Биполярные транзисторы

Когда мы предполагали, что транзистор находится в насыщенном состоянии, мы предполагали, что некоторые его параметры неизменны. Это не совсем так. На самом деле, параметры изменились в основном за счет увеличения тока коллектора, поэтому перегрузка безопаснее. В документации показано, как изменяются параметры транзистора при перегрузке. Например, в таблице на рисунке 2.B показаны два параметра, которые значительно изменяются:

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – один из старейших и наиболее известных типов транзисторов, который до сих пор используется в современной электронике. Транзистор незаменим, когда необходимо управлять нагрузкой достаточной мощности, для которой управляющее устройство не в состоянии обеспечить достаточный ток. Они бывают разных типов и мощности, в зависимости от выполняемой задачи. Основные новости о транзисторах и формулы можно найти в этой статье.

Введение

Прежде чем начать урок, давайте установим, что мы обсуждаем только один тип метода переключения транзисторов. Транзистор может быть использован в усилителе или приемнике, и обычно каждая модель транзистора производится с определенными особенностями, чтобы сделать его более специализированным для работы в конкретном коммутационном приложении.

Транзистор имеет три контакта: база, коллектор и эмиттер. Невозможно сказать, какой из них является входом, а какой – выходом, потому что все они взаимосвязаны и так или иначе влияют друг на друга. Когда транзистор включен в режиме переключателя (управление нагрузкой), он работает следующим образом: ток базы управляет током от коллектора к эмиттеру, или наоборот, в зависимости от типа транзистора.

Существует два основных типа транзисторов: NPN и PNP. Чтобы понять это, можно сказать, что основное различие между двумя типами заключается в направлении электрического тока. Это можно увидеть на рисунке 1.A, где показано направление тока. В транзисторе NPN один ток течет от базы к внутренней части транзистора, а другой – от коллектора к эмиттеру, в то время как в транзисторе PNP все происходит наоборот. Функционально разница между этими двумя типами транзисторов заключается в напряжении на нагрузке. Как видно из рисунка, транзистор NPN в открытом состоянии выдает 0 В, а транзистор PNP – 12 В. Позже вы увидите, почему это влияет на выбор транзистора.

Для простоты мы рассмотрим только NPN-транзисторы, но все это применимо и к PNP-транзисторам, учитывая, что все токи обратные.

На рисунке ниже показана аналогия между выключателем (S1) и транзисторным ключом, где видно, что ток базы закрывает или открывает путь тока от коллектора к эмиттеру:

Аналогия транзистора и переключателя

Зная точные характеристики транзистора, можно получить от него максимальную выходную мощность. Основным параметром является коэффициент усиления транзистора по постоянному току, который обычно обозначается как Hfe или β. Также важно знать максимальный ток, мощность и напряжение транзистора. Эти параметры можно найти в документации на транзистор, они помогут нам определить значение резистора на базе, о котором мы поговорим чуть позже.

Использование NPN транзистора в качестве переключателя

Переключение транзистора

На рисунке показано включение NPN-транзистора в качестве переключателя. Вы очень часто увидите это включение при анализе различных электронных схем. Мы узнаем, как запустить транзистор в выбранном режиме, рассчитать базовый резистор, коэффициент усиления по току транзистора и сопротивление нагрузки. Я предлагаю самый простой и точный способ сделать это.

1 Предположим, что транзистор находится в состоянии насыщения: В этом случае математическая модель транзистора становится очень простой, и мы знаем напряжение на Vc. Найдем значение базового резистора, при котором все будет сходиться.

2. определение тока насыщения коллектора: Напряжение между коллектором и эмиттером (V) взята из документации на транзистор. Эмиттер подключен к GND, соответственно Vce= Vc – 0 = Vc. Зная это значение, мы можем рассчитать ток насыщения коллектора по формуле:

Иногда сопротивление нагрузки RL не известно или не может быть столь же точным, как сопротивление обмотки реле; в этом случае достаточно знать ток, необходимый для срабатывания реле.
Убедитесь, что ток нагрузки не превышает максимальный ток коллектора транзистора.

Рассчитайте необходимый ток базы: Зная ток коллектора, минимально необходимый ток базы для достижения этого тока коллектора можно рассчитать по следующей формуле:

Из этого следует, что:

4. превышение допустимых значений: После расчета тока базы, если окажется, что он меньше указанного в документации, транзистор можно перегрузить, умножив рассчитанный ток базы, скажем, на 10. Это сделает транзисторный ключ гораздо более стабильным. Другими словами, производительность транзистора будет снижаться при увеличении нагрузки. Будьте осторожны, чтобы не превысить максимальный ток базы, указанный в документации.

Расчет необходимого значения Rb: При 10-кратной перегрузке сопротивление Rb можно рассчитать по следующей формуле:

где V1 управляющее напряжение транзистора (см. рис. 2.a)

Но если эмиттер соединен с землей, а напряжение база-эмиттер известно (около 0,7 В в большинстве транзисторов), и если предположить, что V1 = 5 В, формула может быть упрощена до следующего вида:

Видно, что ток базы умножается на 10, учитывая перегрузку.
Когда значение Rb Известно, что транзистор “настроен” на работу в качестве переключателя, что также называется “режимом насыщения и отсечки”, где “насыщение” – это когда транзистор полностью открыт и проводит ток, а “отсечка” – когда он закрыт и не проводит ток.

Примечание: Когда мы говорим , мы не имеем в виду, что ток коллектора должен быть равен . Это просто означает, что коллекторный ток транзистора может подняться до этого уровня. Ток будет следовать закону Ома, как и любой другой электрический ток.

Расчет нагрузки

Предполагая, что транзистор находится в насыщенном состоянии, мы предположили, что некоторые его параметры инвариантны. Это не совсем верно. На самом деле, параметры изменились в основном за счет увеличения тока коллектора, поэтому перегрузка безопаснее. В документации показано, как изменяются параметры транзистора при перегрузке. Например, в таблице на рисунке 2.B показаны два параметра, которые значительно изменяются:

HFE (β) изменяется в зависимости от тока коллектора и напряжения VCEsat. Но VCEsat изменяется в зависимости от тока коллектора и базы, как показано в таблице ниже.

Таблица

Расчет может быть очень сложным, так как все параметры тесно и хитро связаны между собой, поэтому лучше брать наихудшие значения. Т.е. самый низкий уровень HFEнаибольшая VCEsat и VCEsat.

Типичные применения транзисторных переключателей

Управляющие реле

Управление реле

В современной электронике транзисторные переключатели используются для управления электромагнитными реле, потребляющими до 200 мА. Если вы хотите управлять реле с помощью логики или микроконтроллера, то транзистор необходим. На рисунке 3.A сопротивление базового резистора рассчитывается в соответствии с током, требуемым реле. Диод D1 защищает транзистор от импульсов, которые генерирует катушка в выключенном состоянии.

Подключение транзистора с открытым коллектором:

Коммутирующий транзистор

Многие устройства, такие как микроконтроллеры семейства 8051, имеют порты с открытым коллектором. Сопротивление базового резистора внешнего транзистора рассчитывается, как описано в этой статье. Обратите внимание, что порты могут быть более сложными и часто используют полевые транзисторы вместо биполярных транзисторов и называются выходами с открытым стоком, но все остается точно таким же, как на рисунке 3.B.

3 Создание логического элемента OR-NE (NOR):

Включение транзистора

Иногда в схеме нужен один логический элемент, и вы не хотите использовать 14-контактную схему с 4 элементами, либо из-за стоимости, либо из-за места на плате. Его можно заменить парой транзисторов. Обратите внимание, что частотная характеристика таких элементов зависит от характеристик и типа транзисторов, но обычно она ниже 100 кГц. Уменьшение выходного сопротивления (Ro) увеличит потребляемую мощность, но увеличит выходной ток.
Вы должны найти компромисс между этими параметрами.

beginner88-15.jpg

На рисунке выше показан логический элемент ИЛИ-НЕ, построенный с использованием транзисторов 2N2222. Это можно сделать на PNP транзисторах 2N2907, с небольшими изменениями. Нужно только учесть, что все электрические токи тогда текут в противоположном направлении.

Поиск неисправностей в транзисторных схемах

При возникновении проблемы в схемах, содержащих несколько транзисторов, бывает очень трудно определить, какой из них неисправен, особенно если все они припаяны. Я даю несколько советов, которые помогут вам довольно быстро найти проблему в такой схеме:

1. температура: Если транзистор очень теплый, вероятно, где-то есть проблема. Проблема не обязательно заключается в горячем транзисторе. Обычно неисправный транзистор даже не нагревается. Это повышение температуры может быть вызвано другим транзистором, подключенным к нему.

2 Измерить VCE транзисторов: Если все они одного типа и все работают, они должны иметь примерно одинаковый VCE. Ищите транзисторы с разным VCE это быстрый способ поиска неисправных транзисторов.

3. измерьте напряжение на базовом резисторе: Напряжение на базовом резисторе имеет большое значение (если транзистор включен). Для устройства, управляющего NPN-транзистором с напряжением 5 В, падение напряжения на резисторе должно быть больше 3 В. Если падение напряжения на резисторе отсутствует, то неисправен либо транзистор, либо драйвер транзистора. В обоих случаях базовый ток равен 0.

Шпакунов А. Опубликовано: 2012. 0 1 Премия I собрана 0 0Как видите, коэффициент усиления зависит не только от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды! Разные значения температуры соответствуют разным кривым.

Характеристики биполярного транзистора.

Существует несколько основных характеристик транзистора, чтобы понять, как он работает и как использовать его для решения проблем.

И первый из них входная характеристикакоторая представляет собой зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при заданном напряжении коллектор-эмиттер:

В документации на данный транзистор обычно приводится семейство входных характеристик (для различных значений U_ <кэ>):

Входные характеристики биполярного транзистора.

Входная характеристика в принципе очень похожа на характеристику прямого плеча диода. Когда U_ <кэ>= 0, характеристика соответствует зависимости ток-напряжение для двух p-n-переходов, соединенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). Как U_ <кэ>ветвь сместится вправо.

Теперь мы переходим ко второй очень важной характеристике биполярного транзистора – выходной характеристике! Выходная характеристика – Это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы.

Также приводится семейство характеристик для различных значений тока базы:

Выходные характеристики биполярного транзистора.

Мы видим, что для малых значений U_ <кэ>мы видим, что для малых значений U_ ток коллектора увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения изменение тока очень мало и практически не зависит от U_ <кэ>(но пропорционально току базы). Эти секции соответствуют различным режимам работы транзистора.

Их можно визуализировать, построив график на семействе кривых выходных характеристик:

Режимы работы биполярного транзистора.

Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Как вы помните, в этом режиме маленький ток базы управляет током коллектора, который имеет большее значение.

Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_ <бэ>что в соответствии с входной характеристикой увеличивает ток базы. Это, в соответствии с выходными характеристиками в активном режиме, приводит к увеличению тока коллектора. Все связано друг с другом ? .

Небольшое дополнение. В этой части выходной характеристики ток коллектора все еще слабо зависит от напряжения U_ <кэ>(он увеличивается с ростом напряжения). Это связано с процессами, происходящими в биполярном транзисторе. А именно, при увеличении напряжения на коллекторном переходе увеличивается его площадь и соответственно уменьшается толщина базы. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. Это, в свою очередь, вызывает небольшое увеличение коэффициента проводимости тока βbeta . В конце концов, это приводит к увеличению тока коллектора:

В точке 2 транзистор находится в насыщенном состоянии. С уменьшением U_ <кэ>напряжение на коллекторном переходе U_ <кб>. И при определенном значении U_ <кэ>= U_ <кэ medspace=”” нас=””>напряжение на коллекторном переходе меняет знак, и переход смещается в прямом направлении. То есть в активном режиме мы имели картину, что эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В режиме насыщения, с другой стороны, оба разъема смещены в прямом направлении.

В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться от коллектора к базе – противоположно носителям заряда, которые движутся от эмиттера к коллектору. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_ ток коллектора уменьшается. <кэ>ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора больше не зависит от тока базы.

Режим насыщения часто используется в схемах транзисторных переключателей. Позже в этой статье мы перейдем к практическим расчетам реальных цепей и там будем использовать рассмотренный сегодня метод характеристики биполярного транзистора!

Наконец, область 3, которая лежит ниже кривой, соответствующей I_ <б>= 0 . Оба перехода смещаются в противоположном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый выключенный режим.

Все параметры транзистора довольно сильно зависят друг от друга, а также от температуры, поэтому в документации приведены характеристики для различных значений. Например, зависимость коэффициента усиления тока (в международной документации обозначается как h_ ) в зависимости от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:

Как видно, коэффициент усиления зависит не только от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды! Разные значения температуры соответствуют разным кривым.

Схема с общим коллектором иначе называется эмиттерным усилителем. Это происходит потому, что разность потенциалов на коллекторе и эмиттере практически равна. Такая комбинация обеспечивает высокий коэффициент усиления по току, высокое входное сопротивление и фазовое согласование входного и выходного сигналов. По этой причине эмиттерные усилители используются в согласующих и буферных усилителях.

Основная функция биполярного транзистора (БТ) заключается в увеличении мощности входного электрического сигнала. Эти твердотельные радиочастотные компоненты появились как альтернатива электровакуумным триодам и со временем практически вытеснили их из промышленности. На самом деле, эти трубки все еще используются, но в очень узком сегменте устройств специального назначения. В радиотехнике массового рынка используются в основном биполярные транзисторы и их ближайшие родственники – полевые транзисторы.

Ключевым преимуществом этих компонентов является их миниатюрность. Электровакуумный усилитель с аналогичными характеристиками в несколько раз больше биполярного транзистора. Следовательно, использование ВТ в радиочастотной электронике приводит к значительному уменьшению размеров конечного радиочастотного изделия.

Этот транзистор называется биполярным, поскольку в физических процессах, происходящих во время его работы, участвуют оба типа носителей заряда – электроны и дырки. Это влияет на способ управления выходным сигналом. В биполярных транзисторах выходные параметры управляются током, а не электрическим полем, как в полевых транзисторах (униполярных).

Конструкция биполярных транзисторов.

Конструкция биполярного транзистора

Этот полупроводниковый триод состоит из 3 частей – эмиттера, коллектора и базы. Поэтому ключевыми элементами биполярного транзистора являются два p-n-перехода, а не один, как в полевом транзисторе. Эмиттер действует как генератор носителей заряда, которые создают рабочий ток, протекающий к коллектору. База необходима для подачи управляющего напряжения.

Если рассматривать плоскую модель ВТ, то радиоэлемент состоит из двух областей p- или n-проводимости (эмиттер и коллектор), разделенных тонким слоем полупроводника противоположной проводимости (база). Полупроводниковый чип на стороне коллектора физически больше. Эта взаимосвязь обеспечивает правильную работу биполярного транзистора.

В зависимости от типа проводимости эмиттера, коллектора и базы различают транзисторы PNP и NPN. В принципе, они работают одинаково, разница лишь в том, что к ним прикладывается напряжение разной полярности. Выбор того или иного типа РТ зависит от характеристик конкретного радиооборудования.

Как работает биполярный транзистор.

Когда эмиттер и коллектор подключены к источнику питания, создаются практически все условия для протекания тока. Однако свободному движению носителей заряда препятствует база, и для устранения этой помехи к базе прикладывается напряжение смещения. В базовом слое полупроводника происходят физико-химические процессы рекомбинации электронов и дырок, в результате чего через базу протекает небольшой ток. В результате p-n-переходы открывают путь для потока носителей заряда от эмиттера к коллектору.

Если ток, протекающий через базу, изменяется по некоторому закону, то ток большой мощности между эмиттером и коллектором изменяется таким же образом. Следовательно, на выходе биполярного транзистора мы получаем тот же сигнал, что и на базе, но с большей мощностью. В этом заключается усилительная функция биполярного транзистора.

Режимы работы.

Существует 4 режима, в которых может работать биполярный транзистор. В этот список входят следующие:

  1. Режим OFF;
  2. активный режим;
  3. насыщенность;
  4. Режим барьера.

1) отсечение.

Если разность потенциалов между эмиттером и базой ниже определенного значения (около 0,6 В), p-n-переход база-эмиттер закрыт, поскольку ток базы отсутствует. Поэтому коллекторный ток не течет, так как в базовом слое нет свободных электронов. Таким образом, транзистор переходит в состояние отсечки, и сигнал не усиливается. Этот режим используется в цифровых схемах, когда БТ действует как разомкнутый переключатель.

2. активный режим.

В этом режиме радиочастотный компонент усиливает сигнал, т.е. выполняет свою основную функцию. К базе прикладывается разность потенциалов, которая открывает p-n-переход база-эмиттер. Вследствие этого в транзисторе начинают протекать токи коллектора и базы. Ток коллектора рассчитывается как арифметическое произведение тока базы и коэффициента усиления.

3. насыщенность.

Биполярный транзистор переходит в этот режим, увеличивая ток базы до определенного предела, при котором p-n-переходы полностью открыты. Значение тока, протекающего через ТТ в состоянии насыщения, зависит только от напряжения питания и нагрузки в цепи коллектора. В этом режиме входной сигнал не усиливается, поскольку ток коллектора не улавливает изменений тока базы. Способность транзистора входить в состояние насыщения используется в цифровой технике, когда КТ действует как ключ в закрытом положении.

4 Режим барьера.

Здесь транзистор действует как диод с последовательно включенным резистором. Это делается путем подключения базы непосредственно или через низкое сопротивление к коллектору. В этом режиме триоды хорошо работают в высокочастотных приложениях. Кроме того, использование транзистора в смятом режиме полезно в реальном производстве для уменьшения общего количества компонентов.

Схемы подключения биполярных транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Полупроводниковый триод может быть соединен в электрическую цепь по одной из трех схем – общий эмиттер, общий коллектор и общая база. В зависимости от способа подключения электрические параметры транзистора меняются, что в каждом конкретном случае определяет выбор схемы.

Биполярные транзисторы с общим эмиттером обеспечивают максимальное входное усиление. Это делает его схемой, наиболее часто используемой в усилительных каскадах.

Схема с общим коллектором также называется эмиттерным усилителем. Это происходит потому, что разность потенциалов на коллекторе и эмиттере кажется почти одинаковой. Такая комбинация обеспечивает высокий коэффициент усиления по току, высокое входное сопротивление и фазовое согласование входного и выходного сигналов. По этой причине эмиттерные усилители используются в согласующих и буферных усилителях.

В схеме с общей базой коэффициент усиления по току отсутствует, но коэффициент усиления по напряжению значителен. Особенностью этого метода является малое влияние транзистора на высокочастотные сигналы. Это делает схему с общей базой предпочтительной для использования в микроволновых устройствах.

Центральная область называется базаодна из самых внешних областей называется эмиттера другая называется коллектор. Соответственно, транзистор имеет два p-n перехода: эмиттерный переход между базой и эмиттером и коллекторный переход между базой и коллектором.

Физические процессы

Возьмем n-p-n транзистор в ненагруженном режиме, когда только два источника постоянного напряжения питания E1 и Е2. На эмиттерном переходе напряжение постоянно, а на коллекторном переходе напряжение меняется на противоположное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и напряжение E1 с точностью до одной десятой вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение E2 обычно составляет десятки вольт.

Поэтому, как и раньше, темные маленькие кружки со стрелками представляют электроны, красные кружки – дырки, а большие кружки – положительно и отрицательно заряженные донорные и акцепторные атомы. Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода соответствует характеристике полупроводникового диода при прямом токе, а вольт-амперная характеристика коллекторного перехода аналогична характеристике диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в следующем. Постоянное напряжение эмиттерного перехода uб-е влияет на токи эмиттера и коллектора, и чем выше напряжение, тем больше ток. Изменения тока коллектора лишь немного меньше, чем изменения тока эмиттера. Оказывается, что напряжение на переходе база-эмиттер, входное напряжение, управляет током коллектора. Это явление лежит в основе усиления электрических колебаний с помощью транзисторов. Основные биполярные транзисторы показаны в таблице ниже.

Таблица основных биполярных транзисторов

Когда постоянное входное напряжение u б-е потенциальный барьер на эмиттерном переходе уменьшается, а ток на этом переходе, соответственно, увеличивается. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и путем диффузии проходят через базу к коллекторному переходу, увеличивая коллекторный ток. Поскольку на коллекторный переход подается обратное напряжение, на этом переходе образуются объемные заряды (большие круги на рисунке). Между ними создается электрическое поле, которое продвигает (вытягивает) электроны, идущие от эмиттера через коллекторный переход, т.е. втягивает электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в базе низкая, большинство электронов не успеют рекомбинировать с дырками в базе и достигнут коллекторного перехода. Только небольшая часть электронов рекомбинирует с дырками в базе. Это приводит к возникновению тока базы.

Базовый ток бесполезен и даже вреден. Желательно, чтобы он был как можно ниже. По этой причине область основания очень тонкая, и концентрация отверстий в ней уменьшена. Тогда меньшее количество электронов будет рекомбинировать с дырками, и ток базы снова будет пренебрежимо мал.

Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, можно предположить, что ток в нем не течет. Тогда область коллекторного перехода имеет значительное сопротивление постоянному току, поскольку основные носители заряда отталкиваются от перехода, и на обеих границах перехода образуется область обедненных носителей. Через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток из-за обратного движения неосновных носителей заряда.

Однако, если входное напряжение индуцирует значительный ток эмиттера, в базу со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для данной области являются небазовыми носителями. Они достигают коллекторного перехода, не успев рекомбинировать с отверстиями, проходящими через базу.

Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов достигает коллектора, тем меньше становится его сопротивление и, следовательно, увеличивается ток коллектора. Аналогичное явление происходит и в p-n-p транзисторе, достаточно поменять местами электроны и дырки, причем полярность источников E1 и Е2.

Как устроен транзистор.

В дополнение к вышеперечисленным процессам происходит ряд других явлений. Рассмотрим модуляцию толщины базы.Когда напряжение на коллекторном переходе увеличивается, в нем возникает лавинное распространение заряда, вызванное в основном ударной ионизацией.

Это явление и эффект туннелирования могут вызвать электрический пробой, который при увеличении тока может превратиться в тепловой пробой. Это то же самое, что и для диодов, но в транзисторе, если ток коллектора слишком велик, может произойти тепловой отказ без предварительного электрического отказа.

Тепловой пробой может произойти без увеличения напряжения коллектора до напряжения пробоя. При изменении напряжения коллектора и эмиттера изменяется толщина спаев коллектора и эмиттера, что приводит к изменению толщины базы.

Что такое биполярный транзистор

По мере увеличения инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей в базе, т.е. концентрация и суммарный заряд этих носителей увеличивается. Уменьшение инжекции, с другой стороны, уменьшает концентрацию и общий заряд этих носителей в базе, и этот процесс называется рассеиванием небазовых носителей в базе.

И последнее правило: при работе с транзисторами не открывайте цепь базы, если цепь коллектора не запитана. Также следует подать питание на базовую цепь, а затем на коллекторную, но не наоборот.

Схема транзистора.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, состоящий из трех чередующихся участков полупроводника с различными типами проводников. (p-p-p или p-p-p) с ведущим от каждого региона. Рассмотрим работу транзистора типа n-p-n. Чередующиеся области образуют два p-pпереходы база-эмиттер (БЭ) и база-коллектор (БК).

К переходу BE прикладывается постоянное напряжение, которое заставляет электроны течь от эмиттерного n-перехода к базе, создавая ток эмиттера. Концентрация примесей в эмиттере во много раз выше, чем в базе, а сама база максимально тонкая. Поэтому только небольшая часть (1-5%) электронов, испускаемых эмиттером, рекомбинирует с дырками в базе.

Однако большинство электронов, минуя узкую (доли микрона) область базы, “собираются” коллекторным напряжением. Еk, которое является обратным напряжением для BC-перехода, и устремляется к плюсовой стороне внешнего источника Ek, генерирует коллекторный ток, протекающий через нагрузку Rн. Электроны, рекомбинирующие с дырками базы, создают базовый ток IБ.

Поэтому ток коллектора определяется током эмиттера минус ток базы. Транзистор p-n типа работает аналогичным образом, отличаясь лишь тем, что его эмиттер излучает дырки, а не электроны на базу, поэтому полярности UEB прямого и Едолжен быть противоположен p-p-p-типа транзистора.

В обозначении транзистора стрелка располагается на эмиттере и всегда указывает из области p в область n. На рис. 1.8, б Символ транзистора p-p-p .и на рис. 1.9, бp-p-p. Круг вокруг транзистора указывает на то, что транзистор выполнен в отдельной упаковке, а отсутствие круга указывает на то, что транзистор выполнен с другими компонентами на плате полупроводникового чипа.

Стрелку эмиттера удобно рассматривать как индикатор полярности постоянного напряжения, приложенного между базой и эмиттером, который “открывает” (как выпрямительный диод) транзистор. При использовании транзистора в электронных устройствах необходимы два вывода для входного сигнала и два – для выходного.

Поскольку транзистор имеет только три вывода, один из них должен быть общим, принадлежащим как входной, так и выходной цепи. Возможны три варианта расположения транзисторов: с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.

Переход в биполярном транзисторе.

Общее устройство основания

Схема транзистора с общей базой (ОБ) показана на рисунке 1.10. Входным сигналом для схемы с общей базой является напряжение, приложенное между эмиттером и базой. UBX = = UEB; выходное напряжение – это напряжение, приложенное к нагрузке Uза пределами IkRn; входной ток – ток эмиттера Iнеизлучатель = IE; выходной ток – ток коллектора Iвыходить = Iк.

Входное напряжение UEB является управляющим напряжением для транзистора, поэтому небольшое его изменение (доли вольта) вызывает изменение тока эмиттера в очень широком диапазоне, практически от нуля до максимума. Максимальный ток зависит от назначения транзистора (маломощный, среднемощный и мощный) и соответствующей конструкции.

Поскольку напряжение UΚB инвертировано, значение напряжения внешнего источника Еk может быть в несколько десятков раз выше, чем напряжение UEB. Падение напряжения на нагрузке будет тем больше, чем больше ток коллектора, в то время как на самом транзисторе будет падать лишь небольшое напряжение UKB, которое будет тем меньше, чем больше ток коллектора.

Таким образом, изменение входного напряжения на доли вольта приводит к изменению напряжения на нагрузке, которое немного меньше, чем напряжение Ек. Это положение определяет усилительные свойства транзистора.

Чтобы оценить производительность транзистора и его усилительные свойства в различных схемах включения, необходимо рассмотреть инкрементные входные величины и результирующие инкрементные выходные величины. При рассмотрении транзистора в качестве усилителя принято характеризовать его свойства следующим образом по коэффициенту усиления и по значению входной импеданс. Существует три типа факторов усиления:

  • – коэффициент усиления тока КI = ΔIснаружи /ΔIw
  • – Коэффициент усиления напряжения КU = W K ΔUout/ΔUin;
  • – Коэффициент усиления мощности; коэффициент мощности КР = КI – КU.

Отношение изменения входного напряжения к изменению входного тока: Rвход = ΔUin/ΔIw. Входной импеданс любого усилителя будет искажать входной сигнал. Каждый источник реального сигнала имеет некоторое внутреннее сопротивление, и при подключении к усилителю образуется делитель напряжения, состоящий из внутреннего сопротивления источника и входного сопротивления усилителя.

Поэтому, чем больше входное сопротивление усилителя, тем больше сигнала попадет на это сопротивление и усилится, и тем меньше придется на внутреннее сопротивление самого источника. Таким образом, Ктакже определяется коэффициентом сопротивления. Поскольку коэффициент усиления тока в цепи OCR равен КIB меньше единицы, он не применяется.

Как показано на рисунке 1.3.2.2, область полупроводника N-типа образует канал между зонами P-типа. Электроды, подключенные к концам канала N-типа, называются отток и источник. Полупроводники P-типа электрически соединены друг с другом (закорочены) и представляют собой один электрод -. ворота.

Коллектор излучателя

Транзистор (транзистор транзистор), полупроводниковый триод – Полупроводниковый электронный компонент, обычно с тремя выводами, который позволяет входному сигналу управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем, транзистор – это любое устройство, которое имитирует основное свойство транзистора – изменение сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.

  1. По основному полупроводниковому материалу
  2. Из кремния,
  3. C германий,
  4. Арсенид C,
  5. C галлий.
  6. По структуре n-p-n структура, “обратная проводимость”; p-n-p структура, “прямая проводимость”. С p-n-переходом; с изолированным затвором – транзистор MDP.
  7. Силой
  8. Транзисторы малой мощности до 100 мВт.
  9. Транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт.
  10. Транзисторы большой мощности (свыше 1 Вт).
  11. По дизайну
  12. Дискретные транзисторы.
  13. Экранированные транзисторы.
  14. Для свободного монтажа.
  15. Для монтажа охладителя.
  16. Для автоматизированных систем пайки.
  17. Бескаркасный.
  18. Транзисторы в интегральных схемах.
  19. В соответствии с материалом и дизайном корпуса
  20. Металл-стекло.
  21. Металлокерамика.
  22. Пластик.

1.3.1 Биполярный транзистор

Биполярный транзистор – Трехэлектродный полупроводниковый прибор, тип транзистора, имеющий 3 контакта (эмиттер, коллектор и база). Электроды соединены с тремя последовательными слоями полупроводника с переменным типом примесной проводимости. Этот тип чередования отличает n-p-n и p-n-p транзисторы.

В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, одновременно используются два типа зарядов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова “bi”, означающего “два”).

На рисунке 1.3.1.1 показана принципиальная схема и КСО биполярного транзистора n-p-n и p-n-p.

Рисунок 1.3.1.1 Принципиальная схема биполярного транзистора и КСО
n-p-n и p-n-p типов.

Основание – управляющий контакт;

Коллектор положительный потенциал (для n-p-n транзистора);

Излучатель – находится под отрицательным потенциалом (для n-p-n транзисторов).

Режимы работы биполярного транзистора

  1. Нормальный активный режим (рис. 1.3.1.2)

Интерфейс эмиттер-база направлен вперед (открыт), а интерфейс коллектор-база инвертирован (закрыт).

Рисунок 1.3.1.2 Нормальный активный режим

  1. Режим насыщения (рис. 1.3.1.3)

Оба p-n – смещены в прямом направлении (оба разомкнуты) Если эмиттер и коллектор p-n-Если переход подключен к внешнему источнику питания в прямом направлении, транзистор будет находиться в состоянии насыщения.

Рисунок 1.3.1.3 Режим насыщения

  1. Выключенный режим (рис. 1.3.1.4)

В этом режиме коллектор p-n – эмиттерный переход может быть смещен в обратном направлении, а эмиттерный переход может быть смещен в обратном или обратном направлении, вплоть до порога, при котором начинается эмиссия небазовых носителей в базовую область из эмиттера.

Рисунок 1.3.1.4 Выключенный режим

Схемы переключения биполярных транзисторов

Существует две основные особенности любой схемы включения транзисторов:

  • Коэффициент усиления тока Iза пределами/Iw.
  • Входное сопротивление Rw=Uw/Iw.

В большинстве электрических схем транзистор используется в качестве четырехполюсника – устройства с двумя входными и двумя выходными контактами. Конечно, поскольку транзистор имеет только три вывода, для использования его в качестве четырехполюсника один из выводов транзистора должен быть общим для входной и выходной цепей. Различают три схемы включения транзисторов общий базабаза (OBC), общий эмиттер (OE) и общий коллектор(OC).

На рисунке 1.3.1.5 (см. стр. 33) показаны полюса напряжения между электродами и направления тока, соответствующие активному режиму в этих схемах подключения транзисторов. Обратите внимание, что токи транзисторов обозначены одним индексом, соответствующим названию электрода, во внешней цепи которого течет ток, а напряжения между электродами обозначены двумя индексами, второй индекс соответствует названию общего электрода.

Рисунок 1.3.1.5 Принципиальные схемы биполярных транзисторов

В общей базовой системе (см. рис. 1.3.1.5, a) входная цепь является эмиттерной, а выходная – коллекторной. Цепь с общей базой легче всего поддается анализу, поскольку каждое из внешних напряжений прикладывается к определенному переходу: UEB подается на эмиттерный переход, а U UCB-прикладывается к коллекторному переходу. Обратите внимание, что падением напряжения в областях эмиттера, базы и коллектора можно пренебречь в первом приближении, поскольку сопротивления этих областей намного меньше сопротивлений спаев. Легко видеть, что полярность напряжений (UEB<0; UKB>0) гарантирует, что эмиттерный переход открыт, а коллекторный – закрыт, что соответствует активному режиму работы транзистора.

В схеме с общим эмиттером (см. рис. 1.3.1.5, b) входная цепь является базовой, а выходная – коллекторной. В цепи ОЕ напряжение UBE>0 подается непосредственно на эмиттерный переход и открывает его. Напряжение UKE распределяется между обоими узлами: UU KE=UU BE+UBE. Для того чтобы соединение коллектора было закрыто, необходимо UCB=UBEUBE>0, что обеспечивается, когда UBE>UBE>0.

Схема общего коллектора (См. рис. 1.3.1.5, c) входной цепью является базовая цепь, а выходной – эмиттерная цепь.

  • Коэффициент передачи тока.
  • Входное удельное сопротивление.
  • Выходная проводимость.
  • Обратный ток коллектор-эмиттер.
  • Время включения.
  • Коэффициент передачи основного тока, ограничивающий частоту.
  • Обратный ток коллектора.
  • Максимально допустимый ток. в цепи с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на внутренние (первичные) и вторичные. Внутренние параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы, к которой он подключен. Основными внутренними параметрами являются:

  • коэффициент усиления тока α;
  • Сопротивление эмиттера, коллектора и базы переменному току rэ, rк, rб, а именно:

rэ – это сумма сопротивлений эмиттера и эмиттерного перехода;

rк – это сумма сопротивления площади коллектора и сопротивления спая коллектора;

rб – поперечное сопротивление основания.

    ступени усиления (детектор) (логический элемент)

1.3.2 Полевой транзистор

Полевой транзистор – Полупроводниковый прибор, в котором ток управляется путем изменения проводимости проводящего пути с помощью поперечного электрического поля.

В отличие от биполярного транзистора, ток полевого транзистора обусловлен потоком базовых носителей.

Электроды полевого транзистора называются истоком (I), стоком (C) и

ворота (Z). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. Напряжение между затвором и источником определяет проводимость канала и, следовательно, величину тока.

Таким образом, полевой транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток. Если амплитуда управляющего сигнала достаточно велика, сопротивление канала может изменяться в очень больших пределах. В этом случае полевой транзистор можно использовать в качестве электронного переключателя.

Классификация полевых транзисторов показана на рисунке 1.3.2.1.

Рисунок 1.3.2.1 Классификация полевых транзисторов

Преимущества и недостатки полевых транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами.

Полевые транзисторы практически заменили биполярные транзисторы во многих приложениях. Наиболее часто они используются в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей)

Основные преимущества полевых транзисторов:

  • Из-за очень высокого входного сопротивления схема на полевом транзисторе потребляет очень мало энергии, поскольку практически не потребляет входной ток.
  • Коэффициент усиления по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных транзисторов.
  • Помехоустойчивость и эксплуатационная надежность значительно выше, поскольку из-за отсутствия тока затвора схема управления со стороны затвора изолирована от выходной цепи стока и истока.
  • Полевые транзисторы имеют на порядок более высокую скорость перехода между состояниями тока проводимости и непроводящего тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные транзисторы.

Основные недостатки полевых транзисторов:

Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при более низкой температуре (150 ○ C), чем структура биполярных транзисторов (200 ○ C).

Хотя полевые транзисторы потребляют гораздо меньше энергии, чем биполярные, ситуация резко меняется при работе на высоких частотах.

Наиболее важным недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку слой диэлектрической изоляции на затворе чрезвычайно тонок, иногда даже относительно низких напряжений достаточно для его разрушения. А статическое электричество, присутствующее практически в любой среде, может достигать нескольких тысяч вольт.

Конструкция JFET с N-каналом (п Полевой транзистор с PN-переходом).

Как показано на рисунке 1.3.2.2, область полупроводника N-типа образует канал между зонами P-типа. Электроды, подключенные к концам канала N-типа, называются слив и источник. Полупроводники P-типа электрически соединены друг с другом (закорочены) и образуют один электрод -. ворота.

Рис. 1.3.2.2 N-канальный полевой транзистор JFET

Вблизи стока и истока находятся области повышенного легирования N+, т.е. области с более высокой концентрацией электронов. Это улучшает проводимость канала. Кроме того, наличие N+ областей ослабляет эффект паразитных PN-переходов при включении проводников из трехвалентного алюминия.

Названия электродов стока и истока являются условными. Если мы возьмем один полевой транзистор, не подключенный ни к какой цепи, то не будет иметь значения, какая ножка корпуса является стоком, а какая – истоком. Название электрода будет зависеть от его расположения в цепи.

Работа JFET с N-каналом

  1. Напряжение на затворе U=0 (рис. 1.3.2.3).

Рисунок 1.3.2.3 Работа JFET с N каналом Uzi=0

Подключите источник положительного напряжения к стоку, а землю – к истоку. Подключите затвор также к земле (Uzi=0). Давайте постепенно увеличивать напряжение на проводе, U. До Usi низкая, ширина канала максимальная. В этом состоянии полевой транзистор ведет себя как обычный проводник. Чем выше напряжение между стоком и истоком Uтем больше ток, протекающий по каналу между стоком и истоком I. Это состояние также называется омическая область.

Как Usiв полупроводнике N-типа число свободных электронов в зонах PN-перехода постепенно уменьшается – появляется обедненный слой. Этот слой растет асимметрично – больше со стороны стока, поскольку туда подключен источник напряжения. В результате канал становится настолько узким, что при дальнейшем увеличении Usi, Isi поднимается очень незначительно. Это состояние называется режим насыщения.

  1. Напряжение на затворе Uzi<0 (рис. 1.3.2.4 см. стр. 38).

Когда транзистор находится в режиме насыщения, канал относительно узкий. Достаточно приложить небольшое отрицательное напряжение к затвору Uziдля дальнейшего сужения канала и значительного уменьшения тока I (в случае P-канального транзистора на затвор подается положительное напряжение). Если мы продолжим снижать Uсестрёнкаканал будет сужаться до полного закрытия, а ток I остановится. Uziна котором я остановки называется напряжением отсечки (Uos .).

Рисунок 1.3.2.4 Работа JFET с N каналом Uсестрёнка<0

JFET в насыщенном состоянии используется для усиления сигнала, поскольку в этом состоянии из-за небольших изменений U из-за небольших изменений в Uzi I. Параметром усиления JFET является наклон характеристики сток-затвор (взаимная транскондуктивность). Он обозначается через gm или S, и измеряется в мА/В (миллиампер/вольт), показан на рисунке 1.3.2.5.

Рисунок 1.3.2.5 Характеристики дроссельного затвора

Полевой транзистор MOSFET с изолированным затвором

Полевой транзистор с изолированным затвором – Полевой транзистор – это полевой транзистор, в котором затвор электрически изолирован от канала проводимости полупроводника диэлектрическим слоем. По этой причине транзистор имеет очень высокое входное сопротивление (у некоторых моделей входное сопротивление достигает 10 17 Ом).

Принцип работы полевого транзистора этого типа (рис. 1.3.2.6), как и полевого транзистора с PN-переходом, основан на воздействии внешнего электрического поля на проводимость прибора.

Рис. 1.3.2.6 Полевой транзистор

Полевой транзистор с изолированным затвором, в соответствии с его физической структурой, называется МОП-ТРАНЗИСТОР (Металл-оксид-полупроводник), или МОП-ТРАНЗИСТОР (Металл-диэлектрик-полупроводник). Международное название устройстваМОП-ТРАНЗИСТОР (Металл-оксид-полупроводник-полевой транзистор).

МОП-транзисторы делятся на два типа интегрированный канал и индуцированный канал. Каждый тип включает транзисторы с N-канальный и P канал . (Рисунок 1.3.2.7)

Рисунок 1.3.2.7 МОП-транзисторы

Разработка МОП-транзистора с индуцированным каналом.

На подложке (подложка) полупроводника с проводимостью P-типа (для N-канального транзистора), образуются две зоны повышенной N+ проводимости. Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO2. Через диэлектрический слой проходят металлические выводы из областей N+ типа, называемые слив и источник. Над диэлектриком находится слой металла ворота. Иногда также имеется провод от подложки, который замыкается на источник (Рисунок 1.3.2.8).

Рисунок 1.3.2.8 Структура индуцированного канального TFT N-типа

Работа МОП-транзистора с индуцированным каналом N-типа.

Подключите напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае ток не будет протекать, потому что между зонами N+ существует область P, которая не пропускает электроны (рис. 1.3.2.9).

Рисунок 1.3.2.9 Работа индуцированного канала TFT N-типа

Кроме того, если к затвору приложено положительное напряжение относительно источника Uziбудет создано электрическое поле. Это будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки. В результате концентрация дырок под затвором начнет уменьшаться, и они будут замещаться электронами, притягиваемыми положительным напряжением затвора.

Когда Uсестрёнка достигает своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком формируется тонкий канал N-типа проводимости, в котором протекает ток I. Чем выше напряжение на затворе UЧем шире канал, тем выше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

Принцип работы МФЭТ с каналом P-типа такой же, за исключением того, что к затвору должно быть приложено отрицательное напряжение относительно источника.

Разработка МОП-транзистора с интегрированным каналом.

Физическая конструкция интегрально-канального МОП-транзистора отличается от индуктивно-канального типа тем, что между стоком и истоком имеется проводящий канал.

Работа интегрального канального МОП-транзистора N-типа.

Подключите напряжение между стоком и истоком к транзистору U любой полярности. Оставьте ворота отключенными (Uzi=0). Это приводит к возникновению тока Isiчто является потоком электронов.

Затем мы прикладываем отрицательное напряжение к затвору относительно источника. В канале будет создано поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из области канала в сторону подложки. Количество электронов в канале уменьшится, его сопротивление увеличится, а ток Isi ток уменьшается. По мере увеличения отрицательного напряжения на затворе, ток. Это рабочее состояние транзистора называется режим истощения.

Если к затвору приложить положительное напряжение, то возникающее электрическое поле будет притягивать электроны из областей стока, истока и подложки. Канал расширится, его проводимость увеличится, и ток Isi увеличится. Транзистор перейдет в режим обогащения.

Задание для самостоятельной работы

По теме 1.3 Транзисторы

Выполните задание “Системный оператор”.

Система (объект) будет представлять собой “транзистор”.

Вы должны заполнить все ячейки таблицы, состоящей из 9 ячеек. Сам объект располагается в середине таблицы под номером 1. Постепенно, в соответствии с нумерацией (см. рис. 1), заполните все ячейки таблицы.

Система – это объект в центре стола.

Суперсистема – ближайшее окружение объекта, система, частью которой является объект.

Подсистема – структурная единица системы, части, из которых состоит сам объект.

Заполните таблицу и опубликуйте ее в чате.

Оцените работу своих коллег, используя смайлики.

Используются транзисторы с различной проводимостью:

Биполярные транзисторы: схемы, режимы, моделирование

Транзистор появился на свет в 1948 (1947) году благодаря работе трех инженеров: Шокли, Бредтейн и Бардин. В то время еще не ожидалось, что он будет так быстро развиваться и популяризироваться. В Советском Союзе прототип транзистора был представлен научному миру в 1949 году лабораторией Красилова; это был триод C1-C4 (германий). Термин “транзистор” появился позже, в 1950-х или 1960-х годах.

Однако они нашли широкое применение в конце 1960-х – начале 1970-х годов, когда в моду вошли портативные радиоприемники. Кстати, долгое время их называли “транзисторными”. Название прижилось, потому что они заменили электронные лампы полупроводниковыми элементами, вызвав революцию в радиотехнике.

Биполярные транзисторы: схемы, режимы, моделирование.

Что такое полупроводник?

Транзисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как кремний, германий, который раньше был популярен, но сейчас встречается редко из-за своей высокой стоимости и низких характеристик, когда дело касается температуры и других вещей.

Полупроводники – это материалы, которые по проводимости занимают место между проводниками и диэлектриками. Их сопротивление в миллион раз больше, чем у проводников, и в сто миллионов раз больше, чем у диэлектриков. Кроме того, чтобы через них протекал ток, необходимо приложить напряжение, превышающее ширину запрещенной зоны, чтобы носители заряда перешли из валентной зоны в зону проводимости.

У проводников нет запретной зоны как таковой. Носитель заряда (электрон) может перейти в зону проводимости не только под действием внешнего напряжения, но и от тепла – это так называемый тепловой ток. Ток, вызванный облучением полупроводника светом, называется фототоком. На этом принципе работают фоторезисторы, фотодиоды и другие светочувствительные элементы.

Что такое полупроводник?

Для сравнения рассмотрим их в диэлектриках и проводниках:

Диэлектрики и проводники

Это довольно очевидно. Из диаграмм видно, что диэлектрики все еще могут проводить ток, но это происходит при пересечении полосовой щели. На практике это называется напряжением пробоя диэлектрика.

Итак, разница между германиевыми и кремниевыми структурами заключается в том, что германий имеет ширину полосовой щели около 0,3 эВ (электронвольт), а кремний – более 0,6 эВ. С одной стороны, это приводит к увеличению потерь, но использование кремния обусловлено технологическими и экономическими факторами.

Полупроводник, в результате легирования, получает дополнительные носители заряда положительные (дырки) или отрицательные (электроны), это называется полупроводником p-типа или n-типа. Возможно, вы слышали выражение “pn-переход”. Таким образом, это граница между различными типами полупроводников. Смещение зарядов, образование ионизированных частиц любого типа примесей к основному полупроводнику создает потенциальный барьер, препятствующий протеканию тока в обоих направлениях, подробнее в книге “Транзистор – это просто”.

Введение дополнительных носителей заряда (легирование полупроводников) позволило создать полупроводниковые приборы: диоды, транзисторы, тиристоры и др. Самый простой пример – диод, о котором мы говорили в предыдущей статье.

Если напряжение приложено в прямом смещении, т.е. положительное смещение к области p и отрицательное смещение к области n, ток начнет течь, но если наоборот, ток не потечет. Идея заключается в том, что при прямом смещении основные носители заряда в области p (дырки) имеют положительный заряд и отталкиваются от положительного потенциала питания, направляясь в область с более отрицательным потенциалом.

В свою очередь, отрицательные носители в области n отталкиваются отрицательным полюсом питания. Оба носителя будут двигаться к границе раздела (pn-переходу). Переход становится более узким, и носители пересекают потенциальный барьер, перемещаясь в области с противоположным зарядом, где они рекомбинируют с ними…

При подаче обратного напряжения положительные носители из области p движутся к отрицательному электроду питания, а электроны из области n движутся к положительному электроду. Переход расширяется, и ток не течет.

Не вдаваясь в подробности, этого достаточно для понимания процессов, происходящих в полупроводнике.

Биполярные транзисторы в электронных схемах

Символ транзистора

В радиочастотах мы используем символ транзистора, как показано ниже. Коллектор не имеет стрелки, эмиттер имеет стрелку, а база перпендикулярна линии между эмиттером и коллектором. Стрелка на эмиттере указывает направление протекания тока (от плюса к минусу). В случае структуры NPN стрелка эмиттера направлена в сторону от базы, а в случае структуры PNP стрелка эмиттера направлена в сторону базы.

Символ транзистора

Однако такая же маркировка часто встречается в схемах, но без круга. Стандартное буквенное обозначение – “VT”, а порядковый номер на схеме иногда записывается просто как “T”.

Представление транзистора в круговой диаграмме

Изображение транзистора без круга

Что такое транзистор?

Транзистор – это активный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления сигнала и генерации колебаний. Он заменил вакуумные лампы, которые называются триодами. Транзисторы обычно имеют три ножки – коллектор, эмиттер и базу. База является управляющим электродом, и, подавая на нее ток, мы управляем током коллектора. Таким образом, при небольшом базовом токе мы управляем большими токами в цепи питания, и поэтому сигнал усиливается.

Биполярные транзисторы бывают с прямой (PNP) и обратной (NPN) проводимостью. Их структура показана ниже. Характерно, что основание занимает меньший объем полупроводникового чипа.

Расположение транзисторов

Характеристики

Основные характеристики биполярных транзисторов:

Ic – максимальный ток коллектора (больше нельзя – сгорит);

Ucemax – максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и эмиттером (более высокое напряжение недопустимо – оно вызовет обрыв);

Ucesat – напряжение насыщения транзистора. Падение напряжения в режиме насыщения (чем оно меньше, тем меньше потери в открытом состоянии и меньше нагрев);

Β или H21E – это коэффициент усиления транзистора, который равен Ik/Ib. Это зависит от модели транзистора. Например, при коэффициенте усиления k, равном 100, при токе через базу, равном 1 мА, через коллектор будет протекать ток 100 мА и т.д.

Стоит упомянуть о токах транзисторов, их три:

2. коллекторный ток.

3. ток эмиттера – содержит ток базы и ток эмиттера.

Ток эмиттера чаще всего опускают, поскольку по величине он почти неотличим от тока коллектора. Разница лишь в том, что ток коллектора меньше тока эмиттера на величину тока базы, а поскольку транзисторы имеют большой коэффициент усиления (скажем, 100), то при токе 1 А через эмиттер, 10 мА будет протекать через базу и 990 мА через коллектор. Возможно, вы согласитесь, что это достаточно небольшая разница, чтобы не стоило тратить на нее время при изучении электроники. Именно поэтому Icmax указан в спецификации.

Режимы работы

Транзистор может работать в различных режимах:

1. режим насыщения. Проще говоря, это режим, в котором транзистор находится в максимально открытом состоянии (оба перехода смещены в прямом направлении).

2. режим отсечки – это когда ток не течет, а транзистор закрыт (обе контактные площадки смещены в противоположном направлении).

3. Активный режим (коллектор-база смещены в обратном направлении, а эмиттер-база смещены в прямом направлении).

4. обратный активный режим (коллектор-база смещены в прямом направлении, а эмиттер-база смещены в обратном направлении), но он используется редко.

Типичные схемы включения транзисторов

Существуют три типичные схемы включения транзисторов:

1. общий эмиттер. 2. общий эмиттер.

3. общий коллектор.

Типовые электрические схемы транзисторов

Входная цепь – эмиттер-база, выходная цепь – коллектор-эмиттер. Однако входной ток, соответственно, является током базы, а выходной ток – током коллектора.

В зависимости от схемы, мы усиливаем ток или напряжение. В учебниках обычно рассматриваются такие типы принципиальных схем, но на практике они не так очевидны.

Стоит отметить, что в цепи с общим коллектором мы усиливаем ток и получаем синфазное напряжение на входе и выходе (одинаковое с входом по полярности), тогда как в цепи с общим эмиттером мы получаем усиление напряжения и инверсное напряжение (выход инвертирован относительно входа). В конце статьи мы смоделируем такие схемы и увидим это наглядно.

Моделирование транзисторного переключателя

Первая модель, которую мы рассмотрим, – это транзистор в ключевом режиме. Для этого нам нужно построить схему, подобную той, что показана на рисунке ниже. Предположим, что мы подключим нагрузку 0,1А, ее роль будет играть резистор R3, помещенный в коллекторную цепь.

Моделирование транзисторного переключателя

Благодаря некоторым экспериментам я обнаружил, что h21E выбранной модели транзистора составляет около 20, более того, в техническом описании MJE13007 говорится о диапазоне от 8 до 40.

Лист данных для MJE13007

Ток базы должен составлять около 5 мА. Делитель рассчитывается таким образом, чтобы ток базы оказывал минимальное влияние на ток делителя. Чтобы заданное напряжение не протекало при включении транзистора. Поэтому мы установим ток делителя на 100 мА.

Rбращ=(12в – 0,6в)/0,005= 2280 Ом

Это расчетное значение, а результирующие токи следующие:

Схема во время моделирования

При токе базы 5 мА, ток в нагрузке составлял около 100 мА, мы имеем падение напряжения на транзисторе 0,27 В. Расчет произведен правильно.

Что у нас есть?

Мы можем управлять нагрузкой с током, в 20 раз превышающим ток управления. Чтобы получить еще больший выигрыш, мы можем продублировать каскад, уменьшив ток управления. Или используйте другой транзистор.

Ток коллектора у нас был ограничен сопротивлением нагрузки, для эксперимента я решил сделать сопротивление нагрузки 0 Ом, тогда ток через транзистор задается током базы и коэффициентом усиления. В результате, как вы можете видеть, токи практически одинаковы.

Схема во время моделирования

Чтобы проследить влияние типа транзистора и его коэффициента усиления на токи, заменим его без изменения параметров схемы.

Изменение параметров схемы

После замены транзистора с MJE13007 на MJE18006 схема по-прежнему работает, но на транзисторе уже падает 0,14 В, что означает, что при том же токе транзистор будет нагреваться меньше, так как тепло будет рассеиваться

И в предыдущем случае:

Разница почти в два раза, если при токе в десятые доли ватта это не так существенно, то представьте, что произойдет при токах в десятки ампер, тогда потеря мощности увеличится в 100 раз. Это приводит к перегреву и повреждению ключей.

Тепло, выделяемое при перегреве, распространяется по корпусу устройства и может вызвать помехи в работе соседних компонентов. По этой причине все силовые компоненты устанавливаются на теплоотводы, а иногда используются активные системы охлаждения (радиатор, жидкостное охлаждение и т.д.).

Кроме того, при повышении температуры увеличивается проводимость полупроводника, а вместе с ней и ток, протекающий через него, что снова вызывает повышение температуры. Процесс лавирования тока и температуры в конечном итоге приведет к гибели выключателя.

Вывод таков: чем меньше падение напряжения на транзисторе, когда он открыт, тем меньше он нагревается и тем выше эффективность схемы.

Падение напряжения на ключе меньше, потому что у нас более мощный переключатель с большим коэффициентом усиления, и чтобы обеспечить это, нам нужно удалить нагрузку из схемы. Для этого я снова установил R3=0 Ом. Коллекторный ток составил 219 мА, на MJE13003 в той же схеме он был около 130 мА, это означает, что H21E в этой модели транзистора в два раза больше.

Изменение параметров схемы

Стоит отметить, что коэффициент усиления одной модели может отличаться в десятки и сотни раз, в зависимости от конкретного случая. Это требует подстройки и настройки аналоговой схемы. В этой программе в моделях транзисторов используются фиксированные коэффициенты, логика их выбора мне знакома. В техническом паспорте MJE18006 максимальный коэффициент H21E составляет 36.

Моделирование усилителя переменного тока

Приведенная выше модель показывает поведение выключателя при подаче на него сигнала переменного тока и простую схему его включения. Он напоминает схему музыкального усилителя мощности.

Обычно в нем используется несколько таких каскадов, соединенных последовательно. Количество каскадов и их цепей питания зависит от класса, в котором работает усилитель (A, B и т.д.). Я смоделирую простой усилитель класса А, работающий в линейном режиме, и построю осциллограммы входного и выходного напряжений.

Моделирование усилителя переменного тока

Резистор R1 устанавливает рабочую точку транзистора. В учебниках говорится, что нужно найти такую точку на прямом участке I-V кривой транзистора. Если напряжение смещения слишком мало, вы получите искаженный сигнал нижней половины формы волны.

Конденсаторы необходимы для отделения компонента переменного тока от компонента постоянного тока. Резисторы R2 используются для установки режима работы ключа и для установки рабочих токов. Давайте посмотрим на осциллограммы. Подаем сигнал с амплитудой 10 мВ и частотой 10000 Гц. Амплитуда выходного сигнала составляет почти 2 В.

Форма выходного сигнала выделена пурпурным цветом, а входного – красным.

Осциллограмма

Обратите внимание, что сигнал инвертирован, т.е. выходной сигнал инвертирован по отношению к входному. Это особенность схемы с общим эмиттером. Согласно схеме, сигнал снимается с коллектора. Поэтому, когда транзистор открыт (при увеличении входного сигнала), напряжение на транзисторе будет уменьшаться. Когда входной сигнал уменьшится, транзистор начнет закрываться, а напряжение начнет увеличиваться.

Эта схема считается лучшей с точки зрения качества передачи сигнала, но ценой этого является потеря мощности. Дело в том, что в состоянии, когда на вход не подается сигнал, транзистор всегда открыт и проводит ток. Затем происходит выделение тепла:

UKE – это падение на транзисторе при отсутствии входного сигнала.

Это простейшая схема усилителя, и все остальные схемы работают аналогично, они отличаются только соединением элементов и их комбинацией. Например, транзисторный усилитель класса B состоит из двух транзисторов, каждый из которых работает на отдельную полуволну.

Здесь используются транзисторы с различной проводимостью:

Положительная часть переменного входного сигнала открывает верхний транзистор, а отрицательная часть открывает нижний транзистор.

Это обеспечивает большую эффективность, поскольку транзисторы открываются и закрываются полностью. Благодаря тому, что в отсутствие сигнала оба транзистора закорочены, схема не потребляет ток, поэтому потерь нет.

Заключение

Понимание того, как работают транзисторы, очень важно, если вы хотите заниматься электроникой. В этой области важно не только научиться собирать схемы, но и анализировать их. Чтобы систематически изучать и понимать устройства, необходимо понять, где и как протекают токи. Это поможет как при сборке, так и при настройке и ремонте схем.

Стоит отметить, что я намеренно опустил многие нюансы и факторы, чтобы не перегружать статью. Однако все же стоит выбрать резисторы после расчетов. При моделировании это легко сделать. На практике следует измерять токи и напряжения с помощью мультиметра и, желательно, осциллографа, чтобы убедиться, что формы входных и выходных сигналов совпадают, иначе возникнут искажения.

По окончании курса в вашем портфолио будут представлены: игровые часы, распределенная сеть устройств, устройство контроля температуры (PID), устройство контроля влажности, интеллектуальная система полива растений, устройство контроля утечки воды.

Вы получите диплом о переподготовке и электронный сертификат, который вы сможете добавить в свое портфолио и показать работодателю.

Читайте далее:
Сохранить статью?