Биполярные транзисторы: устройство, принцип действия, режимы работы и схемы подключения

Биполярные транзисторы: устройство, принцип действия, режимы работы и схемы подключения

Биполярный транзистор – полупроводниковый элемент с двумя pn переходами и тремя выводами, который служит для усиления или переключения сигналов. Они бывают pnp и npn типа. На рис. 1, а и б показаны их условные обозначения.

Рис. 1. Биполярные транзисторы и их диодные эквивалентные схемы:

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. 2.

Транзисторы npn типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов pnp 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. 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 – 0,8В (прямое напряжение диода), при этом возникает очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжение на базе и эмиттере связаны следующим соотношением:
  1. 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, температуре, UБЭ и др.
  2. Если правила 1-3 соблюдены, то ток коллектора прямо пропорционален току базы.

Соотношение токов коллектора и эмиттера приблизительно равно

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. 2, а) представляет собой базовый ток

Ток коллектора зависит от тока базы в соответствии с выражением:

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.

Схемы включения транзистора

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входа и выхода, различают схему включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), рис. 2, общей базой (ОБ) рис. 3, а, и общим коллектором (ОК) рис. 3, б.

В случае включения транзистора в схему с ОЭ входным током является ток базы, выходным – ток коллектора. Схема с ОЭ является самой распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности. Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме с ОЭ характеризует один из главных его параметров – коэффициент передачи тока базы – β. Коэффициент β для разных транзисторов лежит в диапазоне от десятков до тысяч, а реальный коэффициент усиления по току каскада всегда меньше, так как при включении нагрузки ток коллектора транзистора уменьшается.

Важная величина, характеризующая транзистор – его входное сопротивление. Для схемы с ОЭ оно составляет от сотен до единиц кОм, что является сравнительной малой величиной. Это существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление схемы составляет от единиц до десятков кОм.

К недостаткам схемы с ОЭ относятся также меньший по сравнению со схемой ОБ частотный диапазон и меньшая температурная стабильность.

В схеме с ОБ выходным током является ток коллектора, а входным – ток эмиттера. Хотя эта схема дает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема с ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы с ОЭ. Коэффициент усиления по току каскада несколько меньше единицы, по напряжению – такой же, как и в схеме с ОЭ. Входное сопротивление для схемы с ОБ получается в десятки раз меньше, чем в схеме с ОЭ, выходное сопротивление в этой схеме получается до 100 кОм. Следует отметить, что каскад с ОБ вносит при усилении меньшие искажения, чем каскад по схеме с ОЭ.

В схеме с ОК (рис. 3, б) коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Е1 и Е2 всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на выход, т.е. сильна отрицательная обратная связь. Именно поэтому такой каскад называют эмиттерным повторителем.

Коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше ее, коэффициент усиления по току почти такой же, как в схеме с ОЭ, коэффициент усиления по мощности равен нескольким десяткам. Входное сопротивление каскада в схеме с ОК составляет десятки килом, выходное – единицы килом и сотни Ом, что является важным достоинством схемы.

Схема с ОК называется эмиттерным повторителем и используется для согласования источников сигналов и нагрузок.

Транзистор как активный нелинейный четырехполюсник

Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются коэффициенты усиления:

Для удобства сравнения параметры трех схем включения транзисторов сведены в табл. 1.

Таблица. 1 Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов

Биполярные транзисторы: схемы, режимы, моделирование

Транзистор появился в 1948 (1947) году, благодаря трудам трёх инженеров и Шоккли, Брадтейна, Бардина. В те времена еще не предполагали их столь быстрое развитие и популяризацию. В советском союзе в 1949 году был представлен научному миру прототип транзистора лабораторией Красилова, это был триод С1-С4 (германиевый). Термин транзистор появился позже, в 50-х или 60-х годах.

Однако широкое применение они нашли в конце 60-х, начале 70-х годов, когда в моду вошли портативные радиоприёмники. Кстати их долгое время так и назвали «транзистор». Такое название прилипло благодаря тому, что они заменили электронные лампы полупроводниковыми элементами, что вызвало революцию в радиотехнике.

Что такое полупроводник?

Транзисторы делают из полупроводниковых материалов, например, из кремния, ранее был популярен германий, но сейчас он редко встречается, ввиду его дороговизны и худших параметрах, в плане температур и прочего.

Полупроводники это такие материалы, которые занимают по проводимости место между проводниками и диэлектриками. Их сопротивление в миллион раз больше проводников, и в сотни миллионов раз меньше диэлектриков. К тому же, чтобы через них начал протекать ток нужно приложить напряжение превышающее ширину запрещенной зоны, чтобы носители заряда перешли из валентной зоны в зону проводимости.

У проводников запрещенной зоны нет как таковой. Переместиться в зону проводимости носитель заряда (электрон) может не только под действием внешнего напряжения, но и от тепла – это называется тепловой ток. Ток вызванный облучением световым потоком полупроводника называется фототок. Фоторезисторы, фотодиоды и прочие светочувствительные элементы работают именно на этом принципе.

Для сравнения взгляните на таковые в диэлектриках и проводниках:

Довольно наглядно. Из диаграмм видно, что диэлектрики всё же могут проводить ток, но это происходит после преодоления запрещенной зоны. На практике это называется напряжением пробоя диэлектрика.

Так вот отличие германиевых от кремниевых структур в том, что для германия ширина запрещенной зоны, порядка 0.3 эВ (электронвольт), а у кремния более 0.6 эВ. С одной стороны это вызывает больше потерь, но использование кремния обусловлено технологическими и экономическими факторами.

Полупроводник в результате легирования получают дополнительные носители заряда положительные (дырки) или отрицательные (электроны), это называется полупроводник p- или n-типа. Возможно, вы слышали фразу «pn-переход». Так это и есть граница между полупроводниками разных типов. В результате движения зарядов, образования ионизированных частиц каждого из типа примесей к основному полупроводнику образуется потенциальный барьер, он не даёт току протекать в оба направления, подробнее об этом расписано в книге “Транзистор – это просто”.

Внесение дополнительных носителей зарядов (легирование полупроводников) позволило создать полупроводниковые приборы: диоды, транзисторы, тиристоры и пр. Простейший пример – это диод, работу которого мы рассмотрели в предыдущей статье.

Если приложить напряжение в прямом смещении, т.е. к p-области положительный полюсь, а к n-области отрицательный начнет протекать ток, а если наоборот – ток протекать не будет. Дело в том, что при прямом смещении основные носители заряда p-области (дырки) положительные, и отталкиваются от положительного потенциала источника питания, стремятся в область с более отрицательным потенциалом.

В тоже время отрицательные носители n-области отталкиваются от отрицательного полюса источника питания. И те и другие носители стремятся к границе раздела (pn-переходу). Переход становиться уже, и носители преодолевают потенциальный барьер, перемещаясь в области с противоположными зарядами, где рекомбинируются с ними…

Если приложено напряжение обратного смещения, то положительные носители p-области движутся в сторону отрицательного электрода источника питания, а электроны из n-области – в сторону положительного электрода. Переход расширяется, ток не протекает.

Если не вдаваться в подробности этого достаточно для понимания процессов протекающих в полупроводнике.

Условное графическое обозначение транзистора

В РФ принято такое обозначение транзистора как вы видите на картинке ниже. Коллектор без стрелки, эмиттер со стрелкой, а база подведена перпендикулярно к черте между эмиттером и коллектором. Стрелка на эмиттере указывает направление протекания тока (от плюса к минусу). Для NPN-структуры стрелка эмиттера направлена от базы, а для PNP – к базе.

При этом в схемах часто встречается такое же обозначение, но без окружности. Стандартное буквенное обозначение – «VT» и номер по порядку на схеме, иногда пишут просто «T».

Изображение транзисторов без круга

Что такое транзистор?

Транзистор это активный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления сигнала и генерации колебаний. Он пришёл на смену вакуумным лампам – триодам. У транзисторов обычно три ножки – коллектор, эмиттер и база. База – это управляющий электрод, подавая ток на него, мы управляем коллекторным током. Таким образом, с помощью малого тока базы мы регулируем большие токи в силовой цепи, так и происходит усиление сигнала.

Биполярные транзисторы бывают прямой (PNP) и обратной проводимости (NPN). Их структура изображена ниже. Что характерно, база занимает меньший объём полупроводникового кристалла.

Характеристики

Основные характеристики биполярных транзисторов:

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

Ucemax – максимальное напряжение, которое можно приложить между коллектором и эмиттером (выше нельзя – пробьет);

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

Β или H21Э – коэффициент усиления транзистора, равен Iк/Iб. Зависит от модели транзистора. Например, при к.усиления 100, при токе через базу 1мА, через коллектор будет протекать ток 100мА и т.д.

Стоит сказать о токах транзистора, их три:

2. Коллекторный ток.

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

Чаще всего ток эмиттера опускается, т.к. он почти не отличается от тока коллектора по величине. Разница лишь в том, что ток коллектора меньше чем ток эмиттера на величину тока базы, а т.к. у транзисторов высокий коэффициент усиления (допустим 100) то при токе в 1А через эмиттер, через базу будет протекать 10мА, а через коллектор 990мА. Согласитесь, ведь это достаточно малая разница, чтобы тратить на неё время при изучении электроники. Поэтому в характеристиках и указан Icmax.

Режимы работы

Транзистор может работать в разных режимах:

1. Режим насыщения. Простыми словами – это тот режим, в котором транзистор находится в максимально открытом состоянии (оба перехода смещены в прямом направлении).

2. Режим отсечки – это когда ток не протекает и транзистор закрыт (оба перехода смещены в обратном направлении).

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

Читайте также:  Лампы накаливания для освещения дома: какие бывают виды, как называются и как можно использовать

4. Инверсный активный режим (коллектор-база смещен в прямом направлении, а эмиттер-база смещен в обратно) но он редко используется.

Типовые схемы включения транзистора

Выделяют три типовых схемы включения транзистора:

2. Общий эмиттер.

3. Общий коллектор.

Входной цепью считают эмиттер-базу, а выходной – коллектор-эмиттер. Тогда как входной ток – это ток базы, а выходной – коллекторный ток соответственно.

В зависимости от схемы включения мы усиливаем ток или напряжение. В учебниках принято рассматривать именно такие схемы включения, но на практике они выглядят не столь очевидно.

Стоит отметить, что при включении в схему с общим коллектором мы усиливаем ток и получаем синфазное (такое же, как на входе по полярности) напряжение на входе и выходе, а в схеме с общим эмиттером – получаем усиление напряжение и инверсное напряжение (выходное перевернуто относительно входного). В конце статьи мы проведем моделирование таких цепей и наглядно убедимся в этом.

Моделирование транзисторного ключа

Первая модель, которую мы рассмотрим, это транзистор в режиме ключа. Для этого нужно построить схему как на рисунке ниже. Допустим, что мы будем включать нагрузку с током в 0.1А, её роль будет выполнять резистор R3, установленный в цепи коллектора.

В результате экспериментов, я установил, что h21Э у выбранной модели транзистора около 20, кстати, в datasheet на MJE13007 сказано от 8 до 40.

Ток базы должен быть около 5мА. Делитель рассчитывается таким образом, чтобы ток базы имел минимальное влияние на ток делителя. Чтобы заданное напряжение не плавало при включении транзистора. Значит, ток делителя зададим 100мА.

Rбрасч=(12в – 0.6в)/0.005= 2280 Ом

Это расчетная величина, токи в результате этого вышли такими:

При токе базы в 5мА, ток в нагрузке был порядка 100мА, на транзисторе у нас падает напряжение в 0.27 В. Расчеты верны.

Что мы получили?

Мы можем управлять нагрузкой, ток которой в 20 раз больше тока управления. Чтобы еще больше усилить, можно продублировать каскад, снизив ток управления. Или использовать другой транзистор.

Ток коллектора у нас был ограничен сопротивлением нагрузки, для эксперимента я решил сделать сопротивление нагрузки в 0 Ом, тогда ток через транзистор задаётся током базы и коэффициентом усиления. В результате токи практически не отличаются, в чем вы и можете убедиться.

Чтобы проследить влияние типа транзистора и его коэффициента усиления на токи, заменим его, не изменяя параметров цепи.

После замены транзистора с MJE13007 на MJE18006 цепь продолжила работать, но на транзисторе падает уже 0.14 В, это значит, что при том же токе этот транзистор будет меньше греться, т.к. в тепло выделится

А в предыдущем случае:

Разница почти в два раза, если на десятых ватта это не столь существенно, представьте, что будет при токах в десятки ампер, тогда мощность потерь возрастет в 100 раз. Это приводит к тому, что ключи перегреваются и выходят из строя.

Тепло, которое выделяется при нагреве, распространяется в корпусе устройства и может вызвать проблемы в работе соседних компонентов. Для этого все силовые элементы устанавливают на радиаторы, а иногда применяют активные системы охлаждения (куллер, жидкостные и др.).

К тому же при повышении температуры проводимость полупроводника увеличивается, как и ток который через них протекает, что вызывает, опять же, повышение температуры. Лавинообразный процесс повышения тока и температуры в конечном итоге убьет ключ.

Вывод такой: Чем меньше падение напряжения на транзисторе в открытом состоянии – тем меньше его нагрев и выше КПД всей схемы.

Падения напряжения на ключе стало меньшим из-за того, что мы поставили более мощный ключ, с большим коэффициентом усиления, чтобы убедится в этом, уберем из цепи нагрузку. Для этого я снова задал R3=0 Ом. Ток коллектора стал 219мА, на MJE13003 в такой же цепи был около 130мА, это значит, что H21Э в модели этого транзистора больше в два раза.

Стоит отметить, что коэффициент усиления одной модели в зависимости от конкретного экземпляра может различаться в десятки и сотки раз. Это вызывает необходимость отстройки и наладки аналоговых схем. В этой программе в моделях транзисторов использованы фиксированные коэффициенты, логика их выбора мне известна. На MJE18006 в даташите максимальный коэффициент H21Э указан 36.

Моделирование усилителя переменного сигнала

Приведенная модель отображает поведение ключа, если на него подать знакопеременный сигнал и простейшая схема включения его в цепь. Она напоминает схему музыкального усилителя мощности.

Обычно в них используются несколько таких последовательно соединенных каскадов. Количество и схемы каскадов, их цепей питания зависят от класса, в котором работает усилитель (A, B и т.д.). Я смоделирую простейший усилитель класса А, который работает в линейном режиме, а также сниму осциллограммы входного и выходного напряжения.

Резистор R1 задаёт рабочую точку транзистора. В учебниках пишут, что нужно найти такую точку на прямом отрезке ВАХ транзистора. Если напряжение смещения будет слишком низким – у вас будет искажаться нижняя полуволна сигнала.

Конденсаторы нужны, чтобы отделить переменную составляющую от постоянной. Резисторы R2 установлен для того, чтобы задать режим работы ключу и выставить рабочие токи. Давайте рассмотрим осциллограммы. Мы подаём сигнал амплитудой в 10мВ и частотой 10000 Гц. Амплитуда на выходе у нас почти 2В.

Пурпурным цветом обозначена выходная осциллограмма, красным – входной сигнал.

Обратите внимание, что сигнал инвертирован, т.е. выходной сигнал перевернут относительно входного. Это особенность схемы с общим эмиттером. По схеме сигнал снимается с коллектора. Поэтому при открытии транзистора (когда сигнал на входе повышается) напряжение на нем будет падать. Когда входной сигнал понижается, транзистор начинает закрываться и напряжение начнет расти.

Эта схема считается наиболее качественной в плане качества передачи сигнала, однако за это приходится платить мощностью потерь. Дело в том, что в состоянии, когда на вход не подаётся сигнал, транзистор всегда открыт и проводит ток. Тогда в тепло выделяется:

UКЭ – это падение на транзисторе при отсутствии входного сигнала.

Это простейшая схема усилителя, при этом любая другая схема работает подобным образом, отличается лишь соединение элементов и их комбинация. Например, транзисторный усилитель класса В состоит из двух транзисторов, каждый из которых работает для своей полуволны.

Здесь используются транзисторы разных проводимостей:

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

Такая схема даёт больший КПД за счёт того, что транзисторы открываются и закрываются полностью. За счёт того, что когда сигнал отсутствует – оба транзистора закрыты, схема не потребляет ток, соответственно потерь нет.

Заключение

Понимание работы транзистора очень важно, если вы собираетесь заниматься электроникой. В этой сфере важно не только научится собирать схемы, но и анализировать их. Для систематического изучения и понимания устройств нужно понимать, куда и как будут протекать токи. Это поможет как в сборке, так и наладке и ремонту схем.

Стоит отметить, что я намерено опустил многие нюансы и факторы чтобы не перегружать статью. При этом после расчетов всё же стоит подбирать резисторы. В моделировании это сделать просто. А на практике придется измерять токи и напряжения мультиметром, а в идеальном случае нужен осциллограф, чтобы проверить соответствие форм входного и выходного сигнала, в противном случае у вас будут искажения.

Что такое биполярный транзистор

Биполярный транзистор основан на принципе использования зарядов обоих значений (двигающиеся электроны и дырки). Этот тип самый распространенный активное полупроводниковое устройство. Любой из биполярных транзисторов состоит из трех слоев – р-n и n-р-n. Каждый из них имеет контакт с внешним выводом. Слой, который находится в середине, называется базой, один из слоев, лежащих по краям – эмиттер, другой слой на противоположном конце транзистора носит название коллектор.

В данной статье будут описаны все особенности строения, функционирования, а также где они могут использоваться в современной электротехнике. В качестве дополнения, статья содержит в себе две видеолекции по транзисторам, а также одну подробную скачиваемую статью.

Биполярные транзисторы

Транзисторы можно рассматривать как своего рода переключатели, такие же как и многие электронные компоненты, например, реле или вакуумные лампы. Транзисторы применяются в различных схемах, и редко какая схема обходится без них, даже сейчас, при широком использовании микросхем. Существует два основных вида биполярных транзисторов – n-p-n и p-n-p, они различаются по проводимости.

Два схожих по параметрам транзистора разных проводимостей называют комплементарной парой. Если в какой-нибудь схеме, например, в усилителе, заменить транзисторы одного вида на транзисторы другого вида со схожими параметрами (не забыв изменить при этом полярность питающих напряжений, электролитических конденсаторов и полупроводниковых диодов), то схема будет работать точно так же, за исключением СВЧ диапазона, поскольку n-p-n транзисторы являются более высокочастотными, чем p-n-p, и здесь возможно не удастся подобрать комплементарную пару.

Биполярный транзистор – трёхэлектродный полупроводниковый прибор, разновидность транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости.

Чаще всего в схемах применяют транзисторы структуры n-p-n. Это связано с тем, что в схемах эмиттеры транзисторов соединены с отрицательным источником питания.

Соответственно и общий провод схемы так же будет соединён с отрицательным выводом источника питания, что является общепринятым стандартом.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах, но все они имеют три вывода (у высокочастотных транзисторов иногда имеется и четвёртый вывод, соединённый с металлическим корпусом – экраном):

  • База- это управляющий вывод;
  • Коллектор- находится под положительным потенциалом (для n-p-n транзистора);
  • Эмиттер- находится под отрицательным потенциалом (для n-p-n транзистора).

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы, транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку.

В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер.

Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и очень слабо легированной, большая часть электронов, инжектированная из эмиттера диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб+Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк=α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999, чем больше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер.

Биполярный транзистор – электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, предназначенный для усиления, преобразования и генерации электрических сигналов. Вся конструкция выполняется на пластине кремния, либо германия, либо другого полупроводника, в которой созданы три области с различными типами электропроводности.

Средняя область называется базой, одна из крайних областей – эмиттером, другая – коллектором. Соответственно в транзисторе два p-n-перехода: эмиттерный – между базой и эмиттером и коллекторный – между базой и коллектором.

Область базы должна быть очень тонкой, гораздо тоньше эмиттерной и коллекторной областей (на рисунке это показано непропорционально). От этого зависит условие хорошей работы транзистора. Транзистор работает в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах.

При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном – обратное. В режиме отсечки на оба перехода подано обратное напряжение. Если на эти переходы подать прямое напряжение, то транзистор будет работать в режиме насыщения.

Физические процессы

Возьмем транзистор типа n-p-n в режиме без нагрузки, когда подключены только два источника постоянных питающих напряжений E1 и E2. На эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном – обратное. Соответственно, сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока достаточно напряжения E1 в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и напряжение E2 составляет обычно десятки вольт.

Соответственно, как и раньше, темные маленькие кружки со стрелками – электроны, красные – дырки, большие кружки – положительно и отрицательно заряженные атомы доноров и акцепторов. Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе, а вольт-амперная характеристика коллекторного перехода подобна ВАХ диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в следующем. Прямое напряжение эмиттерного перехода uб-э влияет на токи эмиттера и коллектора и чем оно выше, тем эти токи больше. Изменения тока коллектора при этом лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Получается, что напряжение на переходе база-эмиттер, т. е. входное напряжение, управляет током коллектора. На этом явлении основано усиление электрических колебаний с помощью транзистора. Основные биполярные транзисторы приведены в таблице ниже.

При увеличении прямого входного напряжения u б-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и, соответственно, возрастает ток через этот переход iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Поскольку коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды (на рисунке большие кружки). Между ними возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Читайте также:  Положение переключателя в электрической цепи: 3 вида устройств, механизм действия

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате этого возникает ток базы.

Ток база является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Именно поэтому базовую область делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать с дырками и, повторюсь, ток базы будет незначительным.

Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, можно считать, что в этом переходе тока нет. Тогда область коллекторного перехода имеет значительное сопротивление постоянному току, поскольку основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей.

Если же под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, то в базу со стороны эмиттера инжектируются электроны, для данной области являющиеся неосновными носителями. Они доходят до коллекторного перехода не успевая рекомбинировать с дырками при прохождении через базу.

Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллектору, тем меньше становится его сопротивление, следовательно, ток коллектора увеличивается. Аналогичные явления происходят в транзисторе типа p-n-p, надо только местами поменять электроны и дырки, а также полярность источников E1 и E2.

Помимо рассмотренных процессов существует еще ряд явлений. Рассмотрим модуляцию толщины базы.При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение заряда, обусловленное в основном ударной ионизацией.

Это явление и туннельный эффект могут вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой. Все происходит также, как у диодов, но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе тепловой пробой может наступить без предварительного электрического пробоя.

Тепловой пробой может наступить без повышения коллекторного напряжения до пробивного. При изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах изменяется их толщина, в результате чего изменяется толщина базы.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т. е. увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. А вот при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда этих самых носителей в базе и сей процесс обозвали рассасыванием неосновных носителей зарядов в базе.

И напоследок одно правило: при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не включено питание цепи коллектора. Надо также включать питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, состоящий из трех чередующихся областей полупроводника с различным типом проводимости (р-п-р или п-р-п) с выводом от каждой области. Рассмотрим работу транзистора n-р-n-типа. Чередующиеся области образуют два р-п-перехода база–эмиттер (БЭ) и база–коллектор (БК).

К переходу БЭ прикладывают прямое напряжение EБЭ, под действием которого электроны n-области эмиттера устремляются в базу, создавая ток эмиттера. Концентрацию примесей в эмиттере делают во много раз больше, чем в базе, а саму базу по возможности тоньше. Поэтому лишь незначительная часть (1–5%) испущенных эмиттером электронов рекомбинирует с дырками базы.

Большая же часть электронов, миновав узкую (доли микрона) область базы, “собирается” коллекторным напряжением Ек, представляющим обратное напряжение для перехода БК, и, устремляясь к плюсу внешнего источника Eк, создает коллекторный ток, протекающий по нагрузке Rн. Электроны, рекомбинировавшие с дырками базы, составляют ток базы IБ.

Ток коллектора, таким образом, определяется током эмиттера за вычетом тока базы. Аналогично работает транзистор р-n-р-типа, отличаясь лишь тем, что его эмиттер испускает в базу не электроны, а дырки, поэтому полярности прикладываемых к нему прямого UЭБ и обратного Ек напряжений должны быть противоположны транзистору п-р-п-типа.

На условном обозначении транзисторов стрелка ставится на эмиттере и направлена всегда от р-области к n-области. На рис. 1.8, б приведено условное обозначение транзистора п-р-п, а на рис. 1.9, бр-п-р. Кружок вокруг транзистора означает, что транзистор изготовлен в самостоятельном корпусе, а отсутствие кружка – что транзистор выполнен заодно с другими элементами на пластинке полупроводника интегральной микросхемы.

Стрелку эмиттера удобно рассматривать как указатель полярности прямого напряжения, приложенного между базой и эмиттером, которое “открывает” (подобно выпрямительному диоду) транзистор. При использовании транзистора в электронных устройствах нужны два вывода для входного сигнала и два – для выходного.

Так как у транзистора всего лишь три вывода, один из них должен быть общим, принадлежащим одновременно и к входной, и к выходной цепи. Возможны три варианта схем включения транзисторов – с общей базой, общим эмиттером и с общим коллектором.

Схема с общей базой

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) показана на рис. 1.10. Входным сигналом для схемы с ОБ является напряжение, поданное между эмиттером и базой UBX = = UЭБ; выходным – напряжение, выделяемое на нагрузке Uвых = IкRн; входным током – ток эмиттера Iвх = IЭ; выходным током – ток коллектора Iвых = Iк.

Входное напряжение UЭБ является управляющим для транзистора, поэтому небольшое его изменение (па доли вольт) приводит к изменению тока эмиттера в очень широких пределах – практически от нуля до максимального. Максимальный ток определяется назначением транзистора (маломощные, средней мощности и большой мощности) и соответствующей конструкцией.

Так как напряжение UΚБ является обратным, величина напряжения внешнего источника Ек может в десятки раз превышать значение напряжения UЭБ. Падение напряжения, выделяемого на нагрузке, будет тем больше, чем больше ток коллектора, при этом на самом транзисторе будет падать лишь небольшое напряжение UКБ, которое будет тем меньше, чем больше ток коллектора.

Таким образом, изменение на доли вольт входного напряжения приводит к изменению напряжения на нагрузке, чуть меньшего, чем напряжение Ек. Это положение определяет усилительные свойства транзистора.

Для оценки работы транзистора и его усилительных свойств в различных схемах включения рассматривают приращения входных и вызванные ими приращения выходных величин. Рассматривая транзистор как усилитель, принято характеризовать его свойства коэффициентами усиления и значением входного сопротивления. Различают три вида коэффициентов усиления:

  • • коэффициент усиления по току КI = ΔIвых /ΔIвх;
  • • коэффициент усиления по напряжению КU = ΔUвых/ΔUвх;
  • • коэффициент усиления по мощности КР = КI • КU.

Отношение изменения входного напряжения к изменению входного тока: Rвх = ΔUвх/ΔIвх. Входное сопротивление любого усилителя приводит к искажению входного сигнала. Любой реальный источник сигнала обладает некоторым внутренним сопротивлением, и при подключении его к усилителю образуется делитель напряжения, состоящий из внутреннего сопротивления источника и входного сопротивления усилителя.

Поэтому чем выше входное сопротивление усилителя, тем большая часть сигнала будет выделяться на этом сопротивлении и усиливаться и тем меньшая его часть будет падать на внутреннем сопротивлении самого источника. Таким образом, КРБ тоже определяется соотношением сопротивлений. Так как коэффициент усиления схемы с ОБ по току КIБ оказывается меньше единицы, она применения не нашла.

Биполярные транзисторы. Виды и характеристики. Работа и устройство

Биполярные транзисторы это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подключенными к трем последовательно находящимся слоям, с различной проводимости. В отличие от других транзисторов, которые переносят один тип заряда, он способен переносить сразу два типа.

Схемы подключения, использующие биполярные транзисторы, зависят от производимой работы и типа проводимости. Проводимость может быть электронной, дырочной.

Разновидности биполярных транзисторов
Биполярные транзисторы разделяют по различным признакам на виды по:
  • Материалу изготовления: кремний или арсенид галлия.
  • Величине частоты: до 3 МГц – низкая, до 30 МГц – средняя, до 300 МГц – высокая, более 300 МГц – сверхвысокая.
  • Наибольшей рассеиваемой мощности: 0-0,3 Вт, 0,3-3 Вт, свыше 3 Вт.
  • Типу прибора: 3 слоя полупроводника с последовательной очередностью типа проводимости.
Устройство и работа

Слои транзистора, как внутренний, так и наружный, объединены с встроенными электродами, которые имеют свои названия в виде базы, эмиттера и коллектора.

Особых отличий по видам проводимости у коллектора и эмиттера не наблюдается, однако процент включения примесей у коллектора намного меньше, что позволяет повысить допустимое напряжение на выходе.

Средний слой полупроводника (база) имеет большую величину сопротивления, так как выполнена из слаболегированного материала. Она контактирует с коллектором на значительной площади. Это позволяет повысить теплоотвод, который необходим вследствие выделения тепла от смещения перехода в другую сторону. Хороший контакт базы с коллектором дает возможность легко проходить электронам, которые являются неосновными носителями.

Слои перехода выполнены по одному принципу. Однако биполярные транзисторы считаются несимметричными приборами. При чередовании крайних слоев местами с одной проводимостью нельзя образовать подобные параметры полупроводника.

Схемы подключения транзисторов выполнены таким образом, что могут обеспечить ему как закрытое, так и открытое состояние. При активной работе, когда полупроводник открыт, смещение эмиттера выполнено в прямом направлении. Для полного понимания этой конструкции, нужно подключить напряжение питания по изображенной схеме.

При этом граница на 2-м переходе коллектора закрыта, ток через нее не идет. Практически возникает обратное явление ввиду рядом расположенных переходов, их влияния друг на друга. Так как к эмиттеру подсоединен минусовой полюс батареи, то переход открытого вида дает возможность электронам проходить на базу, в которой осуществляется их рекомбинация с дырками, являющимися главными носителями. Появляется ток базы Iб. Чем выше базовый ток, тем больше выходной ток. В этом заключается принцип действия усилителей.

По базе протекает только диффузионное движение электронов, так как нет работы электрического поля. Из-за малой толщины этого слоя и значительном градиенте частиц, практически все они поступают на коллектор, хотя база имеет большое сопротивление. На переходе имеется электрическое поле, которое способствует переносу и втягивает их. Токи эмиттера и коллектора одинаковые, если не считать малой потери заряда от перераспределения на базе: I э = I б + I к.

Характеристики
  • Коэффициент усиления тока β = Iк / Iб.
  • Коэффициент усиления напряжения Uэк / Uбэ.
  • Сопротивление на входе.
  • Характеристика частоты – возможность работы транзистора до определенной частоты, при выходе за границы которой процессы перехода опаздывают за изменением сигнала.
Режимы работ и схемы

Вид схемы влияет на режим действия биполярного транзистора. Сигнал может сниматься и отдаваться в двух местах для разных случаев, а электродов имеется три штуки. Следовательно, что один произвольный электрод должен быть сразу выходом и входом. По такому принципу подключаются все биполярные транзисторы, и имеют три вида схем, которые мы рассмотрим ниже.

Схема с общим коллектором

Сигнал проходит на сопротивление RL, которое также включено в цепь коллектора.

Такая схема подключения дает возможность создать всего лишь усилитель по току. Достоинством такого эмиттерного повторителя можно назвать образование значительного сопротивления на входе. Это дает возможность для согласования каскадов усиления.

Схема с общей базой

Сигнал входа проходит через С1, далее снимается в цепи выхода коллектора, где базовый электрод общий. В итоге образуется усиление напряжения по подобию с общим эмиттером.

В схеме можно найти недостаток в виде малого входного сопротивления. Схема с общей базой используется чаще всего в качестве генератора колебаний.

Схема с общим эмиттером

Чаще всего при использовании биполярных транзисторов выполняют схему с общим эмиттером. Напряжение проходит по сопротивлению нагрузки RL, к эмиттеру питание подключается отрицательным полюсом.

Сигнал переменного значения приходит на базу и эмиттер. В цепи коллектора он становится по значению больше. Главными элементами схемы являются резистор, транзистор и выходная цепь усилителя с источником питания. Дополнительными элементами стали: емкость С1, которая не дает пройти току на вход, сопротивление R1, благодаря которому открывается транзистор.

В цепи коллектора напряжение транзистора и сопротивления равны значению ЭДС: E= Ik R k +Vk e .

Отсюда следует, что малым сигналом Ec определяется правило изменения разности потенциалов в переменное выходное транзисторного преобразователя. Такая схема дает возможность увеличению тока входа во много раз, так же, как напряжению и мощности.

Из недостатков такой схемы можно назвать малое сопротивление на входе (до 1 кОм). Как следствие, возникают проблемы в образовании каскадов. Сопротивление выхода равно от 2 до 20 кОм.

Рассмотренные схемы показывают действие биполярного транзистора. На его работу влияет частота сигнала и перегрев. Для решения этого вопроса применяют дополнительные отдельные меры. Эмиттерное заземление образует на выходе искажения. Для создания надежности схемы, выполняют подключение фильтров, обратных связей и т.д. После таких мер, схема работает лучше, но уменьшается усиление.

Биполярные транзисторы в различных режимах

Транзистор взаимодействует с сигналами разных видов во входной цепи. В основном транзистор применяется в усилителях. Входной переменный сигнал изменяет ток на выходе. В этом случае используются схемы с общим эмиттером или коллектором. В цепи выхода для сигнала необходима нагрузка.

Чаще всего для этого применяют сопротивление, установленное в цепи выхода коллектора. При его правильном выборе, значение напряжения на выходе будет намного больше, чем на входе.

Во время преобразования сигнала импульсов режим сохраняется таким же, как для синусоидальных сигналов. Качество изменения гармоник определяется характеристиками частоты полупроводников.

Отсечка

Этот режим образуется при снижении напряжения VБЭ до 0,7 вольта. В таком случае переход эмиттера закрывается, и ток на коллекторе отсутствует, так как в базе отсутствуют электроны, и транзистор остается закрытым.

Активный режим

При подаче напряжения, достаточного для открытия транзистора, на базу, возникает малый ток входа и большой выходной ток. Это зависит от размера коэффициента усиления. В этом случае транзистор работает усилителем.

Читайте также:  Кабель ретро: описание и особенности наружной проводки своими руками
Режим насыщения

Эта работа имеет свои отличия от активного режима. Полупроводник открывается до конца, коллекторный ток достигает наибольшего значения. Его повышения можно добиться только путем изменения нагрузки, либо ЭДС выходной схемы. При корректировке тока базы ток коллектора не изменяется. Режим насыщения имеет особенности в том, что транзистор открыт полностью и работает переключателем. Если объединить режимы насыщения и отсечки биполярных транзисторов, то можно создать ключи.

Свойства характеристик выхода влияют на режимы. Это изображено на графике.

При отложении на осях координат отрезков, соответствующих наибольшему току коллектора и размеру напряжения, и далее, объединения концов друг с другом, образуется красная линия нагрузки. По графику видно: точка тока и напряжения сместится по линии нагрузки вверх при повышении базового тока.

Участок между заштрихованной характеристикой выхода и осью V ke является работа отсечки. В этом случае транзистор закрыт, а обратная величина тока мала. Характеристика в точке А вверху пересекается с нагрузкой, после которой при последующем повышении IВ ток коллектора уже не меняется. На графике участком насыщения является закрашенная часть между осью I k и наиболее крутым графиком.

Режим переключения

Транзисторные ключи служат для бесконтактных переключений в электрических цепях. Эта работа заключается в прерывистой регулировке величины сопротивления полупроводника. Биполярные транзисторы наиболее применимы в устройствах переключения.

Полупроводники применяются в схемах изменения сигналов. Их универсальная работа и широкая классификация дает возможность использовать транзисторы в различных цепях, которые определяют их возможности работы. Основными применяемыми схемами являются усиливающие, а также переключающие цепи.

Транзисторы: схема, принцип работы,​ чем отличаются биполярные и полевые

Транзистор — повсеместный и важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.

В частноти, его можно использовать как управляемую «заслонку»: отсутствием сигнала на «воротах» блокировать течение тока, подачей — разрешать. Иными словами: это кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения. В цифровой электронике такое применение наиболее распространено.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах: один и тот же транзистор может внешне выглядеть совершенно по разному. В прототипировании чаще остальных встречаются корпусы:

Обозначение на схемах также варьируется в зависимости от типа транзистора и стандарта обозначений, который использовался при составлении. Но вне зависимости от вариации, его символ остаётся узнаваемым.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:

Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель hfe также известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.

Например, если hfe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропустит через себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент, который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас». Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные 10 мА.

Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.

NPN и PNP

Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплав кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive — с избытком положительных (p-doped).

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N. PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется, когда через неё идёт ток.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Они позволяют оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах. А управление самой «заслонкой» осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов, не идёт.

Полевые транзисторы обладают тремя контактами:

N-Channel и P-Channel

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.

P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.

Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:

Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.

Обратите внимание на токоограничивающий резистор R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля. Главное — не превысить допустимый ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:

здесь Ud — это падение напряжения на самом транзисторе. Оно зависит от материала из которого он изготовлен и обычно составляет 0.3 – 0.6 В.

Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае — это 100 мА. Допустим для используемого транзистора hfe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА

Нам подойдёт резистор номиналом от 118 Ом до 4.7 кОм. Для устойчивой работы с одной стороны и небольшой нагрузки на чип с другой, 2.2 кОм — хороший выбор.

Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, можно обойтись без резистора:

это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.

Биполярные транзисторы: устройство, принцип и режимы работы, схема включения, применение, основные параметры

Биполярные транзисторы: устройство, принцип и режимы работы, схема включения, применение, основные параметры

Основной функцией биполярного транзистора (БТ) является увеличение мощности входного электрического сигнала. Эти полупроводниковые радиокомпоненты появились, как альтернатива электровакуумных триодов, и со временем практически вытеснили их из отрасли. Справедливости ради заметим, что лампы применяются и до сих пор, но в очень и очень узком сегменте аппаратуры специального назначения. В массовой же радиотехнике используются, в основном, транзисторы – биполярные и их ближайшие «родственники» полевые.

Ключевое преимущество этих элементов состоит в миниатюрности. Электровакуумный усилитель со схожими характеристиками оказывается в несколько раз крупнее биполярного транзистора. Вследствие этого применение БТ в радиоэлектронике приводит к существенному уменьшению габаритных размеров конечной радиотехнической продукции.

Биполярным данный транзистор называется из-за того, что в физических процессах, протекающих во время его функционирования, участвуют оба типа носителей заряда – и электроны, и дырки. Это оказывает влияние на принцип управления выходным сигналом. В биполярных транзисторах выходными параметрами управляет ток, а не электрическое поле, как в полевых (униполярных).

Устройство биполярного транзистора.

Этот полупроводниковый триод состоит из 3 частей – эмиттера, коллектора и базы. Таким образом, ключевыми элементами биполярного транзистора являются два p-n-перехода, а не один, как в полевых. Эмиттер исполняет функцию генератора носителей заряда, которые формируют рабочий ток, стекающий в приёмник – коллектор. База необходима для подачи управляющего напряжения.

Если рассматривать плоскую модель БТ, то радиокомпонент представляет собой две области с p- или n-проводимостью (эмиттер и коллектор), разделённые тонким слоем полупроводника с проводимостью обратного знака (база). Полупроводниковый кристалл со стороны коллектора физически крупнее. Такое соотношение обеспечивает правильную работу биполярного транзистора.

В зависимости от типа проводимости эмиттера, коллектора и базы различают PNP- и NPN-транзисторы. В принципе, они функционируют одинаково с той лишь разницей, что к ним прикладываются напряжения разной полярности. Выбор того или иного вида БТ определяется особенностями конкретных радиотехнических устройств.

Принцип работы биполярного транзистора.

При подключении эмиттера и коллектора к источнику питания создаются почти все условия для протекания тока. Однако свободному перемещению носителей заряда препятствует база, и для устранения этой помехи на неё подаётся напряжение смещения. В базовом слое полупроводника возникают физико-химические процессы электронно-дырочной рекомбинации, в результате которой через базу начинает течь небольшой ток. В результате p-n-переходы открывают путь потоку носителей заряда от эмиттера к коллектору.

Если ток, протекающий через базу, меняется по какому-то закону, то точно так же изменяется и мощный ток между эмиттером и коллектором. Следовательно, мы получаем на выходе биполярного транзистора такой же сигнал, как и на базе, но с более высокой мощностью. В этом и состоит усилительная функция биполярного транзистора.

Режимы работы.

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

  1. отсечка;
  2. активный режим;
  3. насыщение;
  4. барьерный режим.

Существует ещё так называемый инверсный режим, но он на практике не используется и интересен только при теоретических исследованиях поведения полупроводников. Поэтому опишем подробнее только четыре первых.

1. Отсечка.

В том случае, если разность потенциалов между эмиттером и базой ниже некоторого значения (примерно 0.6 Вольт), то база-эмиттерный p-n-переход оказывается закрытым, поскольку ток базы не возникает. В связи с этим коллекторный ток не протекает по той причине, что в базовом слое отсутствуют свободные электроны. Таким образом, транзистор переходит в состояние отсечки и сигнал не усиливает. Этот режим используется в цифровых схемах, когда БТ работает как ключ в положении «разомкнуто».

2. Активный режим.

В этом режиме радиокомпонент усиливает сигнал, то есть исполняет свою основную функцию. На базу подаётся разность потенциалов, которая открывает база-эмиттерный p-n-переход. Как следствие, в транзисторе начинают протекать токи коллектора и базы. Значение коллекторного тока вычисляется как арифметическое произведение величины тока базы и коэффициента усиления.

3. Насыщение.

В этот режим биполярный транзистор входит при увеличении тока базы до некоего предельного значения, при котором p-n-переходы полностью открываются. Значение тока, протекающего через БТ при его насыщении, зависит лишь от питающего напряжения и величины нагрузки в коллекторной цепи. В данном режиме входной сигнал не усиливается, ведь коллекторный ток не воспринимает изменений тока базы. Способность транзистора к переходу в насыщение используется в цифровой технике, когда БТ играет роль ключа в замкнутом положении.

4. Барьерный режим.

Здесь транзистор работает как диод с последовательно включённым резистором. Для этого базу напрямую или через малоомное сопротивление соединяют с коллектором. В данном режиме триоды хорошо показывают себя в высокочастотных устройствах. Кроме того, использование транзистора в барьерном режиме целесообразно на реальном производстве для снижения общего количества комплектующих.

Схемы включения биполярных транзисторов.

Полупроводниковый триод может включаться в электрическую цепь по одной из трёх схем – с общим эмиттером, с общим коллектором и с общей базой. В зависимости от способа подключения различаются электрические параметры транзистора, что определяет выбор схемы в каждом конкретном случае.

При включении биполярного транзистора с общим эмиттером достигается максимальное усиление входного сигнала. Благодаря этому данная схема в усилительных каскадах применяется чаще всего.

Схема с общим коллектором по-другому называется эмиттерным повторителем. Это связано с тем, что разность потенциалов на коллекторе и эмиттере оказываются практически равными. При таком включении наблюдаются большое усиление по току, высокое входное сопротивление и совпадение фаз входного и выходного сигналов. Вследствие этого эмиттерные повторители используются в согласующих и буферных усилителях.

При включении БТ по схеме с общей базой отсутствует усиление по току, но значительным оказывается усиление по напряжению. Особенностью данного способа является малое влияние транзистора на сигналы высокой частоты. Это делает схему с общей базой предпочтительной для использования в устройствах СВЧ.

Основные параметры биполярных транзисторов:

  1. Максимально допустимый постоянный ток коллектора;
  2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером при заданном токе коллектора и сопротивлении в цепи база-эмиттер;
  3. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером при заданном токе коллектора и токе базы, равным нулю;
  4. Максимальное напряжение коллектор-база при заданном токе коллектора и токе эмиттера, равным нулю;
  5. Максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база при токе коллектора, равном нулю;
  6. Максимально допустимая постоянная мощность, рассеивающаяся на коллекторе;
  7. Статический коэффициент передачи тока;
  8. Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером;
  9. Обратный ток коллектора. Ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор-база и разомкнутом выводе эмиттера;
  10. Обратный ток эмиттера. Ток через эмиттерный переход при заданном обратном напряжении эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора;
  11. Граничная частота коэффициента передачи тока;
  12. Коэффициент шума;
  13. Емкость коллекторного перехода;
  14. Максимально допустимая температура перехода.

Добавить комментарий