов совпадает с положительным направлением тока. Что это значит? Например, U_КЭ напряжение между коллектором и эмиттером. Значит ток движется от коллектора к эмиттеру. Но если мы поменяем индексы вот так U_ЭК у нас это будет уже обозначать, что электрический ток движется от эмиттера к коллектору. Справедливы также следующие выражения:

U_КЭ= – U_ЭК и так далее.

Максимальное допустимое обратное напряжение между коллектором и базой

Максимальное допустимое обратное напряжение между коллектором и базой U_{КБ макс} (V_CBO)  – это максимальное обратное напряжение, которое может выдержать коллекторный P-N переход при открытом эмиттере (эмиттер ни с чем не связан и его ножка болтается в воздухе, короче говоря, на эмиттере ноль)

Для NPN транзистора это будет выглядеть так:

Для NPN транзистора этот параметр показан с плюсом. Оно и понятно, индексы  идут как “КБ”, что означает коллектор “плюсовый” а база “минусовая”.

Вот, например, этот параметр для транзистора BC337 структуры NPN:

Как вы видите, параметр V_CBO показан с плюсом.

Чтобы не мудрить с индексами, для PNP транзистора ставят просто тупо минус перед циферками в даташите, которое говорит нам о том, что напряжение подаем в обратной полярности. В некоторых даташитах знак “минус” не указан, но все равно имейте ввиду, что это обратное напряжение на P-N переходе.

Например как в этом даташите на транзистор S8550 PNP структуры. Видите перед цифрой “30” знак минус? Если бы мы поменяли индексы, то получили бы, что V_BCO =30 Вольт. Знак “минус” тогда бы исчез, но в то же время у нас индексы поменялись (я их даже выделил жирным шрифтом).

То есть тут мы видим, что это напряжение тоже обратное.

Максимальное допустимое значение напряжения между эмиттером и базой

Максимальное допустимое напряжение между эмиттером и базой U_{ЭБ макс} (V_ЕВО)  – это напряжение, которое может выдержать эмиттерный P-N переход, если приложить напряжение в обратном направлении, при условии, что коллектор у нас никуда не цепляется. Похожий параметр, но только  уже для эмиттерного перехода.

Для NPN транзистора это выглядит вот так и напряжение в даташите указывается с плюсом:

А для PNP как-то так:

Для PNP этот параметр также идет с минусом, чтобы не переставлять индексы:

Максимальное допустимое напряжение между коллектором и эмиттером

Максимальное допустимое напряжение между коллектором и эмиттером U_{КЭ макс} (U_КЭО). Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером по направлению стрелочки эмиттера , при условии что база  никуда не цепляется. Для PNP транзистора этот параметр также идет с минусом.

Максимальная рассеиваемая мощность

Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе P_{K макс} (P_{C max}). Это максимальная мощность, которую транзистор может рассеять на себе в окружающее пространство.

Например, для транзистора S8550 это значение равняется 1 Ватту.

Чтобы его не превысить, нужно рассчитать какую мощность будет рассеивать ваш транзистор по формуле:

P=U_K x I_K

где

P – это мощность, которая рассеивается на транзисторе

U_K  – напряжение на коллекторе относительно минуса

I_K  – ток коллектора

Рассеивание мощности транзистором означает, что на нем будет выделяться тепло, которое рассеивается в окружающее пространство. Поэтому, чтобы отвести это тепло от транзистора, применяют радиаторы:

Особенно это касается мощных транзисторов, через которые текут большие токи и напряжения. Как я уже говорил, для кремниевых транзисторов критическая температура нагрева это 150 градусов по Цельсию, для германиевых 70. Так что следите за температурой, если не хотите получить в результате уголек с дымом. Иными словами если Р превысит P_{К макс}, то вашему транзистору придет жопа.

Максимальный допустимый коллекторный ток

Максимально допустимый коллекторный ток I_{K макс} (I_{c max}). Превышение этого номинала приводит к пробою переходов, выгоранию тонких токоведущих проводов, которые соединяют ножку транзистора с кристаллом полупроводника. Ну и чем больше ток, тем разумеется и больше мощность, выделяемая транзистором, значит  будет больше нагрев.

Граничная частота передачи тока

Граничная частота передачи тока f_гр .  Это частота, на которой коэффициент β (коэффициент усиления по току) становится равным единице. Так что отсюда вывод, что не каждый транзистор будет усиливать высокочастотные колебания. Поэтому в радиоприемной и радиопередающей аппаратуре используются транзисторы с высокой граничной частотой.

Различных других параметров транзистора туева куча. Здесь же я привел те параметры, на которые следует обращать внимание при проектировании своих электронных безделушек. Некоторые параметры в одной книге обозначают так, в другой эдак, в третьей совсем по-другому. Не могу сказать, что мои названия и обозначение параметров образцовые, но все-таки старался обозначить как в большинстве учебной литературы, чтобы было понятно каждому начинающему электронщику.

Продолжение——>

<——-Предыдущая статья