Основные параметры биполярного транзистора: 8 Основные параметры биполярных транзисторов

8 Основные параметры биполярных транзисторов

Параметры и обозначения параметров биполярных транзисторов устанавливаются ГОСТ 20003-74. Все параметры биполярных транзисторов можно разбить на четыре группы.

1. Параметры постоянного тока. Они характеризуют неуправляемые токи транзистора, связанные с обратными токами переходов. К ним относятся:

   0. Обратный ток коллектора (I_КБ0) – ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор-база и разомкнутом выводе эмиттера.

   1. Обратный ток эмиттера (I_ЭБ0) – ток через эмиттерный переход при заданном обратном напряжении эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора.

   2. Обратный ток коллектор-эмиттер

      (I_КЭ0) – ток в цепи коллектор-эмиттер при заданном обратном напряжении коллектор-эмиттер и разомкнутом выводе базы.

Обратные токи коллектора и эмиттера зависят от температуры переходов и могут быть определены по приблизительным эмпирическим формулам:

(5.34)

где и — обратные токи коллектора и эмиттера при температуре 25⁰С;

k – коэффициент, равный 0,06…0,09 1/⁰С для германия и 0,08…0,12 1/⁰С для кремния;

Т_П – температура перехода, ⁰С.

2. Малосигнальные параметры. Они характеризуют работу транзистора при воздействии малого сигнала и подробно рассмотрены в разделе 5.

Обычно в справочниках приводятся значения h-параметров для схемы включения с общей базой или общим эмиттером. Для пересчета используют выражение:

(5.35)

Малосигнальные параметры транзистора зависят от схемы его включения, режима работы, температуры и частоты. Так, параметр h_21Е прямо пропорционален, а параметр h_11Б обратно пропорционален току коллектора.

3. Высокочастотные параметры. Они характеризуют работу транзисторов на высоких частотах. К ним относятся:

   0. Граничная частота по определенному параметру (f_ГР) – это частота, выше которой транзистор не может быть использован как усилительный элемент. Граничная частота коэффициента передачи тока при включении с общим эмиттером – это частота, при которой модуль коэффициента передачи тока при включении с общим эмиттером равен единицы.

   1. Предельная частота по определенному параметру – это частота, при которой этот параметр уменьшится на 3 дБ по сравнению с первоначальным (низкочастотным) значением. Предельная частота передачи тока при включении с общей базой – это частота, при которой модуль коэффициента передачи тока меньше на 3 дБ по сравнению со значением на низкой частоте. Предельная частота по крутизне характеристики – это частота, при которой модуль крутизны передаточной характеристики при включении с общим эмиттером меньше на 3 дБ по сравнению с его значением на низкой частоте.

   2. Максимальная частота генерации (f_мах) – это наибольшая частота, при которой транзистор способен генерировать в автогенераторе.

   3. Емкость коллекторного перехода (С_К) – это емкость между выводами базы и коллектора при заданных обратных напряжениях эмиттер-база и режиме с общим эмиттером. Емкость коллекторного перехода является функцией напряжения коллектор-эмиттер:

(5.36)

где С_Ксправ – емкость коллекторного перехода, приведенная в справочнике для определенного напряжения коллектор-эмиттер U

0. Сопротивление базы (r_Б) – это сопротивление между выводом базы и переходом база-эмиттер.

1. Постоянная времени обратной связи на высокой частоте (τ_К) – это произведение сопротивления базы на емкость коллекторного перехода.

2. Коэффициент шума (К_Ш) – это отношение мощности шумов на выходе транзистора к той ее части, которая обусловлена тепловыми шумами сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума указывается только для малошумящих транзисторов.

1. Максимально допустимые параметры. Эти параметры ограничивают область допустимых режимов работы транзистора. Превышение максимально допустимых параметров резко снижает надежность работы транзистора. Основными максимально допустимыми параметрами являются:

   0. Постоянное (импульсное) напряжение коллектор-эмиттер.

   1. Постоянное (импульсное) напряжение коллектор-база.

   2. Постоянный (импульсный) ток коллектора.

   3. Постоянная (импульсная) рассеиваемая мощность.

   4. Температура перехода.

   5. Диапазон температур окружающей среды.

   6. Общее тепловое сопротивление корпуса транзистора (переход — окружающая среда). Оно определяется из:

, (5.37)

где Т_П и Т_СР – температура перехода и окружающей среды соответственно;

Р_П –мощность рассеиваемая на переходе.

h-параметры и особенности включений биполярного транзистора

В этой методике транзистор рассматривают как «чёрный ящик», не обращая внимания на его внутреннюю структуру, с двумя входными и двумя выходными зажимами, то есть как четырёхполюсник. Транзистор способен усиливать по мощности подводимые к нему сигналы, поэтому он относится к группе активных четырёхполюсников, для эквивалентных схем которых характерно наличие генераторов тока или напряжения.

Ниже,на рисунке 1, изображены теоретически рассматриваемые варианты включений биполярного транзистора.

На приведенных выше схемах включений изображено по четыре клеммы (две входных и две выходных), то есть можно сказать что каждая из них представляет собой четырёхполюсник.

При работе на малых сигналах транзистор рассматривают как линейный активный четырёхполюсник который может быть охарактеризован при помощи z, y или h – параметров. Малым сигналом считают, если при увеличении его амплитуды на 50% измеряемый параметр (z,y или h) изменяется на малую величину согласно заданной степени точности. Обычно это изменение не должно превышать 10%. Между

Эквивалентная схема биполярного транзистора с применением h-параметров приведена ниже, на рисунке 2.

Принимая для этой схемы, что независимыми переменными являются входной ток I_m1  и выходное напряжение U_m2

_где:

                                h₁₁ = U_m1/I_m1, при U_m2 = 0, входное сопротивление;

                            h₁₂ = U_m1/U_m2, при I_m1 = 0, коэффициент обратной связи по напряжению;

                            h₂₁ = I_m2/I_m1, при U_m2 = 0, коэффициент передачи тока;

                            h₂₂ = I_m2/U_m2, при I_m1 = 0, выходная проводимость.

Входное сопротивление, h₁₁ — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

Коэффициент обратной связи по напряжению, h₁₂ – безразмерная величина, показывающая какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока (холостой ход), и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току), h₂₁ — безразмерная величина, показывающая усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

Выходная проводимость, h₂₂ — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

При обозначении h – параметров, внизу, в зависимости от схемы включения, к цифровым индексам добавляется буква. Для схемы с общим эмиттером это h_11Э, h_12Э,h_21Э,h_22Э ; для схемы с общим коллектором — h_11К, h_12К,h_21К,h_22К  ; для схемы с общей базой это h_11б, h_12б,h_21б,h_22б .

Особенности при различных схемах включения

Разработчики успешно создают радиоэлектронные схемы, используя в своих сложных расчётах и опытах различные комбинации из схем включения транзистора.

На рисунке 3, приведенном ниже, показаны применяемые на практике основные схемы включений.

С общим эмиттером (ОЭ)

Это наиболее распостранённая схема включения, которая даёт высокое усиление как по напряжению, так и по току, а следовательно и по мощности, благодаря чему она имеет преимущества перед схемами с ОК и ОБ. Схема имеет невысокое (порядка сотен Ом) входное сопротивление, но это всё же позволяет применять в ней переходные конденсаторы относительно небольшой ёмкости. Выходное сопротивление высокое, и достигает порядка десятков кОм, что можно отнести к недостаткам. Схема с ОЭ изменяет фазу сигнала на выходе по сравнению с фазой сигнала на входе на 180 градусов. Для её работы достаточно иметь всего лишь один источник питания. Применяется в усилителях низкой частоты, различных устройствах автоматики и т.п..

С общим коллектором (ОК)

Схему с общим коллектором часто называют “эмиттерным повторителем”. Она имеет высокое входное (порядка >200кОм) и низкое выходное (порядка <10кОм) сопротивления. Эта схема не даёт усиления по напряжению. Схему с общим коллектором используют во входных каскадах усилителей для согласования двух каскадов усилителя, из которых предыдущий имеет высокое выходное, а последующий, обычно выходной каскад, — малое входное сопротивление.  Схема с ОК не изменяет фазы входного сигнала. Выходное напряжение на выходе схемы с ОК (рисунок 3, общий коллектор), практически повторяет напряжение на базе транзистора, с учётом величины незначительного падения напряжения на переходе эмиттер-база, отсюда и название “эмиттерный повторитель”. Благодаря высокому усилению по току, схему с ОК применяют также и для управления токами различных устройств, например соленоидов.

С общей базой (ОБ)

Схема с ОБ имеет малое входное (порядка <100 Ом) и большое выходное (порядка до 1 Мом) сопротивления. В связи с большой разницей входного и выходного сопротивлений последовательное соединений целесообразно только при трансформаторной связи между каскадами., Усиление по току отсутствует, а усиление по мощности несколько ниже чем в схеме с ОЭ. Выходное напряжение по фазе повторяет входной сигнал. Преимуществом схемы является большая линейность характеристик и большая предельная частота усиления. Поэтому схему с ОБ наиболее часто применяют для усиления высоких частот особенно в антенных усилителях, где её параметры очень хорошо согласуются при работе с использованием так называемых «коаксиальных» несимметричных высокочастотных кабелей, волновое сопротивление которых, как правило, не превышает 100 ом.

Следует отметить, что для биполярных транзисторов характерны следующие режимы работы:

— нормальный активный режим;

— инверсный активный режим;

— режим насыщения;

— режим отсечки;

— барьерный режим.

Но, это уже отдельная и весьма ёмкая тема.

Режимы работы биполярного транзистора | Основы электроакустики

Биполярный транзистор – полупроводниковый элемент с двумя p-n переходами и тремя выводами, который служит для усиления или переключения сигналов. Они бывают p-n-p и n-p-n типа. На рис.7.1, а и б показаны их условные обозначения.

 Рис.7.1. Биполярные  транзисторы  и  их  диодные  эквивалентные   схемы:  а) p-n-p, б) n-p-n транзистор

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим p- или n- слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой Б. Два других электрода называются эмиттером Э и коллектором К. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер – база смещен в прямом направлении (открыт), а переход база – коллектор – в обратном (заперт). Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рис.7.2.

Рис.7.2. Полярность включения: а) n-p-n, б) p-n-p транзистора 

Транзисторы n-p-n типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов p-n-p типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

1.  Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.

2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис.7.1). Обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении, т.е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него. Из этого правила следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6 – 0,8 В (прямое напряжение диода), при этом возникает очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжение на базе и эмиттере связаны следующим соотношением: UБ ≈ UЭ+0,6В; (UБ = UЭ + UБЭ).   

3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями IК, IБ, UКЭ. В случае превышения этих параметров необходимо использовать еще один транзистор. Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности РК, температуры, UБЭ и др.

4. Если правила 1-3 соблюдены, то ток коллектора прямо пропорционален току базы. Соотношение токов коллектора и эмиттера приблизительно равно 

IК = αIЭ,    где α=0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера. Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа (и как видно из рис. 7.2, а) представляет собой базовый ток IБ = IЭ – IК.    Ток коллектора зависит от тока базы в соответствии с выражением: IК = βIБ,   где β=α/(1-α) – коэффициент передачи тока базы, β >>1.

Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Режимы работы транзистора. Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора.

Усилительный или активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Именно этот режим работы транзистора соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. Ток коллектора пропорционален току базы, обеспечиваются минимальные искажения усиливаемого сигнала.

Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Инверсный режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока базы транзистора по сравнению с работой транзистора в активном режиме и поэтому на практике используется только в ключевых схемах.

Режим насыщения – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

Основным режимом работы биполярных транзисторов в аналоговых устройствах является активный режим. В цифровых схемах транзистор работает в ключевом режиме, т.е. он находится только в режиме отсечки или насыщения, минуя активный режим.

Устройство и работа биполярного транзистора

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

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

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

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

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

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

Устройство биполярного транзистора

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

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

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

Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора

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

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

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

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE — 0. 6V).

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

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

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

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

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

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

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

β = IC / IB

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

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

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

1.Описание основных элементов цепи

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

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

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

2. Расчет входного тока базы Ib

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

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

Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0. 6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V.

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

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора IС

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

3. Расчет выходного напряжения Vout

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

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

4. Анализ результатов

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

Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0. 1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились.

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

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

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

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

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

Режимы работы биполярного транзистора

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

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

Режим отсечки

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

Активный режим

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

Режим насыщения

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

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

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

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

Инверсный режим

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

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

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

Основные параметры биполярного транзистора

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Биполярные транзисторы. For dummies

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

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

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

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

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

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

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

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

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

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

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Также параметрами биполярного транзистора являются:

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

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

Режимы работы биполярного транзистора

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Схемы включения биполярных транзисторов

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

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

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

Схема включения с общим эмиттером

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

Схема включения с общей базой

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

Схема включения с общим коллектором

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

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

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

Два слова о каскадах

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

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

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

Другие области применения биполярных транзисторов

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

Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала.

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

Маркировка

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

Список источников:

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

Полезные комментарии:

Принцип работы биполярного транзистора

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

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

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

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

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

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

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

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

Принцип работы транзистора

Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3.33 (9 Голоса)

Биполярный транзистор: принцип работы

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

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

 Транзистор — это радиоэлектронный компонент, обладающий тремя выводами

Конструкционная особенность биполярного транзистора

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

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

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

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

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

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

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

Биполярный транзистор  принцип работы

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

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

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

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

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

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

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

Устройство и основные физические процессы биполярных транзисторов

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

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

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

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

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

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

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

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

Количественное своеобразие структуры транзистора

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

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

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

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

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

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

Основные физические процессы в транзисторе

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

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

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

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

Как работает транзистор: принцип и устройство

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

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

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

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

Транзисторы

Устройство транзисторов

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

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

Типы проводимости:

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

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

Принцип работы транзистора

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

Простое изложение принципа работы биполярного транзистора:

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

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

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

Как работает транзистор — видео

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

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

Параметры и корпуса биполярных транзисторов

Добавлено 16 февраля 2018 в 07:56

Сохранить или поделиться

Как и все электрические и электронные компоненты, транзисторы имеют ограничения по напряжению и току, при которых они могут работать без повреждений. Поскольку транзисторы более сложны, чем некоторые другие компоненты, они, как правило, имеют больше видов параметров. Ниже приведено подробное описание некоторых типовых параметров транзисторов.

Рассеиваемая мощность: когда транзистор проводит ток между коллектором и эмиттером, между этими двумя выводами на нем также падает и напряжение. В любой момент времени мощность, рассеиваемая транзистором, равна произведению тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер. Как и резисторы, транзисторы рассчитаны на то, сколько ватт каждый из них может рассеивать спокойно, не получая при этом повреждений. Высокая температура – смертельный враг всех полупроводниковых приборов, а биполярные транзисторы, как правило, более подвержены термическому повреждению, чем большинство из них. Значения мощности всегда связаны с температурой окружающей среды. Когда транзисторы должны использоваться в более жарких условиях (>25°C), значения рассеиваемой ими мощности должны быть уменьшены, чтобы избежать сокращения срока службы.

Обратные напряжения: как и диоды, биполярные транзисторы рассчитаны на максимально допустимые напряжения обратного смещения на их PN переходах. Эти параметры включают в себя значения напряжений для перехода эмиттер-база V_ЭБ, для перехода коллектор-база V_КБ, а также напряжение между коллектором и эмиттером V_КЭ.

V_ЭБ, максимальное обратное напряжение между эмиттером и базой, для некоторых слаботочных транзисторов составляет примерно 7 В. Некоторые разработчики схем используют дискретные биполярные транзисторы в качестве стабилизировано на 7 В последовательно с токоограничивающим резистором. Транзисторные входы аналоговых интегральных микросхем также имеют параметр V_ЭБ, если превышение которого приведет к повреждению, если использование стабилитронов на входах недопустимо.

Параметр максимального напряжения коллектор-эмиттер V_КЭ может считаться максимальным напряжением, которое транзистор может выдержать в режиме полной отсечки (ток базы равен нулю). Этот параметр имеет особое значение при использовании биполярного транзистора в качестве ключа. Типовое значение для слаботочного транзистора составляет от 60 до 80 В. Для силовых транзисторов этот параметр может составлять до 1000 В, например, у транзистора горизонтального отклонения в дисплее на электронно-лучевой трубке.

Ток коллектора: Максимальное значение тока коллектора I_К, указываемое производителем в амперах. Типовые значения для слаботочных транзисторов составляют от 10 до 100 мА, для силовых транзисторов – десятки ампер. Имейте в виду, что это максимальное число предполагает состояние насыщения (минимальное падение напряжения между коллектором и эмиттером). Если транзистор не находится в режиме насыщения, и между коллектором и эмиттером падает существенное напряжение, то значение максимальной рассеиваемой мощности будет превышено до достижения максимального значения тока коллектора. Это просто нужно иметь в виду при разработке транзисторных схем!

Напряжения насыщения: В идеале транзистор в режиме насыщения действует как замкнутый ключ с контактами на коллекторе и эмиттере, при этом падение напряжения между коллектором и эмиттером равно нулю при максимальном токе коллектора. В реальности этого никогда не бывает. Производители указывают максимальное падение напряжения на транзисторе в режиме насыщения и между коллектором и эмиттером, и между базой и эмиттером (прямое падение напряжения на этом PN переходе). Напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения, как правило, составляет 0,3 вольта или менее, но это значение, конечно, зависит от конкретного типа транзисторов. Низковольтные транзисторы (с низким V_КЭ) показывают более низкие напряжения насыщения. Напряжение насыщения также снижается при увеличении тока базы.

Прямое падение напряжения база-эмиттер, V_БЭ, совпадает с аналогичным параметром у диода, ≅ 0,7 В, что не должно удивлять.

Коэффициент бета: Отношение тока коллектора к току базы, β является основным параметром, характеризующим усилительную способность биполярного транзистора. При расчетах схем β обычно постоянной величиной, но, к сожалению, на практике это далеко не так. Таким образом, производители предоставляют набор показателей β (или «h_fe«) для определенного транзистора в широком диапазоне рабочих условий, обычно в виде максимальных/минимальных/типовых значений. Вы можете удивиться, увидев, насколько большие отклонения β можно ожидать при нормальных рабочих условия. В спецификации на один популярный слаботочный транзистор, 2N3903, указывается, что коэффициент β может быть в диапазоне от 15 до 150 в зависимости от величины тока коллектора. Как правило, β будет самым высоким при средних токах коллектора и уменьшается для очень низких и очень высоких токах коллектора. h_fe – это усиление по переменному току малых сигналов; h_FE – это усиление по переменному току больших сигналов или усиление по постоянному току.

Коэффициент альфа: Отношение тока коллектора к току эмиттера, α=I_К/I_Э. α может быть получен из β, так как α=β/(β+1).

Биполярные транзисторы поставляются в самых разных физических корпусах. Тип корпуса в первую очередь зависит от требуемой рассеиваемой мощности транзистора, так же как и для резисторов: чем больше максимальная рассеиваемая мощность, тем устройство должно быть больше по размеру, чтобы оставаться холодным. На рисунке ниже показано несколько стандартных типов корпусов для трехвыводных полупроводниковых устройств, любой из которых может использоваться для размещения биполярного транзистора. Существует много других полупроводниковых устройств, отличных от биполярных транзисторов, которые тоже имеют три вывода. Следует отметить, что выводы пластиковых транзисторов могут различаться при одном типе корпуса, например, TO-92 на рисунке ниже. Без определения маркировки устройства или проведения электрических тестов невозможно определить назначения выводов у трехвыводного полупроводникового устройства.

Небольшие пластиковые транзисторные корпуса, такие как TO-92, могут рассеивать единицы сотен милливатт. Металлические корпуса, TO-18 и TO-39, могут рассеивать больше мощности, несколько сотен милливатт. Пластиковые корпуса мощных транзисторов, такие как TO-220 и TO-247, рассеивают более 100 ватт, приближаясь к рассеиванию полностью металлического TO-3. Параметры рассеивания, приведенные на рисунке выше, являются максимальными, когда-либо виденными автором у высокомощных устройств. Большинство силовых транзисторов рассчитано на половину или меньше указанной мощности. Для оценки фактических значений смотрите технические описания на конкретные устройства. Полупроводниковый кристалл в пластиковых корпусах TO-220 и TO-247 установлен на теплопроводной металлической пластине, которая переносит тепло от задней части корпуса к металлическому радиатору (не показан). Перед установкой транзистора на радиатор на металл наносится тонкий слой теплопроводящей пасты. Поскольку металлические пластины в корпусах TO-220 и TO-247 и корпус TO-3 соединены с коллектором, иногда необходимо электрически изолировать их от заземленного радиатора с помощью вставки из слюды или полимерной шайбы. Параметры в технических описаниях для мощных корпусов действительны только при установке на радиатор. Без радиатора TO-220 в свободном пространстве безопасно рассеивает примерно 1 ватт.

Максимальные значения рассеиваемой мощности из технических описаний на практике достичь трудно. Значение максимальной рассеиваемой мощности основано том, что радиатор поддерживает температуру корпуса транзистора не более, чем 25°C. Но при воздушном охлаждении радиатора это сложно. Допустимая рассеиваемая мощность уменьшается при повышении температуры. Многие технические описания предоставляют графики зависимости рассеиваемой мощности от температуры.

Подведем итоги

• Рассеиваемая мощность: максимально допустимая рассеиваемая мощность на постоянной основе.
• Обратные напряжения: максимально допустимые V_КЭ, V_КБ, V_ЭБ.
• Ток коллектора: максимально допустимый ток коллектора.
• Напряжение насыщения – падение напряжения VКЭ в насыщенном (полностью проводящем) транзисторе.
• Коэффициент бета: β=I_К/I_Б.
• Коэффициента альфа: α = I_К/I_Э = β/(β+1).
• Основным фактором, влияющим на рассеиваемую мощность, являются корпуса транзисторов. Большие корпуса рассеивают больше тепла.

Оригинал статьи:

Теги

Сохранить или поделиться

описание, типы, устройство, маркировка, применение.

В  этой статье рассказывается об важно элементе радиоэлектронике — транзисторах. Про принцип действия диодов и их характеристики читайте по ссылке — http://www.radioingener.ru/diody-i-ix-primenenie/

Что такое транзистор.

Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer — преобразователь и resistor — сопротивление.

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как — то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами.

Биполярный (обычный) транзистор

Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем.  В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р — n перехода.

Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя — электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p — n — р. У транзистора структуры n — p — n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними — область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

Рис. 1 Схематическое устройство и графическое обозначение на схемах транзисторов структуры p — n — p и n — p — n.

Устройство и структура.

Если мысленно прикрыть любую из крайних областей транзисторов, изображенных схематически на (рис.1). Что получилось? Оставшиеся две области есть не что иное, как плоскостной диод. Если прикрыть другую крайнюю область, то тоже получится диод. Значит, транзистор можно представить себе как два плоскостных диода с одной общей областью, включенных навстречу друг другу.

Общую (среднюю) область транзистора называют базой, одну крайнюю область — эмиттером, вторую крайнюю область — коллектором.

Это три электрода транзистора. Во время работы эмиттер вводит (эмитирует) в базу дырки (в структуре p — n — р) или электроны (в структуре n — p — n), коллектор собирает эти электрические заряды, вводимые в базу эмиттером.

Различие в обозначениях транзисторов разных структур на схемах заключается лишь в направлении стрелки эмиттера: в p — n — р транзисторах она обращена в сторону базы, а в n — p — n — от базы.

Электронно — дырочные переходы в транзисторе могут быть получены так же, как в плоскостных диодах. Например, чтобы изготовить транзистор структуры p — n — р, берут тонкую пластину германия с электронной электропроводностью и наплавляют на ее поверхность кусочки индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в тело пластины, образуя в ней две области типа р — эмиттер и коллектор, а между ними остается очень тонкая (несколько микрон) прослойка полупроводника типа n — база. Транзисторы, изготовляемые по такой технологии, называют сплавными.

Запомни наименования р — n переходов транзистора: между коллектором и базой — коллекторный, между эмиттером и базой — эмиттерный.

Схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора показаны на (рис. 2).

Изготовление транзисторов.

Прибор собран на металлическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу — ее наружный проволочный вывод. Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проволочкам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выводами этих электродов. Цельнометаллический колпак защищает прибор от механических повреждений и влияния света. Так устроены наиболее распространенные маломощные низкочастотные транзисторы серий МП39, МП40, МП41, МП42 и их разновидности. Буква (М) в обозначении говорит о том, что корпус прибора холодносварной, буква (П)- первоначальная буква слов «плоскостной», а цифры — порядковые заводские номера приборов. В конце обозначения могут быть буквы А, Б, В (например, МП39Б), указывающие разницу в параметрах данной серии. Существуют другие способы изготовления, например, диффузионно — сплавной (рис. 3). Коллектором транзистора, изготовленного по такой технологии, служит пластина исходного полупроводника. На поверхность пластины наплавляют очень близко один от другого два маленьких шарика примесных элементов. Во время нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластинку полупроводника. При этом один шарик (на рис. 3 — правый) образует в коллекторе тонкую базовую область, а второй (на рис. 3 — левый) эмиттерную область.

Рис. 2 — Устройство и конструкция сплавного слева и диффузионно — сплавного справа транзистора структуры p — n — p.

В результате в пластине исходного полупроводника получаются два р — n перехода, образующие транзистор структуры р — n — р. По такой технологии изготовляют, в частности, наиболее массовые маломощные высокочастотные транзисторы серий П401-П403, П422, П423, ГТ308. В настоящее время действует система обозначения, по которой выпускаемые серийно приборы имеют обозначения, состоящие из четырех элементов, например: ГТ109А, КТ315В, ГТ403И.

• Первый элемент этой системы обозначения — буква Г, К или А (или цифра 1, 2 и 3) — характеризует полупроводниковый материал и температурные условия работы прибора. Буква Г (или цифра 1) присваивается германиевым транзисторам, буква К (или цифра 2) — кремниевым, буква А (или цифра 3) — транзисторам, полупроводниковым материалом которых служит арсенид галлия. Цифра, стоящая вместо буквы, указывает на то, что данный транзистор может работать при повышенных температурах (германиевый — выше 4- 60°С, кремниевый — выше +85°С).
• Второй элемент — буква Т — начальная буква слова «транзистор».
• Третий элемент — трехзначное число от 101 до 999 — указывает порядковый номер разработки и назначение прибора. Это число присваивается транзистору по признакам, приведенным в таблице.
• Четвертый элемент обозначения — буква, указывающая разновидность прибора данной серии.

Вот некоторые примеры расшифровки обозначений по этой системе :

ГТ109А — германиевый маломощный низкочастотный транзистор, разновидность А;

ГТ404Г — германиевый средней мощности низкочастотный транзистор, разновидность Г;

КТЗ15В — кремниевый маломощный высокочастотный транзистор, разновидность В.

Применение транзисторов

Наряду с такой системой продолжает действовать и прежняя система обозначения, например П27, П401, П213, МП39 и т.д. Объясняется это тем, что такие или подобные транзисторы были разработаны до введения современной маркировки полупроводниковых приборов. Внешний вид некоторых биполярных транзисторов, наиболее широко используемых радиолюбителями, показан на (рис. 4). Маломощный низкочастотный транзистор ГТ109 (структуры р — n — р) имеет в диаметре всего 3, 4 мм. Транзисторы этой серии предназначены для миниатюрных радиовещательных приемников. Их используют также в слуховых аппаратах, в электронных медицинских приборах т.д.

Диаметр транзисторов ГТ309 (р — n — р) 7,4 мм. Такие транзисторы применяют в различных малогабаритных электронных устройствах для усиления и генерирования колебаний высокой частоты.

Транзисторы КТЗ15 (n — p — n) выпускают в пластмассовых корпусах. Эти маломощные приборы предназначены для усиления и генерирования колебаний высокой частоты. Транзисторы МП39 — МП42 (р — n — р) — самые массовые среди маломощных низкочастотных транзисторов. Точно так выглядят и аналогичные им, но структуры n — p — n, транзисторы МП35 — МП38. Диаметр корпуса любого из этих транзисторов 11,5 мм. Наиболее широко их используют в усилителях звуковой частоты.

Так выглядят и маломощные высокочастотные р — n — р транзисторы серий П401 — П403, П416, П423, используемые для усиления высокочастотных сигналов как в промышленных, так и любительских радиовещательных приемниках. Транзистор ГТ402 (р — n — р) — представитель низкочастотных транзисторов средней мощности. Такую же конструкцию имеет его «близнец» ГТ404, но он структуры (n — p — n). Их, обычно используют в паре, в каскадах усиления мощности колебаний звуковой частоты.

Транзистор П213 (германиевый структуры р — n — р) — один из мощных низкочастотных транзисторов, широко используемых в оконечных каскадах усилителей звуковой частоты. Диаметр этого, а также аналогичных ему транзисторов П214 — П216 и некоторых других, 24 мм. Такие транзисторы крепят на шасси или панелях при помощи фланцев. Во время работы они нагреваются, поэтому их обычно ставят на специальные теплоотводящие радиаторы, увеличивающие поверхности охлаждения.

КТ904 — сверхвысокочастотный кремниевый n — p — n транзистор большой мощности. Корпус металлокерамический с жесткими выводами и винтом М5, с помощью которого транзистор крепят на теплопроводящем радиаторе. Функцию радиатора может выполнять массивная металлическая пластина или металлическое шасси радиотехнического устройства. Высота транзистора вместе с выводами и крепежным винтом чуть больше 20 мм. Транзисторы этой серии предназначаются для генераторов и усилителей мощности радиоаппаратуры, работающей на частотах выше 100 МГц, например диапазона УКВ.

Рис. 4 Внешний вид некоторых транзисторов.

Советую просмотреть обучающий фильм:

Схемы включения и основные параметры биполярных транзисторов

Итак, биполярный транзистор, независимо от его структуры, является трехэлектродным прибором. Его электроды — эмиттер, коллектор и база. Для использования транзистора в качестве усилителя напряжения, тока или мощности входной сигнал, который надо усилить, можно подавать на два каких — либо электрода и с двух электродов снимать усиленный сигнал. При этом один из электродов обязательно будет общим. Он — то и определяет название способа включения транзистора: по схеме общего эмиттера (ОЭ), по схеме общего коллектора (ОК), по схеме общей базы (ОБ).

• Включение p-n-р транзистора по схеме ОЭ показано на (рис. 5, а). Напряжение источника питания на коллекторе V подается через резистор Rк, являющийся нагрузкой, на эмиттер — через общий «заземленный» проводник, обозначаемый на схемах специальным знаком. Входной сигнал через конденсатор связи Ссв. подается к выводам базы и эмиттера, т.е. к участку база — эмиттер, а усиленный сигнал снимается с выводов эмиттера и коллектора. Эмиттер, следовательно, при таком включении является общим для входной и выходной цепей. Транзистор, по схеме с ОЭ, в зависимости от его усилительных свойств может дать 10 — 200 — кратное усиление сигнала по напряжению и 20 — 100 — кратное усиление сигнала по току. Такой способ включения по схеме с ОЭ пользуется у радиолюбителей наибольшей популярностью. Существенным недостатком усилительного каскада, включенном по такой схеме, является его сравнительно малое входное сопротивление — всего 500-1000 Ом, что усложняет согласование усилительных каскадов, транзисторы которых включают по такой же схеме. Объясняется это тем, что в данном случае эмиттерный р — n переход транзистора включен в прямом, т.е. пропускном, направлении. А сопротивление пропускного перехода, зависящее от прикладываемого к нему напряжения, всегда мало. Что же касается выходного сопротивления такого каскада, то оно достаточно большое (2-20 кОм) и зависит от сопротивления нагрузки Rк и усилительных свойств.

• Включение прибора схеме ОК показано на (рис. 5, б). Входной сигнал подается на базу и эмиттер через эмиттерный резистор Rэ, который является частью коллекторной цепи. С этого же резистора, выполняющего функцию нагрузки транзистора, снимается и выходной сигнал. Таким образом, этот участок коллекторной цепи является общим для входной и выходной цепей, поэтому и название способа включения транзистора — ОК. Каскад с полупроводником, включенным по такой схеме, по напряжению дает усиление меньше единицы. Усиление же по току получается примерно такое же, как если бы транзистор был включен по схеме ОЭ. Но зато входное сопротивление такого каскада может составлять 10 — 500 кОм, что хорошо согласуется с большим выходным сопротивлением каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. По существу, каскад не дает усиления по напряжению, а лишь как бы повторяет подведенный к нему сигнал. Поэтому транзисторы, включаемые по такой схеме, называют также эмиттерными повторителями. Почему эмиттерными? Потому что выходное напряжение на эмиттере практически полностью повторяет входное напряжение. Почему каскад не усиливает напряжение? Давайте мысленно соединим резистором цепь базы с нижним (по схеме) выводом эмиттерного резистора Rэ, как показано на (рис. 5, б) штриховыми линиями. Этот резистор — эквивалент внутреннего сопротивления источника входного сигнала Rвх., например микрофона или звукоснимателя. Таким образом, эмиттерная цепь оказывается связанной через резистор Rвх. с базой. Когда на вход усилителя подается напряжение сигнала, на резисторе Rэ, являющемся нагрузкой транзистора, выделяется напряжение усиленного сигнала, которое через резистор Rвх. оказывается приложенным к базе в противофазе. При этом между эмиттерной и базовой цепями возникает очень сильная отрицательная обратная связь, сводящая на нет усиление каскада. Это по напряжению. А по току усиления получается такое же, как и при включении транзистора по схеме с ОЭ.
• Теперь о включении транзистора по схеме с ОБ (рис. 5, в). В этом случае база через конденсатор Сб по переменному току заземлена, т. е. соединена с общим проводником питания. Входной сигнал через конденсатор Ссв. подают на эмиттер и базу, а усиленный сигнал снимают с коллектора и с заземленной базы. База, таким образом, является общим электродом входной и выходной цепей каскада. Такой каскад дает усиление по току меньше единицы, а по напряжению — такое же, как транзистор, включенный по схеме с ОЭ (10 — 200). Из — за очень малого входного сопротивления, БК превышающего нескольких десятковом (30-100) Ом, включение транзистора по схеме ОБ используют главным образом в генераторах электрических колебаний, в сверхгенеративных каскадах, применяемых, например, в аппаратуре радиоуправления моделями.

Чаще всего как я уже говорил применяются схемы с включением транзистора с ОЭ, реже с ОК. Но это только способы включения. А режим работы транзистора как усилителя определяется напряжениями на его электродах, токами в его цепях и, конечно, параметрами самого транзистора. Качество и усилительные свойства биполярных транзисторов оценивают по нескольким электрическим параметрам, которые измеряют с помощью специальных приборов. Вас же, с практической точки зрения, в первую очередь должны интересовать три основных параметра: обратный ток коллектора Iкбо, статический коэффициент передачи тока h313 (читают так: аш два один э) и граничная частота коэффициента передачи тока Fгр.

• Обратный ток коллектора Iкбо — это неуправляемый ток через коллекторный р — n переход, создающийся неосновными носителями тока транзистора. Он характеризует качество транзистора: чем численное значение параметра Iкбо меньше, тем выше качество. У маломощных низкочастотных транзисторов, например, серий МП39 — МП42, Iкбо не должен превышать 30 мкА, а у маломощных высокочастотных 5 мкА. Транзисторы с большими значениями Iкбо в работе неустойчивы.
• Статический коэффициент передачи тока h31э характеризует усилительные свойства транзистора. Статическим его называют потому, что этот параметр измеряют при неизменных напряжениях на его электродах и неизменных токах в его цепях. Буква «Э» в этом выражении указывает на то, что при измерении полупроводник включают по схеме ОЭ. Коэффициент h31э характеризуется отношением постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор — эмиттер и токе эмиттера. Чем больше численное значение коэффициента h31э, тем большее усиление сигнала может обеспечить данный прибор.
• Граничная частота коэффициента передачи тока Fгр, выраженная в килогерцах или мегагерцах, позволяет судить о возможности использования транзистора для усиления колебаний тех или иных частот. Граничная частота Fгр транзистора МП39, например, 500 кГц, а транзисторов П401 — П403 — больше 30 МГц. Практически транзисторы используют для усиления частот значительно меньше граничных, так как с повышением частоты коэффициент h31э уменьшается.

При конструировании радиотехнических устройств надо учитывать и такие параметры, как максимально допустимое напряжение коллектор — эмиттер Uкэ max, максимально допустимый ток коллектора Iк.max а также максимально допустимую рассеиваемую мощность коллектора Рк.max — мощность, превращающуюся в тепло.

Полевой транзистор

В этом полупроводниковом приборе управление рабочим током осуществляется не током во входной (базовой) цепи, как в биполярном транзисторе, а воздействием на носители тока электрического поля. Отсюда и название «полевой». Схематическое устройство и конструкция полевого транзистора с р — n переходом показаны на (рис. 6). Основой такого транзистора служит пластина кремния с электропроводностью типа n, в которой имеется тонкая область с электропроводностью типа р. Пластину прибора называют затвором, а область типа р в ней — каналом. С одной стороны канал заканчивается истоком, с другой стоком — тоже областью типа р, но с повышенной концентрацией дырок. Между затвором и каналом создается р — n переход. От затвора, истока и стока сделаны контактные выводы. Если к истоку подключить положительный, а к стоку — отрицательный полюсы батареи питания (на рис. 6 — батарея GB), то в канале появится ток, создающийся движением дырок от истока к стоку. Этот ток, называемый током стока Iс, зависит не только от напряжения этой батареи, но и от напряжения, действующего между источником и затвором (на рис. 6 — элемент G).

И вот почему. Когда на затворе относительно истока действует положительное закрывающее напряжение, обедненная область р — n перехода расширяется (на рис. 6 показано штриховыми линиями). От этого канал сужается, его сопротивление увеличивается, из — за чего ток стока уменьшается. С уменьшением положительного напряжения на затворе обедненная область р — n перехода, наоборот, сужается, канал расширяется, и ток снова увеличивается. Если на затвор вместе с положительным напряжением смещения подавать низкочастотный или высокочастотный сигнал, в цепи стока возникнет пульсирующий ток, а на нагрузке, включенной в эту цепь, — напряжение усиленного сигнала. Так, в упрощенном виде устроены и работают полевые транзисторы с каналом типа р, например — КП102, КП103 (буквы К и П означают «кремниевый полевой»). Принципиально так же устроен и работает полевой транзистор с каналом типа n. Затвор транзистора такой структуры обладает дырочной электропроводностью, поэтому на него относительно истока должно подаваться отрицательное напряжение смещения, а на сток (тоже относительно истока) — положительное напряжение источника питания. На условном графическом изображении полевого транзистора с каналом типа n стрелка на линии затвора направлена в сторону истока, а не от истока, как в обозначении транзистора с каналом типа р. Полевой транзистор — тоже трехэлектродный прибор. Поэтому его, как и биполярный транзистор, включать в усилительный каскад можно тремя способами: по схеме общего стока (ОС), по схеме общего истока (ОИ) и по схеме общего затвора (ОЗ). В радиолюбительской практике применяют в основном только первые два способа включения, позволяющие с наибольшей эффективностью использовать полевые транзисторы.

Усилительный каскад на полевом транзисторе обладает очень большим, исчисляемым мегаомами, входным сопротивлением.

Это позволяет подавать на его вход высокочастотные и низкочастотные сигналы от источников с большим внутренним сопротивлением, например от пьезокерамическрго звукоснимателя, не опасаясь искажения или ухудшения усиления входного сигнала.

В этом главное преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными. Усилительные свойства полевого транзистора характеризуют крутизной характеристики S — отношением изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора, включенного по схеме ОИ. Численное значение параметра S выражают в миллиамперах на вольт; для различных транзисторов оно может составлять от 0,1 — 0,2 до 10 — 15 мА/В и больше. Чем больше крутизна, тем большее усиление сигнала может дать транзистор.

Рис. 6 Конструкция и графическое изображение полевого транзистора с каналом типа (p).

Другой параметр полевого транзистора — напряжение отсечки Uзи.отс. — Это обратное напряжение на р — n переходе затвор — канал, при котором ток через этот переход уменьшается до нуля. У различных транзисторов напряжение отсечки может составлять от 0,5 до 10 В. О полевых транзисторах и их уникальных свойствах можно говорить еще много, я попытался рассказать о наиболее существенных.

Кодовая и цветовая маркировка транзисторов

Все картинки кликабельны. Вы можете нажать и сохранить их себе на ПК, чтобы в дальнейшем пользоваться. Или просто сохраните данную страницу нажав в браузере добавить в закладки.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5 — КТ315, КТ361

И так сказать на закуску классификацию корпусов, чтобы при заказе или обозначении на схеме иметь представление о внешнем виде транзистора

Биполярный транзистор | Образовательная социальная сеть

Слайд 1

Слайд 2

Определение Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода. Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода. В зависимости от структуры различают p-n-p и n-p-n транзисторы.

Слайд 3

Здесь показано, как к транзистору структуры n-p-n подключен источник питания, причем именно в такой полярности, как он подключается в реальных устройствах к настоящим транзисторам. Но при таком подключении получается, что через два p-n перехода (два потенциальных барьера) ток не пройдет: как ни меняй полярность напряжения один из переходов оказывается в запертом, непроводящем, состоянии. Описанное выше включение транзистора с оборванной базой нигде в практических схемах не применяется. Принцип работы транзистора

Слайд 4

Правильное включение транзистора На рисунке показано как на базу относительно эмиттера подано некоторое небольшое напряжение, причем в прямом направлении. Под действием эмиттерного тока электроны устремятся в базу с проводимостью p из эмиттера с проводимостью n. При этом часть электронов заполнят дырки, находящиеся в области базы и через базовый вывод протекает незначительный ток, — ток базы Iб. Остальные электроны, которым не хватило дырок в тонкой базе, устремляются в коллектор и будут извлечены оттуда более высоким потенциалом коллекторной батареи Eк-э. Под этим воздействием электроны преодолеют второй потенциальный барьер и через батарею вернутся в эмиттер.

Слайд 5

Прогнозируемый результат Таким образом, небольшое напряжение, приложенное к переходу база – эмиттер, способствует открытию перехода база – коллектор, смещенному в обратном направлении. Собственно, в этом и заключается транзисторный эффект: изменяя ток в цепи база – эмиттер, мы можем управлять выходным током коллектора. Причем незначительное изменение тока базы вызывает значительное изменение тока коллектора.

Слайд 6

Основные параметры Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают: коэффициент усиления по току α; сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току r э , r к , r б , которые представляют собой: r э — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода; r к — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода; r б — поперечное сопротивление базы.

Слайд 7

Основные вторичные параметры Основными вторичными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой « h ». — входное сопротивление при коротком замыкании на выходе; — выхоная проводимость при холостом ходе во входной цепи;

Слайд 8

Схема четырехполюсника Собственные параметры транзистора связаны с h -параметрами, например для схемы ОЭ:

Слайд 9

Схема четырехполюсника Эквивалентная схема четырехполюсника: а) биполярный транзистор в схеме с общей базой; б) биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

Слайд 10

Режим работы биполярного транзистора Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора: Режим отсечки; Активный режим; Инверсный режим; Режим насыщения.

Слайд 11

Режим отсечки На оба перехода поданы обратные напряжения. Когда напряжение между базой и эмиттером ниже, чем 0.6V — 0.7V, то p-n переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора практически отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Слайд 12

Активный режим На эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переход – обратное. В активном режиме на базу подано напряжение, достаточное для того чтобы p-n переход между базой и эмиттером открылся. Возникают токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Слайд 13

Инверсный режим К коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному — обратное. Инверсный режим работы приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока эмиттера по сравнению с работой транзистора в нормальном режиме и поэтому на практике применяется крайне редко.

Слайд 14

Режим насыщения На оба перехода поданы прямые напряжения. Если увеличивать ток базы, то может наступить такой момент, когда ток коллектора перестанет увеличиваться, т.к. транзистор полностью откроется, и ток будет определяться только напряжением источника питания и сопротивлением нагрузки в цепи коллектора. Транзистор достигает режима насыщения. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечиваться источником питания при данном сопротивлении нагрузки, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы. В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Слайд 15

Схемы включения Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями: Коэффициент усиления по току I вых / I вх . Входное сопротивление R вх = U вх / I вх . Различают следующие схемы включения транзистора: Схема включения с общей базой Схема включения с общим эмиттером Схема с общим коллектором

Слайд 16

Схема включения с общей базой Усилитель с общей базой среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется. Коэффициент усиления по току: I вых / I вх = I к / I э = α [α

Слайд 17

Схема включения с общим эмиттером I вых = I к I вх = I б U вх = U бэ U вых = U кэ Коэффициент усиления по току: I вых / I вх = I к / I б = I к /( I э -I к ) = α/(1-α) = β [β>>1]. Входное сопротивление: R вх = U вх / I вх = U бэ / I б . Достоинства Большой коэффициент усиления по току. Большой коэффициент усиления по напряжению. Наибольшее усиление мощности. Можно обойтись одним источником питания. Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного. Недостатки Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой.

Слайд 18

Схема включения с общим коллектором I вых = I э I вх = I б U вх = U бк U вых = U кэ Коэффициент усиления по току: I вых / I вх = I э / I б = I э /( I э -I к ) = 1/(1-α) = β [β>>1]. Входное сопротивление: R вх = U вх / I вх = ( U бэ + U кэ )/ I б . Достоинства Большое входное сопротивление. Малое выходное сопротивление. Недостатки Коэффициент усиления по напряжению меньше 1. Схему с таким включением называют « эмиттерным повторителем ».

Шахрам Маривани — ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

ЗАДАЧИ:

Ознакомиться с теорией работы биполярных переходных транзисторов (БЮТ) и изучить V-I характеристики BJT

ВВЕДЕНИЕ:

Тип транзистора (NPN или PNP) можно определить с помощью мультиметра. Тест проверяет полярность переходов база-эмиттер и база-коллектор.Этот тест необходимо выполнить в начале лабораторного сеанса. Для BJT есть три региона работы;

1. Активная область: в этой области базовый эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор имеет обратное смещение. Эта область — обычный транзистор режим работы по усилению и характеризуется коэффициентом усиления транзистора по току значение, бета.
2. Область отсечки: в этой области переходы база-эмиттер и база-коллектор обратное смещение, и транзистор действует как открытый переключатель.(Я _С = 0)
3. Область насыщения: в этой области переходы база-эмиттер и база-коллектор с прямым смещением, и транзистор действует как замкнутый переключатель. (V _CE = 0)

В активной области транзистора была определена добротность для количественной оценки способность транзистора усиливать входной сигнал. Этот параметр определяется как соотношение между I _C и I _B , которое обычно называется β-фактором.Аналогичным образом коэффициент α равен определяется как отношение между I _C и I _E . Таким образом;

β = I _C / I _B и α = I _C / I _E

Легко показать, что β = α / (1 — α) и α = β / (β + 1). Как показывает опыт, чем больше значение β, тем выше коэффициент усиления транзистор, т.е. тем лучше транзистор. Типичные значения β колеблются от 80 до 300 или выше.

РАБОТА В ЛАБОРАТОРИИ

1. Определите тип транзистора, используя сопротивление перехода постоянного тока транзистора:
   Проверьте тип транзистора для каждого блока, проверив полярность базы-эмиттера соединение. Используйте мультиметр Fluke в режиме измерения сопротивления. Сведите ваши измеренные данные в таблицу. Для данного транзистора (2N3904) измерьте сопротивление прямого и обратного смещения. между базой и эмиттером, базой и коллектором и коллектором и эмиттером. Подключение выводов этого транзистора показано на Рисунок 1.

Рисунок 1 — Упрощенная схема и подключение выводов транзистора 2N3904
2. I _C — V _BE Характеристика биполярного переходного транзистора:
   Подключите испытательную схему транзистора, как показано на рисунке 2. Установите напряжение постоянного тока (V _B ) на нулевого напряжения и V _CC до 10 В. Увеличьте V _B с шагом 0,1 В и измерьте напряжение постоянного тока между базой и эмиттером (V _BE ), постоянный ток через коллектор I _C и ток через базу I _B .Сведите свои показания в ясную таблицу и нанесите на график зависимости I _C от V _BE . Убедитесь, что вы взяли достаточно точек данных для построения типичной характеристики. БЮТ. Вычислить β для каждой измеренной точки данных и свести в таблицу рассчитанные значения β с измеренными данными. График β по сравнению с V _BE .

Рисунок 2 — Испытательная схема для измерения характеристики V _BE и I _C биполярного транзистора
3. Измерение I _C по сравнению с характеристикой V _CE биполярного транзистора:
   Используя тестовую схему на Рисунке 2, отрегулируйте V _B , чтобы генерировать ток 50 мкА в базе транзистор.Измените V _CC , чтобы изменить V _CE . Выберите разумные шаги для V _CE (маленькие шаги при более низких напряжениях; 0,1 В для значений от 0 до 1,0 В и большие шаги при более высоких напряжениях; 1,0 В для значений выше 1,0 В). Измерьте V _CE и I _C .
   Повторите вышеуказанное измерение для I _B = 100 мкА, 150 мкА и 200 мкА. Построить набор кривые для I _C в сравнении с V _CE для постоянного I _B .
   По измеренным данным определите диапазон V _CE , в котором I _C близок к нулю ампер.
   Найдите значение α из этого набора измеренных данных, затем вычислите β. Сравните значение β, полученное в результате этого измерения, и значение, полученное в результате измерения выполнено в 2.

Биполярный переходной транзистор — Engineering LibreTexts

Биполярный переходной транзистор — это полупроводниковое устройство, состоящее из двух P-N-переходов, соединяющих три клеммы, называемые клеммами базы, эмиттера и коллектора. Расположение трех выводов влияет на ток и усиление транзистора.Поведение транзисторов с биполярным переходом также сильно различается для каждой конфигурации схемы. Три разные конфигурации схемы дают разные характеристики схемы в отношении входного сопротивления, выходного сопротивления и усиления. Эти характеристики влияют на то, имеет ли транзистор усиление по напряжению, по току или по мощности. Одна из основных операций транзистора с биполярным переходом — усиление сигнала тока. Транзисторы с биполярным переходом могут регулировать ток так, чтобы величина тока была пропорциональна напряжению смещения, приложенному к клемме базы транзистора.Применение биполярных переходных транзисторов можно найти в устройствах, использующих аналоговые схемы, таких как компьютеры, мобильные телефоны и радиопередатчики.

ВВЕДЕНИЕ

имеют три полупроводниковые области. Эти три области — это область эмиттера (E), область базы (B) и область коллектора (c), и эти области по-разному легированы в зависимости от типа биполярного транзистора. Двумя типами биполярных транзисторов являются PNP-транзистор, три области которого относятся к p-типу, n-типу и p-типу соответственно, и NPN-транзистор, чьи области относятся к n-типу, p-типу и n-типу соответственно.Оба типа транзисторов имеют один P-N-переход между коллекторной областью и базой и другой P-N-переход между базовой и эмиттерной областями. Базовая область всегда является центральным соединением структуры с областями эмиттера и коллектора, соединенными с обеих сторон. Оба типа транзисторов имеют одинаковый принцип работы с единственной разницей в полярности питания и смещении для каждого типа.

усиливать сигнал путем регулирования тока позволяет передавать входной сигнал от одной цепи к другой, независимо от разного уровня сопротивления в каждой цепи.Величина тока, протекающего через транзистор, пропорциональна величине напряжения смещения, приложенного к клемме базы. Это позволяет транзистору действовать как переключатель с регулируемым током. В зависимости от того, является ли биполярный транзистор PNP или NPN, регулируемый ток будет течь от коллектора к эмиттеру или от эмиттера к коллектору, в то время как меньший управляющий ток будет течь от базы к эмиттеру или от эмиттера к базе соответственно.

Транзистор содержит максимально допустимый ток, который может ограничивать величину тока, проходящего от клеммы к клемме.В зависимости от порядка клемм в транзисторе, транзистор будет действовать как проводник или как изолятор при наличии управляемого тока. Эта способность переключаться между этими двумя состояниями, изолятором или проводником, позволяет транзистору действовать как переключатель или как усилитель сигналов малой амплитуды, подаваемых на базу, в зависимости от структуры и порядка трех полупроводниковых областей.

СТРУКТУРА

содержат три легированных примесных полупроводниковых области, каждая из которых подключена к цепи.Транзистор не является симметричным из-за разной степени легирования областей эмиттера, коллектора и базы. Базовая область состоит из легированных материалов, обладающих высоким удельным сопротивлением. База расположена между областью сильнолегированного эмиттера и областью слаболегированного коллектора. Коллектор охватывает эмиттерную область, что исключает возможность электронов, инжектированных в базовую область, покидать базовую область, не собираясь. Область эмиттера сильно легирована для увеличения коэффициента усиления транзистора по току.

Для высокого коэффициента усиления по току необходимо высокое соотношение носителей, вводимых эмиттером, и несущих, вводимых базой. Повышение эффективности инжекции эмиттера приводит к тому, что большая часть носителей, инжектируемых в переход эмиттер-база, поступает из области эмиттера. Высокая степень легирования областей эмиттера и коллектора также означает, что переход коллектор-база имеет обратное смещение. Следовательно, переход коллектор-база может иметь большое обратное напряжение смещения до того, как переход сломается.Для транзистора в целом фундаментальное различие между NPN-транзистором и PNP-транзистором заключается в направлениях тока и полярности напряжения на переходах транзистора. Убедившись, что эти два элемента всегда расположены напротив друг друга, обеспечивает правильное смещение транзисторов.

Биполярный переходной транзистор NPN

Биполярный транзистор NPN имеет базу из полупроводника, легированного P, между эмиттером, легированным N, и областью коллектора, легированным N. Биполярные транзисторы NPN являются наиболее часто используемыми биполярными транзисторами из-за легкости подвижности электронов над подвижностью электронов-дырок.

Для этого типа транзисторов коллекторный и эмиттерный токи большой величины создаются за счет усиления небольшого тока, который проходит через базу. Этот небольшой ток усиливается только тогда, когда транзистор становится активным. В этом активном состоянии положительная разность потенциалов обнаруживается как между базовой областью к области коллектора, так и областью эмиттера к области базы, что приводит к току, который переносится электронами между областями коллектора и эмиттера.Конструкция и напряжение на клеммах NPN-транзистора показаны на Рисунке 1 ниже.

Для биполярного NPN-транзистора, проводящего ток, коллектор всегда более положительный по отношению к базе и эмиттеру. Напряжение между базой и эмиттером (V _BE ) положительное на базе и отрицательное на эмиттере. Клемма базы всегда положительна по отношению к эмиттеру. Другой способ отображения NPN-транзистора показан на рисунке 2 ниже.

Рисунок 2 Схема биполярного транзистора NPN.

Ток, вытекающий из транзистора, должен быть равен токам, текущим в транзистор, поскольку ток эмиттера задан как

Ie = Ic + Ib. (1)

Примечание: «Ic» — это ток, протекающий на выводе коллектора, «Ib» — это ток, протекающий на выводе базы, а «Ie» — это ток, вытекающий из вывода эмиттера.

Поскольку физическая конструкция транзистора определяет электрическую связь между этими тремя токами (Ib), (Ic) и (Ie), любое небольшое изменение тока базы (Ib) приведет к гораздо большему изменению в коллекторе. ток (Ic).Отношение тока коллектора к току эмиттера называется Alpha (α).

Альфа (α) = Ic / Ie (2)

Коэффициент усиления транзистора по току от клеммы коллектора до клеммы эмиттера, Ic / Ie, является функцией электронов, диффундирующих через переход. Текущее усиление транзистора от клеммы коллектора до клеммы базы обозначено Beta, (β).

Бета (β) = Ic / Ib (3)

NPN являются хорошими усилителями при большом бета-значении.Бета-значения обычно находятся в диапазоне от 20 до 200 для большинства транзисторов общего назначения. Следовательно, если бета-значение транзистора равно 50, то на каждые 50 электронов, проходящих между выводами эмиттер-коллектор, один электрон будет вытекать из вывода базы.

Комбинируя выражения для Alpha, α и Beta, β, коэффициент усиления транзистора по току может быть задан как:

Бета = (α) / (1-α) (4)

Как видно из приведенных выше уравнений, подвижность электронов между цепями коллектора и эмиттера является единственной связью между этими двумя цепями.Это звено является главной особенностью работы транзистора. Так как действие транзистора определяется начальным движением электронов через область базы, усилительные свойства транзистора возникают из-за последующего управления базой током между коллектором и эмиттером. Пока поток тока смещения в базовый вывод является стабильным, базовую область можно рассматривать как вход управления током.

Биполярный переходной транзистор PNP

PNP-транзистор с биполярным переходом имеет базу из полупроводника, легированного азотом, между эмиттером, легированным фосфатом, и областью коллектора, легированным фосфором.PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики с NPN-транзистором, с той разницей, что смещение направления тока и напряжения меняются местами. Для транзисторов PNP ток входит в транзистор через вывод эмиттера. Небольшой ток, выходящий из базы, усиливается на выходе коллектора. Область эмиттера-база смещена в прямом направлении, поэтому будут генерироваться электрическое поле и носители. Источники напряжения подключены к транзистору PNP, как показано на рисунках 3 и 4 ниже.

Рисунок 3 Схема транзистора PNP Рисунок 4 Схема транзистора PNP

Напряжение между базой и эмиттером (V _BE ) теперь отрицательное на базе и положительное на эмиттере. Клемма Base всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру while. Эмиттер положительный по отношению к коллектору (V _CE ). В нижней части коллектора с обратным смещением образовались отверстия. Из-за электрического поля носители или электроны притягиваются дырками.Для того чтобы транзистор PNP проводил, эмиттер всегда более положительный по отношению как к базе, так и к коллектору.

РЕГИОНЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Биполярные транзисторы имеют четыре различных режима работы. Эти области определяются смещениями на переходе биполярного переходного транзистора.

1. Отсечка : Область отсечки — это когда транзистор неактивен из-за минимального тока, проходящего через транзистор, из-за чего транзистор выглядит как разомкнутая цепь.Как VBE, так и VBC имеют обратное смещение, поэтому все края обедненной области имеют небольшую плотность неосновных носителей. Эта область имеет условия смещения, противоположные насыщению.

2. Активный в прямом направлении : Область активного действия в прямом направлении возникает, когда транзистор находится в активном состоянии, что позволяет транзистору усиливать колебания напряжения, присутствующие на базе. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор имеет обратное смещение, транзистор может усиливать напряжение, поскольку напряжение коллектор-эмиттер больше, чем напряжение базы-эмиттер, а также находится между состояниями отсечки и насыщения.Выходной ток пропорционален базовому току и может быть извлечен на коллекторе.

3. Обратно-активный : Обратно-активная область возникает, когда транзистор находится в активном состоянии, но максимальный коэффициент усиления по току в обратном активном режиме намного меньше, чем в прямом активном режиме. Условия смещения меняются на противоположные, так что коллекторный переход базы имеет прямое смещение, а база-эмиттерный переход — обратное смещение, что переключает роли коллекторной и эмиттерной областей.База содержит гораздо более низкое обратное напряжение смещения, чем в прямой активной области.

4. Насыщение : Область насыщения позволяет транзистору проводить ток от эмиттера к коллектору. При прямом смещении как базового коллекторного перехода, так и базового эмиттерного перехода ток базы настолько велик, что превышает величину, при которой он может увеличить ток коллектора. В результате цепь между выводами коллектора и эмиттера кажется короткозамкнутой из-за перенасыщения тока.

КОНФИГУРАЦИИ

Существует три метода подключения биполярного переходного транзистора к электронной схеме. Конфигурация с общей базой, конфигурация с общим эмиттером и конфигурация с общим коллектором по-разному реагируют на входной сигнал схемы, тем самым изменяя характеристики каждой конфигурации.

Общая базовая конфигурация

Общая базовая конфигурация имеет сильную высокочастотную характеристику, которая хорошо подходит для схем с одноступенчатым усилителем.Однако это не очень распространено из-за низких характеристик усиления по току и низкого входного сопротивления. Входной сигнал подается между выводами базы и эмиттера, а выходной сигнал берется между выводами базы и коллектора. Для того чтобы это произошло, базовый терминал должен быть заземлен, так что опорное напряжение представляет собой фиксированную сумму. Общая базовая конфигурация показана ниже.

Рисунок 5 Схема транзистора с общей базой

Этот тип конфигурации усилителя представляет собой схему неинвертирующего усилителя напряжения.Конфигурация имеет усиление сопротивления за счет соотношения между сопротивлением нагрузки (Rload) последовательно с коллектором и резистором Rin. Входной ток, протекающий в эмиттер, представляет собой сумму как базового тока, так и тока коллектора соответственно, поэтому выходной ток коллектора меньше, чем входной ток эмиттера, что приводит к усилению тока. Его входные характеристики соответствуют прямому смещению диода

Конфигурация общего эмиттера

Конфигурация усилителя с общим эмиттером обеспечивает самый высокий коэффициент усиления по току и мощности из всех трех конфигураций биполярных транзисторов, поэтому этот тип конфигурации является наиболее часто используемой схемой для усилителей на основе транзисторов.Входной сигнал, приложенный между базой и эмиттером, невелик из-за прямого смещения PN-перехода, а выходной сигнал, полученный между коллектором и эмиттером, велик из-за обратного смещения PN-перехода.

Это происходит главным образом потому, что входной импеданс невелик, поскольку он подключен к PN-переходу с прямым смещением, а выходной импеданс велик, поскольку он снимается с PN-переходом с обратным смещением. Однако его коэффициент усиления по напряжению намного ниже. Конфигурация общего эмиттера показана ниже.

Рисунок 6 Схема усилителя с общим эмиттером

Конфигурация с общим эмиттером представляет собой схему инвертирующего усилителя. Следовательно, выходной сигнал не совпадает по фазе с сигналом входного напряжения.

Конфигурация общего коллектора

Конфигурация с общим коллектором очень полезна для приложений согласования импеданса из-за очень большого отношения входного импеданса к выходному. Конфигурация имеет входной сигнал, напрямую подключенный к базе.Когда эмиттерная область включена последовательно с нагрузочным резистором, ток, протекающий через сопротивление нагрузки, будет иметь то же значение, что и ток эмиттера. Вот почему выходной сигнал берется с эмиттерной нагрузки, а коэффициент усиления по току конфигурации приблизительно равен значению β транзистора.

Рисунок 7 Схема транзистора с общим коллектором

Конфигурация биполярного транзистора этого типа представляет собой неинвертирующую схему, в которой напряжения сигналов Vin и Vout «синфазны».Сопротивление нагрузки принимает как базовый, так и коллекторный токи, что приводит к большому усилению тока, а также обеспечивает хорошее усиление тока с очень небольшим усилением напряжения.

Вопросы

1. Если ток коллектора (Ic) составляет 50 А, а базовый ток (Ib) равен 2 А, то каково значение бета?

2. В чем разница между биполярным транзистором PNP и биполярным транзистором NPN?

3. Каков текущий коэффициент усиления транзистора, если заданная альфа (α) равна 0.5?

ответы

1. Бета-отношение (β) = Ic / Ib. Значение бета равно 50 амперам, разделенным на 2 ампера, что составляет 25.

2. PNP-транзистор и NPN-транзистор имеют очень схожие характеристики, разница между ними заключается в смещении направлений тока и напряжения.

3. Коэффициент усиления транзистора по току — это бета-коэффициент (β), который равен (α) / (1-α). Значение Beta равно 0.5 / (1-0,5), что равно 0,5

Список литературы

1. Kasap, S. (2006). Принципы электронных материалов и устройств (3-е изд.). Бостон: Макгроу-Хилл.

2. «Учебное пособие по NPN-транзисторам — Биполярный NPN-транзистор». Учебники по основам электроники . 1 сентября 2013 г. Интернет. 8 декабря 2015 г.

3. «Переходный транзистор». Переходный транзистор . Интернет. 8 декабря 2015 г.

4. Все изображения созданы с помощью программы на дигикеи.com

Авторы

1. К. Битти, MSE (Калифорнийский университет, Дэвис).

Биполярный переходной транзистор (BJT)

Биполярный переходный транзистор (BJT) имеет три клеммы, подключенные к трем. легированные полупроводниковые области. В NPN-транзисторе тонкий и слаболегированный Основание P-типа зажато между сильно легированным эмиттером N-типа и еще один коллектор N-типа ; в то время как в транзисторе PNP тонкий и легированная основа N-типа зажата между сильно легированной P-образной Эмиттер и другой коллектор П-типа .В дальнейшем мы будем рассматривать только NPN BJT.

На многих схемах транзисторных цепей (особенно при наличии большое количество транзисторов в схеме) кружок в условном обозначении транзистор отсутствует. На рисунках ниже показано сечение двух Транзисторы NPN. Обратите внимание, что хотя и коллектор, и эмиттер Транзисторы изготовлены из полупроводникового материала N-типа, полностью другая геометрия и поэтому не подлежат замене местами.

Все ранее рассмотренные компоненты (резистор, конденсатор, индуктор и диод) имеют два вывода (вывода) и поэтому могут характеризоваться единственная связь между протекающим током и напряжением через два отведения. Иначе транзистор — это трехконтактный компонент, которую можно рассматривать как двухпортовую сеть с входным портом и выходной порт, каждый из которых образован двумя из трех терминалов и характеризуется соотношением входных и выходных токов и напряжений.

В зависимости от того, какая из трех клемм используется в качестве общей клеммы, существует может быть три возможных конфигурации для двухпортовой сети, образованной транзистор:

• Общий эмиттер (CE),
• Общая база (CB),
• Коллектор общий (CC).

• Конфигурация Common-Base (CB)

  Конфигурацию CB можно рассматривать как схему с 2 портами. Вход Порт образован эмиттером и базой, выходной порт образован коллектор и база.Применяются два напряжения и соответственно к эмиттеру и коллектору, относительно общая база, так что соединение BE смещено вперед, в то время как Переход CB имеет обратное смещение.

  Полярность и направление, связанные с PN-переходы между E и B такие же, как и связанные с диод, полярность напряжения: положительный на P, отрицательный на N, ток направление: от P до N, но и направление связаны с PN-переходом между базой и коллектором. определяется противоположным образом.

  Поведение NPN-транзистора определяется двумя его PN-переходами:

  • PN-переход база-эмиттер (BE) с прямым смещением позволяет основные носители заряда, электроны, в эмиттере N-типа через PN-переход к базе P-типа, образуя эмиттерный ток.
  • Поскольку основание тонкое и слегка легированное, только небольшое количество электроны из эмиттера (например, 1%) объединяются с большинство носителей, отверстия, в основании P-типа для формирования основания Текущий .Процент зависит от легирования и геометрии материала.
  • Большая часть электронов из эмиттера (например, 99%), теперь неосновные носители в базе P-типа, могут пройти обратный смещенный PN-переход коллектор-база для прихода к коллектору N-типа формирование коллектора тока .

  Коэффициент усиления по току или коэффициент передачи тока этой схемы выключателя, обозначается, определяется как отношение между током коллектора рассматривается как выход, а ток эмиттера рассматривается как Вход:

  e.грамм.

  (8)

  т.е.
  

  Соотношения между током и напряжением на входе и выходные порты описываются следующими входами и выходами характеристики.

  • Входные характеристики:

    Входной ток является функцией, а также входного напряжение, которое намного преобладает:

    (10)

    Обратите внимание, что это мало влияет на. Здесь и связанный с PN-переходом эмиттер-база удовлетворяют соотношению для диода:

    (11)

    Напряжение на смещенном в прямом направлении PN-переходе можно приблизительно определить к .
  • Выходные характеристики:

    Выходной ток является функцией выходного напряжения. а также входной ток, который намного преобладает:

    (12)

    As, т.е. переход CB обратный предвзято, ток зависит только от. Когда , ток вызван пересечением неосновных носителей заряда PN-переход. Это похоже на диод ток-напряжение. характеристики, замеченные ранее, за исключением того, что обе оси перевернуты ( полярность и направление противоположно определены).Когда увеличивается, является соответственно увеличился. Однако, поскольку выше не вызывает больше электронов из эмиттера, на это мало влияет.

    Обратите внимание, когда PN-переход между базой и коллектором не смещен (замкнут накоротко), коллектор еще ненулевой ток, образованный электронами, выходящими из эмиттера, через оба PN-перехода, чтобы сформировать ток замкнутого контура.

• Конфигурация с общим эмиттером (CE)

  Два напряжения и приложены соответственно к базе и коллектор по отношению к общему эмиттеру.Обычно , т.е. переход BE смещен вперед, в то время как CB переход имеет обратное смещение, как и конфигурация CB. Напряжения конфигураций CB и CE связаны между собой:

  или

  (13)

  Конфигурацию CE можно рассматривать как 2-портовую схему. Вход Порт образован эмиттером и базой, выходной порт образован коллектор и эмиттер. Текущее усиление цепи CE, обозначенное по, определяется как отношение между током коллектора рассматривается как выход, а базовый ток — как вход:

  (14)

  Например, если , тогда .

  Эти два параметра и связаны любым из следующий:

  (15)

  Соотношения между током и напряжением на входе и выходные порты описываются следующими входами и выходами характеристики.

Соотношение между входным и выходным токами CB и CE конфигурации приведены ниже:

• Общая база:

  
  

  
  
• Общий эмиттер:

  
  

  
  

Коллекторные характеристики с общей базой (CB) и с общим эмиттером (CE) конфигурации имеют следующие отличия:

• В цепи выключателя немного меньше, а в цепи CE намного больше, чем.
• В цепи выключателя, когда; в то время как в цепи CE когда (как имеет эффект подавления).
• Увеличено немного увеличится но больше сильно увеличить , тем самым вызывая больше значительно увеличился.
• в CB является функцией двух переменных и, но первое гораздо более значимо, чем второе. в CE является функцией двух переменных и, но первое гораздо более значимо, чем второе.
• в CB является функцией двух переменных и.Когда маленький, его небольшое увеличение вызовет значительное увеличение из . Но его дальнейшее увеличение не вызовет больших изменений в должной до насыщения (все доступные носители заряда движутся со скоростью насыщения прибыть в коллектор C), в основном определяется.
• в CE является функцией двух переменных и. Когда мал ( ), его небольшое увеличение вызовет значительное увеличение. Но когда , его дальнейшее увеличение не вызовет больших изменений из-за насыщения (весь доступный заряд носители движутся со скоростью насыщения и достигают коллектора C), в основном определяется.

Различные параметры транзистора изменяются в зависимости от температуры. Например, увеличивается вместе с температурой.

(BJT): что это такое и как он работает?

Что такое BJT?

Биполярный переходный транзистор (также известный как BJT или BJT-транзистор) представляет собой трехконтактное полупроводниковое устройство, состоящее из двух p-n переходов, которые могут усиливать или усиливать сигнал.Это устройство, управляемое током. Три вывода BJT — это база, коллектор и эмиттер. BJT — это тип транзистора, в котором в качестве носителей заряда используются электроны и дырки.

Сигнал небольшой амплитуды, поданный на базу, доступен в усиленной форме на коллекторе транзистора. Это усиление, обеспечиваемое BJT. Обратите внимание, что для выполнения процесса усиления требуется внешний источник питания постоянного тока.

Есть два типа транзисторов с биполярным переходом — транзисторы NPN и транзисторы PNP.Схема этих двух типов транзисторов с биполярным переходом приведена ниже.
Из приведенного выше рисунка видно, что каждый BJT состоит из трех частей: эмиттер, база и коллектор. J _E и J _C представляют собой соединение эмиттера и соединение коллектора соответственно. Изначально нам достаточно знать, что эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а переходы коллектор-база — в обратном направлении. В следующей теме будут описаны два типа этих транзисторов.

Биполярный переходной транзистор NPN

В биполярном транзисторе npn (или npn-транзисторе) один полупроводник p-типа находится между двумя полупроводниками n-типа, как показано на схеме ниже npn-транзистора

Теперь I _E , I _C — это ток эмиттера и ток сбора соответственно, а V _EB и V _CB — напряжение эмиттер-база и напряжение коллектор-база соответственно. Согласно условию, если для тока эмиттера, базы и коллектора I _E , I _B и I _C ток идет в транзистор, знак тока принимается положительным, а если ток выходит из транзистора, то знак принимается отрицательным.Мы можем свести в таблицу различные токи и напряжения внутри транзистора n-p-n.

Биполярный транзистор PNP

Аналогично для биполярного перехода pnp транзистор (или полупроводниковый pnp-транзистор) anduhed Полупроводники p-типа.Схема транзистора p-n-p показана ниже.

Для транзисторов p-n-p ток входит в транзистор через вывод эмиттера. Как и любой транзистор с биполярным переходом, переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база — в обратном направлении. Мы можем табулировать ток эмиттера, базы и коллектора, а также напряжение эмиттер-база, база коллектора и напряжение коллектор-эмиттер для p-n-p транзисторов.

Принцип работы BJT

На рисунке показан npn-транзистор, смещенный в активной области (см. Смещение транзистора), переход смещен вперед, тогда как переход CB имеет обратное смещение.Ширина обедненной области BE-перехода мала по сравнению с шириной CB-перехода.

Прямое смещение в BE-переходе снижает барьерный потенциал и заставляет электроны течь от эмиттера к базе. Поскольку основание тонкое и слегка легированное, оно состоит из очень небольшого количества дырок, поэтому некоторые электроны из эмиттера (около 2%) рекомбинируют с дырками, присутствующими в области базы, и вытекают из вывода базы.

Это составляет базовый ток, он течет из-за рекомбинации электронов и дырок (обратите внимание, что направление обычного тока противоположно направлению потока электронов).Оставшееся большое количество электронов пересечет коллекторный переход с обратным смещением и составит коллекторный ток. Таким образом, по KCL,

Базовый ток очень мал по сравнению с током эмиттера и коллектора.

Здесь большинство носителей заряда — электроны. Транзистор p-n-p работает так же, как и транзистор n-p-n, с той лишь разницей, что большинство носителей заряда — это дырки, а не электроны. Лишь небольшая часть тока протекает из-за основных носителей заряда, а большая часть тока течет из-за неосновных носителей заряда в BJT.Следовательно, они называются устройствами неосновных носителей.

Эквивалентная схема BJT

p-n переход представлен диодом. Поскольку транзистор имеет два p-n перехода, это эквивалентно двум диодам, соединенным спина к спине. Это называется двухдиодной аналогией BJT.

Характеристики биполярных переходных транзисторов

Биполярный транзистор состоит из трех частей: коллектор, эмиттер и база. Прежде чем узнать о характеристиках биполярного переходного транзистора , мы должны знать о режимах работы для этого типа транзисторов.Режимы:

1. Режим общей базы (CB)
2. Режим общего эмиттера (CE)
3. Режим общего коллектора (CC)

Все три типа режимов показаны ниже

Теперь, перейдя к характеристикам BJT, есть разные характеристики для разных режимов работы. Характеристики — это не что иное, как графические формы взаимосвязей между различными переменными тока и напряжения транзистора. Характеристики p-n-p транзисторов приведены для разных режимов и параметров.

Характеристики общей базы

Входные характеристики

Для транзистора p-n-p входным током является ток эмиттера (I _E ), а входным напряжением — напряжение базы коллектора (В _CB ).

Поскольку переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, график зависимости I _E от V _EB аналогичен прямым характеристикам p-n диода. I _E увеличивается для фиксированного V _EB , когда увеличивается V _CB .

Выходные характеристики

Выходные характеристики показывают соотношение между выходным напряжением и выходным током. I _C — это выходной ток и напряжение коллектор-база, а ток эмиттера I _E — входной ток и работает как параметры. На рисунке ниже показаны выходные характеристики p-n-p транзистора в режиме CB.

Как известно, для p-n-p транзисторов I _E и V _EB положительные, а I _C , I _B , V _CB — отрицательные.Это три области на кривой, область насыщения активной области и область отсечки. Активная область — это область, в которой транзистор работает нормально.

Здесь эмиттерный переход имеет обратное смещение. Теперь область насыщения — это область, в которой оба перехода эмиттер-коллектор смещены в прямом направлении. И, наконец, область отсечки — это область, где и эмиттерный, и коллекторный переходы смещены в обратном направлении.

Характеристики общего эмиттера

Входные характеристики

I _B (Ток базы) — входной ток, В _BE (Напряжение базы — Эмиттер) — входное напряжение для режима CE (Общий эмиттер).Таким образом, входные характеристики для режима CE будут отношениями между I _B и V _BE с V _CE в качестве параметра. Характеристики приведены ниже.

Типичные входные характеристики CE аналогичны характеристикам p-n диода с прямым смещением. Но по мере увеличения V _CB ширина основания уменьшается.

Выходные характеристики

Выходные характеристики для режима CE — это кривая или график между током коллектора (I _C ) и напряжением коллектор-эмиттер (V _CE ), когда базовый ток I _B является параметром.Характеристики показаны ниже на рисунке.

Как и выходные характеристики транзистора с общей базой, режим CE также имеет три области: (i) активная область, (ii) области отсечки, (iii) область насыщения. Активная область имеет обратное смещение коллекторной области и прямое смещение эмиттерного перехода.

Для области отсечки эмиттерный переход слегка смещен в обратном направлении, и ток коллектора не отсекается полностью. И, наконец, для области насыщения как коллектор, так и эмиттерный переход смещены в прямом направлении.

История BJT

В 1947 году Дж. Барден, У. Браттерин и У. Шокли изобрели транзистор. Термин транзистор был дан Джоном Р. Пирсом. Хотя изначально он назывался твердотельной версией вакуумного триода, термин «транзистор» сохранился. В этой статье мы рассматриваем транзистор Bipolar Junction Transistor (BJT) .

Слово «транзистор» происходит от слов «переход» и «резистор», оно описывает работу BJT i.е. передача входного сигнала от цепи с низким сопротивлением к цепи с высоким сопротивлением. Этот тип транзистора состоит из полупроводников.

Транзисторы используются в создании интегральных схем (ИС). Количество транзисторов, которые нам удалось установить в ИС, быстро увеличилось с момента их создания, удваиваясь примерно каждые 2 года (известный как закон Мура).

Итак, почему это называется переходным транзистором? Ответ кроется в конструкции.Мы уже знаем, что такое полупроводники p-типа и n-типа.

  I  E  = I  B  + I  C   

Выходные характеристики показаны между током коллектора I _C и напряжением между коллектором и эмиттером V _CE . Конфигурация CE также имеет три разные области: в активной области коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный переход смещен в прямом направлении, в области отсечки , эмиттерный переход слегка смещен в обратном направлении и ток коллектора полностью не отключается, и, наконец, в области насыщения и коллекторный, и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении.

Конфигурация общего коллектора также называется конфигурацией заземленного коллектора, в которой клемма коллектора остается общей клеммой между входным сигналом, подаваемым на базу и эмиттер, и выходным сигналом, полученным на коллекторе и эмиттере. Эта конфигурация обычно называется повторителем напряжения или схемой эмиттерного повторителя .Эта конфигурация будет полезна для приложений согласования импеданса , поскольку она имеет очень высокий входной импеданс, порядка сотен тысяч Ом, при относительно низком выходном импедансе.

BJT может использоваться в различных приложениях, таких как логические схемы, схемы усиления, колебательные схемы, схемы с несколькими вибраторами, схемы ограничения, схемы таймера, схемы задержки времени, схемы переключения и т. Д.

Для лучшего использования в различных приложениях, BJT доступны в различных пакетах, таких как TO-3, TO-5, TO-8, TO-18, TO-36, TO-39, TO-46, TO-52. , ТО-66, ТО-72, ТО-92, ТО-126, ТО-202, ТО-218, ТО-220, ТО-226, ТО-254, ТО-257, ТО-258, ТО-259, ТО -264 и ТО-267. Вы также можете ознакомиться с нашими статьями о различных типах пакетов IC, чтобы узнать о популярных типах и их названиях.

Биполярные транзисторы как усилители

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Распознать основные режимы подключения транзисторного усилителя.
• • Эмиттер обыкновенный.
• • Общий коллектор.
• • Общая база.
• Опишите основные параметры каждого режима усилителя.
• • Коэффициент усиления по напряжению.
• • Текущее усиление.
• • Входное и выходное сопротивление.

Как подключается транзистор для создания усилителя.

Рис.3.6.1 Подключения усилителя.

Поскольку усилитель должен иметь два входа и два выхода, транзистор, используемый в качестве усилителя, должен иметь один из трех контактов, общих для входа и выхода, как показано на рис. 3.6.1. Выбор клеммы, используемой в качестве общего подключения, оказывает заметное влияние на характеристики усилителя.

Транзистор, включенный в трех режимах, показанных на рис. 3.6.2–3.6.4 будут показывать совершенно разные характеристические кривые для каждого режима.Эти различия могут быть использованы разработчиком схем для создания усилителя с характеристиками, наиболее подходящими для конкретной цели. Обратите внимание, что схемы показаны здесь в уменьшенном виде и не предназначены для практических схем.

В схеме транзисторного усилителя, показанной на рис. 3.6.2–3.6.4, линия питания + V и линия 0V могут рассматриваться как одна и та же точка, если речь идет о любом сигнале переменного тока. Это потому, что, хотя очевидно, что между этими двумя точками существует напряжение (напряжение питания), источник постоянного тока всегда отключается большим конденсатором (например,грамм. накопительный конденсатор в источнике питания), поэтому не может быть разницы в напряжении переменного тока между шинами + V и 0V.

Рис. 3.6.2 Режим общего эмиттера.

Режим общего эмиттера

Наиболее распространенная функция транзистора — использование в режиме ОБЩЕГО ЭМИТТЕРА. В этом способе подключения небольшие изменения тока базы / эмиттера вызывают большие изменения тока коллектора / эмиттера. Следовательно, это схема усилителя ТОКА. Чтобы усилить НАПРЯЖЕНИЕ, резистор нагрузки (или импеданс, такой как настроенная схема) должен быть подключен к цепи коллектора, чтобы изменение тока коллектора вызывало изменение напряжения, развиваемого на резисторе нагрузки.Значение нагрузочного резистора влияет на УСИЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ усилителя. Это связано с тем, что чем больше резистор нагрузки, тем большее изменение напряжения будет вызвано данным изменением тока коллектора. Обратите внимание, что из-за этого метода подключения выходной сигнал будет противофазным входному сигналу. Это связано с тем, что увеличение напряжения базы / эмиттера приведет к увеличению тока базы. Это, в свою очередь, вызовет увеличение тока коллектора, но по мере увеличения тока коллектора падение напряжения на нагрузочном резисторе увеличивается, и, поскольку напряжение на верхнем конце нагрузочного резистора (напряжение питания) не изменится, напряжение на нижний конец должен уменьшиться.Следовательно, увеличение напряжения база / эмиттер вызывает уменьшение напряжения коллектор / эмиттер.

Общие параметры эмиттера

Коэффициент усиления напряжения: высокий (около 100).

Текущее усиление: высокое (от 50 до 800).

Входное сопротивление: среднее (от 3 кОм до 5 кОм).

Выходной импеданс: средний (приблизительно значение резистора нагрузки).

Рис. 3.6.3 Режим общего коллектора.

Режим общего коллектора

Рис.3.6.3 иллюстрирует режим ОБЩИЙ КОЛЛЕКТОР; также называется режимом эмиттерного повторителя, так как в этой схеме форма выходного сигнала на эмиттере не инвертируется и поэтому «следует» за формой входного сигнала на базе. Этот метод подключения часто используется в качестве БУФЕРНОГО УСИЛИТЕЛЯ для таких задач, как согласование импедансов между двумя другими цепями. Это связано с тем, что этот режим дает усилителю высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. Коэффициент усиления по напряжению в этом режиме немного меньше единицы (x 1), но доступен высокий коэффициент усиления по току (называемый h _fc в режиме общего коллектора).Другой способ использования этого режима подключения — УСИЛИТЕЛЬ ТОКА, часто используемый для выходных цепей, которые должны управлять сильноточными устройствами переменного тока, такими как громкоговорители или устройствами постоянного тока, такими как двигатели и т. Д.

Параметры общего коллектора

Коэффициент усиления по напряжению: немного меньше единицы (1).

Текущее усиление: высокое (от 50 до 800)

Входное сопротивление: высокое (несколько кОм)

Выходное сопротивление: низкое (несколько Ом)

Рис.3.6.4 Режим общей базы.

Режим общей базы

COMMON BASE MODE обычно используется для усилителей VHF и UHF, где, хотя коэффициент усиления по напряжению невелик, существует небольшая вероятность того, что выходной сигнал будет возвращен во входную цепь (что может быть проблемой на этих частотах). Поскольку в этом режиме база транзистора заземлена, он образует эффективный заземленный экран между выходом и входом. Поскольку ток коллектора в этом режиме будет равен току эмиттера минус ток базы, коэффициент усиления по току (h _fb в режиме общей базы) меньше единицы (<1).

Параметры общей базы

Коэффициент усиления по напряжению: средний (от 10 до 50).

Текущее усиление: меньше единицы (<1)

Входное сопротивление: низкое (около 50 Ом)

Выходное сопротивление: высокое (около 1 МОм)

Начало страницы

| Электронные учебники | Повязки Mepits

BJT Transistor

Bipolar Junction Transistor — трехслойное полупроводниковое устройство , которое имеет широкий спектр применения в полупроводниковой промышленности.Три слоя , эмиттер, база и , коллектор BJT-транзистора сформированы путем объединения альтернативных слоев P и N. Эмиттер — это сильно легированная область BJT-транзистора, которая обеспечивает основные носители в базовой области. Базовая область представляет собой тонкую, слегка легированную область, зажатую между эмиттером и коллектором. Основные носители из эмиттера проходят через базовую область, и их поток может контролироваться извне. Коллекторная область умеренно легирована. В конечном итоге основные носители эмиттера собираются в области коллектора BJT-транзистора.

BJT-транзистор может быть сконструирован двумя способами. В одном методе N-слой помещается между двумя P-слоями, называемыми транзистором PNP , а в другом — P-слой помещается между двумя N-слоями, называемыми NPN-транзистором.

Структура и обозначение биполярного переходного транзистора — транзистор NPN, транзистор PNP

Структура и обозначение схемы транзистора PNP и транзистора NPN показаны на рисунках выше.В транзисторе NPN электроны являются основными носителями, а в транзисторе PNP дырки являются основными носителями. Подвижность электронов выше, чем у дырок, и поэтому NPN-транзисторы более предпочтительны в электронных схемах. Все остальные свойства транзистора NPN и транзистора PNP одинаковы.

можно определить как устройство с трехконтактным управлением по току. Биполярный транзистор работает аналогично водопроводному крану.Количество воды, протекающей по трубе, можно регулировать, перемещая ручку крана. Точно так же потоком основных носителей заряда от эмиттера к коллектору можно управлять с помощью тока базы. Управляемая мощность может быть выше, чем входная управляющая мощность. Следовательно, BJT-транзистор может использоваться как усилитель .

Работа транзистора BJT — транзистор NPN

На рисунке показана наиболее распространенная конфигурация транзистора NPN.Здесь соединение эмиттер-база смещено в прямом направлении, а соединение коллектор-база — в обратном направлении. То есть для транзистора NPN база более положительна по отношению к эмиттеру, а коллектор более положительна по отношению к базе. Когда цепь включена, более высокий потенциал в базовой области NPN-транзистора притягивает электроны от эмиттера NPN-транзистора к себе. Электронный поток, который достигает базовой области NPN-транзистора, снова притягивается более положительным напряжением коллекторной области NPN-транзистора.Через базовый вывод NPN-транзистора проходит очень небольшой ток, поскольку он очень тонкий и слегка легированный, поэтому движение электронов вниз ограничивается его более высоким сопротивлением (для движения вниз требуется большая длина и небольшая площадь).

Когда BJT-транзистор не смещен, то есть на его переходах нет падения напряжения и, следовательно, через него не течет ток. Если соединение эмиттер-база смещено в прямом направлении , а соединение коллектор-база смещено в обратном направлении , напряжение на устройстве заставляет электроны от эмиттера течь к коллектору.При этом электроны проходят через слаболегированную базовую область P-типа, и некоторые из электронов рекомбинируют с дырками. Следовательно, ток коллектора меньше, чем ток эмиттера. Ток эмиттера, базовый ток и ток коллектора могут быть связаны между собой.

Ток эмиттера = Базовый ток + Ток коллектора

В основном, три параметра используются для определения характеристик транзистора BJT. Текущий коэффициент усиления, базовый транспортный коэффициент, параметры эффективности инжекции эмиттера показывают характеристики транзистора NPN и транзистора PNP.

(а). Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления тока в BJT-транзисторе определяется как отношение выходного тока к его входному току. В общей базовой конфигурации коэффициент усиления тока представляет собой отношение тока коллектора к току эмиттера.

α = Ic / Ie

(б). Базовый транспортный коэффициент

Он определяется как коэффициент тока базы, необходимый для передачи тока эмиттера на коллектор BJT-транзистора.Базовый транспортный коэффициент — это отношение тока коллектора к току базы BJT-транзистора. То есть это отношение выходного тока к входному в конфигурации с общим эмиттером.

β = Ic / Ib

(в). Эффективность впрыска эмиттера

Эффективность инжекции эмиттера в BJT-транзисторе определяет эффективность инжекции основной несущей из эмиттера. Это отношение тока основных носителей эмиттера к общему току эмиттера. Он определяет возможность инжекции эмиттера.Сильно легированная область будет иметь высокий коэффициент инжекции.

BJT-транзистор можно смоделировать как два PN перехода, соединенных спина к спине. В зависимости от приложения каждый переход может иметь прямое или обратное смещение независимо. Таким образом, существует четыре различных метода смещения.

(а). Прямо-активный режим

В прямом активном режиме биполярного транзистора соединение эмиттер-база смещено в прямом направлении, а соединение база-коллектор смещено в обратном направлении.Когда транзистор работает в этом режиме, ток коллектора линейно увеличивается с увеличением тока базы. Поэтому, когда BJT-транзистор используется в качестве усилителя, он смещен для работы в активном режиме .

(б). Обратно-активный режим

Обратный активный режим также называется обратным активным , потому что его условия смещения прямо противоположны условиям прямого активного режима. То есть переход эмиттер-база смещен в обратном направлении, а переход коллектор-база смещен в прямом направлении.

BJT-транзистор является симметричным, поэтому, если условия смещения инвертируются, эмиттер и коллектор транзистора меняются местами, и ток течет в противоположном направлении. Из-за разницы в концентрации легирования и размерах области коллектора и эмиттера коэффициент усиления по току транзистора в два-три раза меньше, чем в прямом активном режиме.

(в). Режим насыщенности

В режиме насыщения переходы эмиттер-база и коллектор-база смещены в прямом направлении.Максимальный ток протекает через транзистор, потому что ширина обеднения в обоих переходах очень мала. BJT-транзистор в этом режиме ведет себя как замкнутый переключатель.

(г). Режим отключения

Переходы эмиттер-база и коллектор-база имеют обратное смещение в режиме отсечки. В этом режиме транзистор неактивен, то есть ток не течет от эмиттера к коллектору. Транзистор ведет себя как разомкнутый переключатель в режиме отключения.

Три режима конфигурации транзистора аналогичны движению автомобиля.Активный режим движения вперед — это когда машина движется со средней скоростью, и ее скорость может регулироваться печенью акселератора. Точно так же ток в транзисторе в прямом активном режиме регулируется током базы.

Режим отключения — это когда двигатель автомобиля выключен, и даже если педаль газа нажата на максимум, ничего не происходит. Аналогично для транзистора в режиме отсечки коллекторный ток близок к нулю, увеличение тока базы на него не влияет.

Насыщение в BJT-транзисторе аналогично автомобилю, движущемуся с крутого холма, который уже достиг максимальной скорости.Дальнейшее увеличение скорости автомобиля в этом состоянии невозможно. Для транзистора в области насыщения через устройство протекает максимальный ток. Увеличение тока базы не влияет на ток коллектора.

Режимы работы биполярного переходного транзистора (BJT-транзистор)

BJT-транзистор настроен для работы в режиме насыщения и отсечки для приложений, когда он используется в качестве переключателя. BJT-транзистор в режиме отсечки ведет себя как открытый переключатель, а транзистор в режиме насыщения ведет себя как закрытый переключатель.

Для таких приложений, как усилители, NPN-транзистор и PNP-транзистор смещены для работы в активном режиме. BJT-транзистор усиливает сигнал, подаваемый на клемму базы, не влияя на другие параметры.

В электронных схемах, в зависимости от применения, транзистор NPN и транзистор PNP могут быть сконфигурированы как общая база , общий коллектор или общий эмиттер .Термин «общий» означает, что терминал является общим для входа и выхода. Лучший способ определить конфигурацию транзистора NPN и транзистора PNP в сложной электронной схеме — это проверить клеммы, к которым подключен вход и выход. Тогда можно сделать вывод, что третья клемма является общей клеммой.

(а). Общая конфигурация эмиттера

Это наиболее часто используемая конфигурация транзистора BJT. В этом случае , входное напряжение подается на переход база-эмиттер , а выходное напряжение снимается на переход коллектор-эмиттер .Коэффициент усиления по напряжению, коэффициент усиления по току и коэффициент усиления по мощности конфигурации с общим эмиттером высоки по сравнению с другими конфигурациями транзисторов. Поскольку входной сигнал подается через смещенный в прямом направлении переход, входное сопротивление усилителя с общим эмиттером невелико. Выходное сопротивление велико, так как выходной сигнал проходит через переход с обратным смещением. Еще одним важным свойством общей конфигурации эмиттера является то, что его выход сдвинут по фазе на 180 градусов.

Конфигурация общего эмиттера NPN-транзистора

(б).Общая базовая конфигурация

В конфигурации с общей базой BJT-транзистора вход подается на вывод эмиттера , а выход — на вывод коллектора . Он используется в приложениях, где требуется низкий входной импеданс и высокий выходной импеданс. В отличие от обычного эмиттера, в общей базовой конфигурации вход и выход находятся в одной фазе. На следующем рисунке показан PNP-транзистор, подключенный по общей базовой конфигурации.

Общая базовая конфигурация транзистора PNP

(в).Общий коллектор конфигурации

Конфигурация общего коллектора BJT-транзистора также называется повторителем напряжения или эмиттерным повторителем . В этом случае коллектор является общим как для ввода, так и для вывода. Как показано на рисунке ниже, вход подключен к переходу база-коллектор с обратным смещением, а выход — к переходу эмиттер-коллектор с прямым смещением . Следовательно, входное сопротивление велико, а выходное сопротивление низкое, и в приложениях для согласования импеданса используется общая конфигурация коллектора.Это дает высокий коэффициент усиления по току, но коэффициент усиления по напряжению в конфигурации с общим коллектором меньше единицы.

Конфигурация общего коллектора NPN-транзистора

JIS — это сокращение от японского промышленного стандарта, используемого в Японии. Используется формат

• Цифра — 2 — это цифра, используемая для транзисторов.
• Букв:

• Порядковый номер — этот номер может находиться в диапазоне от 10 до 9999.
• Суффикс — необязательно. Он указывает тип, одобренный японскими организациями.

Примеры: Транзисторы, использующие формат кодирования JIS:

• 2SC733 — Это транзистор. SC означает, что они относятся к транзистору NPN HF. 733 — используемый порядковый номер. Здесь не используется суффикс.
• 2SA1187, 2SB646 — другие примеры транзисторов, которые подпадают под формат кодирования JIS.

JEDEC — это аббревиатура от Joint Electron Device Engineering Council. Эта система имеет следующий формат:

• Цифра — для транзисторов используется цифра 2.
• Буква — всегда используется буква «N».
• Порядковый номер — может варьироваться от 100 до 9999.Он используется, чтобы показать, когда впервые появился транзистор.
• Суффикс — необязательно. Если он включен в формат нумерации, то суффикс означает усиление устройства.

A — представляет низкое усиление, B — представляет среднее усиление, C — представляет высокое усиление.

Примеры: 2N3906 — это транзистор PNP, входящий в систему JEDEC.

• Две буквы — первая буква указывает на материал, из которого изготовлен транзистор, а вторая буква указывает на применение транзистора.
• Первая буква может быть любой из них, как указано ниже:
• Вторая буква может быть любой из них, как указано в таблице.
• [письмо] — необязательно. Он указывает, используется ли транзистор для коммерческого или промышленного применения. Обычно для обозначения этого используются буквы W, X, Y, Z.
• Последовательный номер — может быть любым числом от 100 до 9999.
• Суффикс — необязательно.

Примеры: BC107, BD139, AD140 и т. Д.

Следуя простым советам и приемам, приведенным ниже, вы легко сможете определить свой транзистор.

• Сначала поймите и изучите форматы JIS, JEDEC и Pro-Electron Coding транзистора.

• Теперь прочтите числа, напечатанные на электронном компоненте транзистора.

• Укажите используемую систему кодирования, т.е.е., проверьте, принадлежит ли он к системе кодирования JIS, JEDEC и Pro-electronic.
• Если код транзистора начинается с «2N», следуйте системе JEDEC, «2 с двумя буквами», затем используйте формат JIS, «Две буквы», затем используйте систему Pro-Electron.

• После определения формата кодирования (JIS / JEDEC / Pro-Electron) следуйте правилам и шагам, описанным выше в разделе «Форматы кодирования для транзисторов» для конкретной системы кодирования.
• Теперь просмотрите каталог транзисторов, чтобы получить дополнительную информацию о работе электронных компонентов, спецификациях, характеристиках, применении и т. Д. Также убедитесь, что выбранный транзистор подходит для выбранного вами проекта / приложения DIY…

Обычно система кодирования Pro-Electron используется чаще, чем система JEDEC. Но оба используются многими производителями устройств для кодирования транзисторов. Система кодирования действительно полезна и помогает легко идентифицировать.

Примечание: Помимо систем кодирования JIS, JEDEC и Pro-Electron, некоторые производители электронных компонентов выпускают свои собственные типы для коммерческих целей. Некоторыми примерами для этого являются ZTX302, TIS43 и т. Д. Здесь символы представляют конкретного производителя. Некоторые из них приведены в таблице ниже: