Принцип работы транзисторов: Как работает транзистор [ПРОСТО И КРАТКО]

Как работает транзистор [ПРОСТО И КРАТКО]

Биполярные транзисторы. For dummies / Хабр

Предисловие

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:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Принцип действия транзистора, внутреннее устройство и основные характеристики транзисторов

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

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

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

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

Быполярные транзисторы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Статический коэффициент передачи тока базы h_21Э показывает, во сколько раз ток коллектора биполярного транзистора больше тока его базы, вызвавшего этот ток. У большинства типов транзисторов численное значение этого коэффициента от экземпляра к экземпляру может изменяться от 20 до 200. Есть транзисторы и с меньшим значением — 10…15, и с большим — до 50…800 (такие называют транзисторами со сверхусилением).

Нередко считают, что хорошие результаты можно получить только с транзисторами, имеющими большое значение h_21э. Однако практика показывает, что при умелом конструировании аппаратуры вполне можно обойтись транзисторами, имеющими h_2lЭ, равный всего 12…20. Примером этого может служить большинство конструкций, описанных в этой книге.

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

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

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

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

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

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

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

Что такое полевой транзистор

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

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

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

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

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

Основные параметры полевых транзисторов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 2. Напряжения питания для полевых транзисторов.

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

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

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

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

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

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

Устройство и принцип работы биполярного транзистора.

Всем доброго времени суток! В сегодняшней статье мы положим начало обсуждению очень важной и обширной темы, а именно транзисторам 🙂 Разберем теоретические аспекты работы, устройство, виды, рассмотрим принцип работы на практических примерах, методику расчета схем, в общем, постараемся затронуть абсолютно все!

Чтобы обсуждение было максимально структурированным и понятным, материал будет разбит на четкие разделы и разные статьи. А, поскольку транзисторы сразу же можно разделить на два крупных класса, а именно – биполярные и полевые, то так и поступим – начнем с подробного разбора биполярных и, изучив их полностью, перейдем к полевым.

Устройство биполярного транзистора.

И, первым делом, мы рассмотрим устройство биполярного транзистора и химические процессы, протекающие в нем. И в этом нам очень поможет статья о p-n переходе (ссылка), поскольку ключевые понятия мы будем использовать те же самые. Ведь транзистор есть ни что иное как три полупроводниковые области, которые формируют между собой два p-n перехода.

Кстати транзистор называется биполярным, потому что в переносе заряда участвуют и дырки, и электроны.

Итак, биполярный транзистор состоит из 3-х полупроводниковых областей. Причем тип примесной проводимости у этих областей чередуется:

То есть мы получаем два вида биполярных транзисторов – n-p-n и p-n-p. Давайте дальше все обсуждение строить на примере n-p-n транзисторов, суть для p-n-p будет такой же:

Называются эти три полупроводниковые области:

• эмиттер
• база
• коллектор

Тип проводимости эмиттера и коллектора одинаковый, но технологически они отличаются довольно значительно. Во-первых, общая область перехода база-эмиттер намного меньше общей области перехода база-коллектор. Зачем так сделано мы разберемся чуть позже. И, во-вторых, область коллектора содержит намного меньше примесей, чем область эмиттера.

Принцип работы биполярного транзистора.

Итак, транзистор содержит два p-n перехода (эмиттер-база и база-коллектор). Если не прикладывать к выводам транзистора никаких внешних напряжений, то на каждом из p-n переходов формируются области, обедненные свободными носителями заряда. Все в точности так же как здесь 🙂

В активном же режиме переход эмиттер-база (эмиттерный переход) имеет прямое смещение, а коллекторный переход – обратное.

Так как переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, то внешнее электрическое поле будет перемещать электроны из области эмиттера в область базы. Там они частично будут вступать во взаимодействие с дырками и рекомбинировать.

Но большая часть электронов доберется до перехода база-коллектор (это связано с тем, что область базы конструктивно выполняется очень тонкой и содержит небольшой количество примесей), который смещен уже в обратном направлении. И в этом случае внешнее электрическое поле снова будет содействовать электронам, а именно помогать им проскочить в область коллектора.

В результате получается, что ток коллектора приблизительно равен току эмиттера:

I_к = \alpha I_э

Коэффициент \alpha численно равен 0.9…0.99. В то же время:

I_э = I_б + I_к

А что произойдет, если мы увеличим ток базы? Это приведет к тому, что переход эмиттер-база откроется еще сильнее, и большее количество электронов смогут попасть в область коллектора (все по тому же маршруту, который мы обсудили 🙂 ). Давайте выразим ток эмиттера из первой формулы, подставим во вторую и получим:

I_э = \frac{I_к}{\alpha}

\frac{I_к}{\alpha} = I_б + I_к

Выражаем ток коллектора через ток базы:

I_к = \frac{\alpha}{1 – \alpha} I_б = \beta I_б

Коэффициент \beta обычно составляет 100-500. Таким образом, незначительный ток базы управляет гораздо большим током коллектора. В этом и заключается принцип работы биполярного транзистора!

Коэффициент, связывающий величину тока коллектора с величиной тока базы называют коэффициентом увеличения по току и обозначают h_{21}. Этот коэффициент является одной из основных характеристик биполярного транзистора. В следующих статьях мы будем рассматривать схемы включения транзисторов и подробнее разберем этот параметр и его зависимость от условий эксплуатации.

Режимы работы биполярного транзистора.

Итак, мы рассмотрели активный режим работы транзистора (переход эмиттер-база открыт, переход коллектор-база закрыт), не обойдем вниманием и другие 🙂

Режим отсечки. Оба p-n перехода закрыты. Причем важно отметить, что переход эмиттер-база открывается начиная с некоторого значения приложенного прямого напряжения (не с нуля). Это напряжение обычно составляет около 0.6 В. То есть в режиме отсечки либо оба перехода смещены в обратном направлении, либо коллекторный переход – в обратном, а эмиттерный – в прямом, но величина напряжения не превышает 0.6 В.

В данном режиме переходы сильно обеднены свободными носителями заряда и протекание тока практически полностью прекращается. Исключение составляют только малые побочные токи переходов. В идеальном случае (без токов утечки) транзистор в режиме отсечки эквивалентен обрыву цепи.

Режим насыщения. Оба перехода открыты, и в результате основные носители заряда активно перемещаются из коллектора и эмиттера в базу. В базе возникает избыток носителей заряда, ее сопротивление и сопротивление p-n переходов уменьшается и между эмиттером и коллектором начинает течь ток. В идеальном случае транзистор в таком режиме эквивалентен замыканию цепи.

Барьерный режим. Его мы обязательно еще разберем подробнее, вкратце, идея заключается в том, что база напрямую или через небольшое сопротивление соединена с коллектором. Это эквивалентно использованию диода с последовательно подключенным сопротивлением.

Вот и все самые основные режимы работы биполярного транзистора!

Еще очень многое нам предстоит обсудить в рамках изучения транзисторов, а на сегодня, заканчиваем статью! Спасибо за внимание и ждем вас на нашем сайте снова!

Биполярный транзистор — принцип работы для чайников!

Приветствую вас дорогие друзья! Сегодня речь пойдет о биполярных транзисторах и информация будет полезна прежде всего новичкам. Так что, если вам интересно что такое транзистор, его принцип работы  и вообще с чем его едят, то берем  стул по удобнее и подходим поближе.

Продолжим, и у нас тут есть содержание,  будет удобнее ориентироваться в статье 🙂

[contents]

Виды транзисторов

Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы.  Конечно можно было рассмотреть все виды транзисторов в одной статье, но мне не хочется варить кашу  у вас в голове. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Не будем все мешать в одну кучу  а уделим внимание каждому, индивидуально.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века. Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут  так.

Как вы можете видеть биполярные транзисторы имеют три вывода и конструктивно они могут выглядеть совершенно по разному. Но на электрических схемах они выглядят простенько и всегда одинаково. И все это графическое великолепие,  выглядит как-то так.

Это изображение транзисторов еще называют УГО (Условное графическое обозначение).

Причем биполярные транзисторы могут иметь различный тип проводимости. Есть транзисторы NPN типа и PNP типа.

Отличие n-p-n транзистора от p-n-p транзистора состоит лишь в том что является «переносчиком» электрического заряда (электроны или «дырки» ). Т.е. для p-n-p транзистора электроны перемещаются от эмиттера к коллектору и управляются базой. Для n-p-n транзистора электроны идут уже от коллектора к эмиттеру и управляются базой.    В итоге приходим к тому, что для того чтобы в схеме заменить транзистор одного типа проводимости на другой достаточно изменить полярность приложенного напряжения. Или тупо поменять полярность источника питания.

У биполярных транзисторов есть три вывода: коллектор, эмиттер и база. Думаю, что по УГО будет сложно запутаться, а вот в реальном транзисторе запутаться проще простого.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто  прозвонить транзистор мультиметром. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке (в области базы транзистора).

Слева изображена картинка для транзистора p-n-p типа,  при прозвонке  создается ощущение (посредством показаний мультиметра ), что перед вами два диода которые соединены в одной точке своими катодами. Для транзистора  n-p-n типа  диоды в точке базы соединены своими анодами. Думаю после экспериментов с мультиметром будет более понятно.

 Принцип работы биполярного транзистора

А сейчас мы попробуем разобраться как работает транзистор. Я не буду вдаваться в подробности внутреннего устройства транзисторов так как эта информация только запутывает. Лучше взгляните на этот рисунок.

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы  транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h31Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как 

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате  ток базы  отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора.  В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи.  Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы  эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Т.е. I=U/R

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи  того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате  мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается -лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе  может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти 🙂

Чтобы такого эффекта не происходило делают следующее. Между базой и эмиттером подключают еще один резистор  Rбэ. Этот резистор выбирают номиналом как минимум в 10 раз больше базового резистора Rб (В нашем случае  мы взяли резистор 4,3кОм).

Когда база подключена к какому-либо напряжению, то транзистор работает как надо, резистор Rбэ ему не мешает. На этот резистор расходуется лишь малая часть базового тока.

В случае, когда напряжение к базе не приложено, происходит подтяжка базы к потенциалу земли, что избавляет нас от всяческих наводок.

Вот в принципе мы разобрались с работой транзистора в ключевом режиме, причем как вы могли убедиться ключевой режим работы это своего рода усиление сигнала по напряжению. Ведь мы с помощью малого напряжения в 5В управляли напряжением в 12 В.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

Отличительной чертой схемы с общим коллектором от схемы с общим эмиттером (вариант с транзисторным ключем) является то, что эта схема не усиливает сигнал по напряжению. Что вошло через базу, то и вышло через эмиттер, с тем же самым напряжением.

Действительно допустим приложили к базе мы 10 вольт, при этом мы знаем что на переходе база-эмиттер высаживается где-то 0,6-0,7В. Выходит что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rн) будет напряжение базы минус 0,6В.

Получилось 9,4В, одним словом почти сколько вошло столько и вышло. Убедились, что по напряжению эта схема нам сигнал не увеличит.

«В чем же смысл тогда таком включении транзистора?»- спросите вы. А вот оказывается эта схема обладает другим очень важным свойством.  Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал по мощности. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока! Ток в нагрузке складывается из тока базы плюс ток коллектора. Но если сравнивать ток базы и ток коллектора то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Получается ток нагрузки равен току коллектора.  И в результате получилась вот такая формула.

Теперь я думаю понятно в чем суть  схемы эмиттерного повторителя, только это еще не все.

Эмиттерный повторитель обладает еще одним очень ценным качеством — высоким входным сопротивлением. Это означает, что эта транзисторная схема почти не потребляет ток входного сигнала и не создает нагрузки для схемы -источника сигнала.

Для понимания принципа работы транзистора этих двух транзисторных схем будет вполне достаточно. А если вы еще поэкспериментируете с паяльником в руках то прозрение просто не заставит себя ждать, ведь теория теорией а практика и личный опыт ценнее в сотни раз!

Где транзисторы купить?

Как и все другие радиокомпоненты транзисторы можно купить в  любом ближайшем  магазине радиодеталей. Если вы живете где-нибудь на окраине и о подобных магазинах не слышали (как я раньше) то остается последний вариант — заказать транзисторы в интернет- магазине. Я сам частенько заказываю радиодетали через интернет-магазины ведь в обычном оффлайн магазине может чего-нибудь просто не оказаться.

Впрочем если вы собираете устройство чисто для себя то можно не париться а добыть из старой, отслужившей свое техники и так сказать вдохнуть в старый радиокомпонет новую жизнь.

Чтож друзья, а на этом у меня все. Все, что планировал я сегодня вам рассказал. Если остались какие-либо вопросы, то задавайте их в комментариях, если вопросов нет то все равно пишите комментарии, мне всегда важно ваше мнение. Кстати не забывайте, что каждый кто впервые оставит комментарий получит подарок.

Также обязательно подпишитесь на новые статьи, потому что дальше вас ждет много интересного и полезного.

Желаю вам удачи, успехов  и солнечного настроения!

С н/п Владимир Васильев

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

Как работает биполярный транзистор | Volt-info

Если рассматривать механические аналоги, то работа транзисторов напоминает принцип действия гидравлического усилителя руля в автомобиле. Но, сходство справедливо только при первом приближении, поскольку в транзисторах нет клапанов. В этой статье мы отдельно рассмотрим работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора

Основой устройства биполярного транзистора является полупроводниковый материал. Первые полупроводниковые кристаллы для транзисторов изготавливали из германия, сегодня чаще используется кремний и арсенид галлия. Сначала производят чистый полупроводниковый материал с хорошо упорядоченной кристаллической решеткой. Затем придают необходимую форму кристаллу и вводят в его состав специальную примесь (легируют материал), которая придаёт ему определённые свойства электрической проводимости. Если проводимость обуславливается движением избыточных электронов, она определяется как донорная (электронная) n-типа. Если проводимость полупроводника обусловлена последовательным замещением электронами вакантных мест, так называемых дырок, то такая проводимость называется акцепторной (дырочной) и обозначается проводимостью p-типа.

 Рисунок 1.

Кристалл транзистора состоит из трёх частей (слоёв) с последовательным чередованием типа проводимости (n-p-n или p-n-p). Переходы одного слоя в другой образуют потенциальные барьеры. Переход от базы к эмиттеру называется эмиттерным (ЭП), к коллектору – коллекторным (КП). На рисунке 1 структура транзистора показана симметричной, идеализированной. На практике при производстве размеры областей значительно ассиметричны, примерно как показано на рисунке 2. Площадь коллекторного перехода значительно превышает эмиттерный. Слой базы очень тонкий, порядка нескольких микрон.

 Рисунок 2.

Принцип действия биполярного транзистора

Любой p-n переход транзистора работает аналогично диоду. При приложении к его полюсам разности потенциалов происходит его «смещение». Если приложенная разность потенциалов условно положительна, при этом p-n переход открывается, говорят, что переход смещён в прямом направлении. При приложении условно отрицательной разности потенциалов происходит обратное смещение перехода, при котором он запирается. Особенностью работы транзистора является то, что при положительном смещении хотя бы одного перехода, общая область, называемая базой, насыщается электронами, или электронными вакансиями (в зависимости от типа проводимости материала базы), что обуславливает значительное снижение потенциального барьера второго перехода и как следствие, его проводимость при обратном смещении.

Режимы работы

Все схемы включения транзистора можно разделить на два вида: нормальную и инверсную.

 Рисунок 3.

Нормальная схема включения транзистора предполагает изменение электрической проводимости коллекторного перехода путём управления смещением эмиттерного перехода.

Инверсная схема, в противоположность нормальной, позволяет управлять проводимостью эмиттерного перехода посредством управления смещением коллекторного. Инверсная схема является симметричным аналогом нормальной, но в виду конструктивной асимметрии биполярного транзистора малоэффективна для применения, имеет более жёсткие ограничения по максимально допустимым параметрам и практически не используется.

При любой схеме включения транзистор может работать в трёх режимах: Режим отсечки, активный режим и режим насыщения.

Для описания работы направление электрического тока в данной статье условно принято за направление электронов, т.е. от отрицательного полюса источника питания к положительному. Воспользуемся для этого схемой на рисунке 4.

Рисунок 4.

Режим отсечки

Для p-n перехода существует значение минимального напряжения прямого смещения, при котором электроны способны преодолеть потенциальный барьер этого перехода. То есть, при напряжении прямого смещения до этой пороговой величины через переход не может протекать ток. Для кремниевых транзисторов величина такого порога равна примерно 0,6 В. Таким образом, при нормальной схеме включения, когда прямое смещение эмиттерного перехода не превышает 0,6 В (для кремниевых транзисторов), ток через базу не протекает, она не насыщается электронами, и как следствие отсутствует эмиссия электронов базы в область коллектора, т.е. ток коллектора отсутствует (равен нулю).

Таким образом, для режима отсечки необходимым условием являются тождества:

U_БЭ<0,6 В

или

I_Б=0

Активный режим

В активном режиме эмиттерный переход смещается в прямом направлении до момента отпирания (начала протекания тока) напряжением больше 0,6 В (для кремниевых транзисторов), а коллекторный – в обратном. Если база обладает проводимостью p-типа, происходит перенос (инжекция) электронов из эмиттера в базу, которые моментально распределяются в тонком слое базы и почти все достигают границы коллектора. Насыщение базы электронами приводит к значительному уменьшению размеров коллекторного перехода, через который электроны под действием отрицательного потенциала со стороны эмиттера и базы вытесняются в область коллектора, стекая через вывод коллектора, обуславливая тем самым ток коллектора. Очень тонкий слой базы ограничивает её максимальный ток, проходящий через очень малое сечение поперечного разреза в направлении вывода базы. Но эта малая толщина базы обуславливает её быстрое насыщение электронами. Площадь переходов имеет значительные размеры, что создаёт условия для протекания значительного тока эмиттер-коллектор, в десятки и сотни раз превышающий ток базы. Таким образом, пропуская через базу незначительные токи, мы можем создавать условия для прохождения через коллектор токов гораздо большей величины. Чем больше ток базы, тем больше её насыщение, и тем больше ток коллектора. Такой режим позволяет плавно управлять (регулировать) проводимостью коллекторного перехода соответствующим изменением (регулированием) тока базы. Это свойство активного режима транзистора используется в схемах различных усилителей.

В активном режиме ток эмиттера транзистора складывается из тока базы и коллектора:

I_Э=I_К+I_Б

Ток коллектора можно выразить соотношением:

I_К=αI_Э

где α – коэффициент передачи тока эмиттера

Из приведённых равенств можно получить следующее:

где β – коэффициент усиления тока базы.

Режим насыщения

Предел увеличения тока базы до момента, когда ток коллектора остаётся неизменным определяет точку максимального насыщения базы электронами. Дальнейшее увеличение тока базы не будет изменять степень её насыщения, и ни как не будет влиять на ток коллектора, может привести к перегреву материала в области контакта базы и выходу транзистора из строя. В справочных данных на транзисторы могут быть указаны величины тока насыщения и максимально допустимого тока базы, либо напряжения насыщения эмиттер-база и максимально допустимого напряжения эмиттер-база. Эти пределы определяют режим насыщения транзистора при нормальных условиях его работы.

Режим отсечки и режим насыщения эффективны при работе транзисторов в качестве электронных ключей для коммутации сигнальных и силовых цепей.

Отличие в принципе работы транзисторов с различными структурами

Выше был рассмотрен случай работы транзистора n-p-n структуры. Транзисторы p-n-p структуры работают аналогично, но есть принципиальные отличия, которые следует знать. Полупроводниковый материал с акцепторной проводимостью p-типа обладает сравнительно низкой пропускной способностью электронов, так как основан на принципе перехода электрона от одного вакантного места (дырки) к другому. Когда все вакансии замещены электронами, то их движение возможно только по мере появления вакансий со стороны направления движения. При значительной протяжённости участка такого материала он будет обладать значительным электрическим сопротивлением, что приводит к большим проблемам при его использовании в качестве наиболее массивных коллекторе и эмиттере биполярных транзисторов p-n-p типа, чем при использовании в очень тонком слое базы транзисторов n-p-n типа. Полупроводниковый материал с донорной проводимостью n-типа обладает электрическими свойствами проводящих металлов, что делает его более выгодным для использования в качестве эмиттера и коллектора, как в транзисторах n-p-n типа.

Эта отличительная особенность различных структур биполярных транзисторов приводит к большим затруднениям при производстве пар компонент с различными структурами и аналогичными друг другу электрическими характеристиками. Если обратить внимание на справочные данные характеристик пар транзисторов, можно заметить, что при достижении одинаковых характеристик двух транзисторов различных типов, например КТ315А и КТ361А, несмотря на их одинаковую мощность коллектора (150 мВт) и примерно одинаковый коэффициент усиления по току (20-90), у них отличаются максимально допустимые токи коллектора, напряжения эмиттер-база и пр.

P.S. Данное описание принципа действия транзистора было интерпретировано с позиции Русской Теории, поэтому здесь нет описания действия электрических полей на вымышленные положительные и отрицательные заряды. Русская Физика даёт возможность пользоваться более простыми, понятными механическими моделями, наиболее приближенными к действительности, чем абстракции в виде электрических и магнитных полей, положительных и электрических зарядов, которые вероломно подсовывает нам традиционная школа. По этой причине не рекомендую без предварительного анализа и осмысления пользоваться изложенной теорией при подготовке к сдаче контрольных, курсовых и иных видов работ, Ваши преподаватели могут просто не принять инакомыслие, даже конкурентоспособное и вполне состоятельное с точки зрения здравого смысла и логики. Кроме того, с моей стороны это первая попытка описания работы полупроводникового прибора с позиции Русской Физики, может уточняться и дополняться в дальнейшем.

Транзистор — принцип работы.Основные параметры.

Как устроен транзистор.

Вне зависимости от принципа работы,
полупроводниковый транзистор содержит в себе монокристалл из основного полупроводникового материала,
чаще всего это — кремний, германий, арсенид галлия.
В основной материал добавлены, легирующие добавки для формирования p-n перехода(переходов),
металлические выводы.

Кристалл помещается в металлический, пластиковый или керамический корпус, для защиты от
внешних воздействий.
Однако, существуют также и бескорпусные транзисторы.

Принцип работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор может быть либо p-n-p, либо n-p-n в зависимости от чередования слоев полупроводника
в кристалле. В любом случае выводы называются — база, коллектор и эмиттер.
Слой полупроводника, соответствующий базе заключен между слоями эмиттера и коллектора.
Он имеет принципиально очень малую ширину.
Носители заряда движутся от эмиттера через базу — к коллектору.
Условием возникновения тока между коллектором и эмиттером является наличие свободных носителей
в области базы. Эти носители проникают туда при возникновении тока эмиттер-база. причиной которого
может являться разность напряжения между этими электродами.

Т.е. — для нормальной работы биполярного транзистора в качестве усилителя сигнала
всегда необходимо присутствие напряжения некого минимального уровня, для смещения перехода эмиттер-база в
прямом направлении.
Прямое смещение перехода база-эмиттер приоткрывая транзистор, задает
так называемую — рабочую точку режима. Для гармоничного усиления сигнала по напряжению и току используют
режим — А. В этом режиме напряжение между коллектором
и нагрузкой, примерно равно половине питающего напряжения — т. е выходное сопротивление транзистора
и нагрузки примерно равны . Если подавать теперь на переход база — эмиттер
сигнал переменного тока, СОПРОТИВЛЕНИЕ эмиттер — коллектор будет изменяться, графически повторяя
форму входного сигнала. Соответственно, то же будет происходить и с током через эмиттер к коллектору
протекающим. Причем амплитуда тока будет большей, нежели амплитуда
входного сигнала — будет происходить усиление сигнала.

Если увеличивать напряжение смещения база — эмиттер дальше, это приведет к росту
тока в этой цепи, и как результат — еще большему росту тока эмиттер — коллектор.
В конце, концов ток перестает расти — транзистор переходит в полностью открытое
состояние(насыщения). Если затем убрать напряжение смещения — транзистор закроется,
ток эмиттер — коллектор уменьшится, почти исчезнет. Так транзистор может работать
в качестве электронного ключа. Этот режим наиболее эффективен в отношении
управления мощностями, при протекании тока через полностью открытый транзистор величина падения напряжения
минимальна. Соответственно малы потери тока и нагрев переходов транзистора.

Существует три вида подключения биполярного транзистора.
С общим эмиттером (ОЭ) — осуществляется усиление как по току, так и по напряжению — наиболее
часто применяемая схема.
Усилительные каскады построенные подобным образом, легче согласуются между собой,
так как значения их входного и выходного сопротивления относительно близки, если
сравнивать с двумя остальными видами включения (хотя иногда и отличаются в десятки раз).

С общим коллектором (ОК) осуществляется усиление только по току — применяется для согласования
источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением(импендансом) и низкоомными сопротивлениями нагрузок.
Например, в выходных каскадах усилителей и контроллеров.

С общей базой (ОБ) осуществляется усиление только по напряжению. Имеет низкое входное и высокое
выходное сопротивление и более широкий частотный диапазон. Это позволяет использовать подобное включение для согласования
источников сигнала с низким внутренним сопротивлением(импендансом) с последующим каскадом
усиления. Например — в входных цепях радиоприемных устройств.

Принцип работы полевого транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный имеет три электрода.
Они носят названия — сток, исток и затвор.
Если на затворе отсутствует напряжение, а на сток подано положительное напряжение
относительно истока, то между истоком и стоком через канал течет максимальный
ток.

Т. е. — транзистор полностью открыт.
Для того, что бы его изменить, на затвор подают отрицательное напряжение, относительно истока.
Под действием электрического поля (отсюда и название транзистора) канал сужается,
его сопротивление растет, а ток через него уменьшается.
При определенном значении напряжения канал сужается до такой степени, что ток
практически исчезает — транзистор закрывается.

На рисунке изображено устройство полевого транзистора с изолированным затвором(МДП).

Если на затвор этого прибора не подано положительное напряжение, то канал между
истоком и стоком отсутствует и ток равен нулю.
Транзистор полностью закрыт.
Канал возникает при некотором минимальном напряжении на затворе(напряжение порога).
Затем сопротивление канала уменьшается, до полного открывания транзистора.

Полевые транзисторы, как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) имеют следующие схемы включения:
с общим истоком (ОИ) — аналог ОЭ биполярного транзистора;
с общим стоком (ОС) — аналог ОК биполярного транзистора;
с общим затвором (ОЗ) — аналог ОБ биполярного транзистора.

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
маломощные транзисторы — до 100 мВт ;
транзисторы средней мощности — от 0,1 до 1 Вт;
мощные транзисторы — больше 1 Вт.

Важные параметры биполярных транзисторов.

1. Коэффициент передачи тока(коэффициент усиления) —
от 1 до 1000 при постоянном токе. С увеличением частоты постепенно снижается.
2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером(при разомкнутой базе)
У специальных высоковольтных транзисторов, достигает десятков тысяч вольт.
3.Предельная частота, до которой коэффициент передачи тока выше 1.
До 100000 гц. у низкочастотных транзисторов, свыше 100000 гц. — у высокочастотных.
4.Напряжение насыщения эмиттер-коллектор — величина падения напряжения между этими
электродами у полностью открытого транзистора.

Важные параметры полевых транзисторов.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются отношением приращения тока стока к вызвавшему
его приращению напряжения затвор — исток, т. е.

ΔI_d /ΔU_GS

Это отношение принято называть крутизной прибора, а по сути дела оно является передаточной проводимостью и
измеряется в миллиамперах на вольт(мА /В).

Другие важнейшие параметры полевых транзисторов приведены ниже:
1. I_Dmax — максимальный ток стока.

2.U_DSmax — максимальное напряжение сток-исток.

3.U_GSmax — максимальное напряжение затвор-исток.

4.Р_Dmax — максимальна мощность, которая может выделяться на приборе.

5.t_on — типовое время нарастания тока стока при идеально прямоугольной форме входного
сигнала.

6.t_off — типовое время спада тока стока при идеально прямоугольной форме входного
сигнала.

7.R_DS(on)max — максимальное значение сопротивления исток — сток в включенном(открытом) состоянии.

На главную страницу

Использование каких — либо материалов этой страницы,
допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».

5.2 Биполярный транзистор — Принцип работы

5.2 Биполярный транзистор — Принцип работы

Содержание — 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R S —

®

Транзистор с биполярным переходом состоит из двух p-n-переходов, которые имеют общую тонкую область шириной w _B . Контакты установлены ко всем трем областям: две внешние области, называемые эмиттером и коллектором, и средняя область, называемая базой.Структура биполярного транзистора NPN показана на рисунке 5.1 (а). Устройство называется «биполярным», поскольку в его работе задействованы оба типа мобильных носителей: электроны и дырки.

(а)

(б)

Рис. 5.1 (a) Структура и условные обозначения биполярного транзистора NPN. (b) Поток электронов и дырок при прямом активном смещении, В _BE > 0 и В _BC = 0.

Поскольку устройство состоит из двух встречных диодов, между квазинейтральными областями есть обедненные области. Ширина квазинейтральных областей в эмиттере, базе и коллекторе обозначена символами w _E ^‘ , w _B ^‘ и w _C ^‘ и составляет рассчитано от

, где ширина обедненной области определяется по формуле:

Знаки тока и напряжения показаны на Рисунке 5.1 (а). Ток базы и коллектора положительный, если положительный ток идет на контакт базы или коллектора.Ток эмиттера положительный для тока, выходящего из контакта эмиттера. Это также означает, что:

Напряжение база-эмиттер и напряжение база-коллектор положительные, если к контакту базы приложено более положительное напряжение.

Принцип работы устройства показан на Рисунке 5.1 (б). Мы рассматриваем режим прямого активного смещения, полученный путем прямого смещения перехода база-эмиттер и обратного смещения перехода база-коллектор.Чтобы упростить дальнейшее обсуждение, мы также устанавливаем V _CE = 0. Электроны диффундируют из эмиттера в базу, а дырки диффундируют из базы в эмиттер. Эта диффузия носителей идентична диффузии в p-n-переходе. Однако отличие состоит в том, что электроны могут диффундировать как неосновные носители через квазинейтральную область в базе. Как только электроны достигают обедненной области базового коллектора, они проходят через обедненный слой из-за электрического поля.Эти электроны вносят вклад в ток коллектора. Кроме того, есть еще два тока: базовый рекомбинационный ток и рекомбинация обедненного слоя.

Таким образом, полный ток эмиттера складывается из тока диффузии электронов, I _{E, n} , тока диффузии дырок, I _{E, p} , и тока рекомбинации обедненного слоя, I _{r, d} .

Полный ток коллектора — это ток диффузии электронов, I _{E, n} , минус базовый рекомбинационный ток, I _{r, B} .

Базовый ток представляет собой сумму дырочного диффузионного тока, I _{E, p} , базового рекомбинационного тока, I _{r, B} и тока рекомбинации обедненного слоя, I _{r, d} .

Транспортный коэффициент определяется как соотношение тока коллектора и эмиттера:

Используя текущий закон Кирхгофа и знаковое соглашение, показанное на рисунке 5.1 (а), мы находим, что базовый ток равен разности между токами эмиттера и коллектора. Коэффициент усиления по току определяется как отношение тока коллектора к току базы и составляет:

Это объясняет, как биполярный переходной транзистор может обеспечить усиление тока. Если ток коллектора почти равен току эмиттера, коэффициент переноса, a , приближается к единице.Текущее усиление, b , поэтому может стать намного больше единицы.

Чтобы облегчить дальнейший анализ, мы теперь перепишем коэффициент переноса, a , как произведение эффективности эмиттера, г _E , базового коэффициента переноса, a _T , и коэффициента рекомбинации слоя истощения. , д _р .

Эффективность эмиттера, г _E , определяется как отношение электронного тока в эмиттере, I _{E, n} , к сумме электронного и дырочного тока, диффундирующего через базу. эмиттерный переход, I _{E, n} + I _{E, p} .

Базовый транспортный коэффициент, a _T , равен отношению тока, обусловленного электронами, инжектированными в коллектор, к току, обусловленному электронами, инжектированными в базу.

Рекомбинация в обедненной области перехода база-эмиттер дополнительно снижает коэффициент усиления по току, поскольку увеличивает ток эмиттера без увеличения тока коллектора. Коэффициент рекомбинации обедненного слоя, d _r , равен отношению тока, обусловленного диффузией электронов и дырок через переход база-эмиттер, к полному току эмиттера:

5.1

®
5.

© Барт Дж. Ван Зегбрук, 1996, 1997, 1998

Основы транзисторов — типы, принцип работы и применение

Транзисторы также относятся к категории полупроводников. Они ответственны за революционные изменения в области электроники. Первый практический транзистор был представлен в 1927 году и известен как точечный транзистор Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли.

Сжатие размеров электронных устройств происходит только из-за изобретения транзисторов. Слово «транзистор» можно разделить на два основных слова. Самый первый «транс» называется передачей сигналов. Вторая часть слова — «истор», это свойство сопротивления, оказываемого на соответствующих переходах.

Обладает характеристиками переключателя. Он имеет возможность участвовать в процессе усиления, а также выпрямления сигналов, будь то сигналы напряжения или сигналы тока.

Что такое транзистор?

Цепь с низким сопротивлением участвует в передаче слабых сигналов в цепь с высоким сопротивлением. Этот тип схемы определяется как транзистор.

Конструкция транзистора

Транзистор формируется, в то время как два диода p-n перехода могут быть соединены таким образом, что оба задних конца соединены вместе. В середине соединенная область очень тонкая, что называется основанием.

Одна сторона называется эмиттером, а другая — коллектором.Таким образом построены транзисторы. Эмиттер находится справа от транзистора, а наличие коллектора можно наблюдать слева.

Типы транзисторов

Базовый транзистор можно разделить на два типа в зависимости от типа его конструкции. Один называется p-n-p, а другой — n-p-n. Конструкция этих p-n-p и n-p-n очень проста.

Транзистор с центром n-типа и обоими p-типами приводит к образованию p-n-p.Транзистор, сформированный с центром в виде p-типа и обоими n-типами с обеих сторон, приводит к образованию n-p-n.

Есть индикации, которые представлены стрелками, которые показывают обычные токи, протекающие в этом конкретном направлении. Это можно назвать единственной разницей между транзисторами n-p-n и p-n-p. Каждый транзистор имеет три основных вывода.

Эти три клеммы обозначены как

1. База
2. Излучатель
3. Коллектор

Базовые символы транзистора вместе с его клеммами

(1) База

Центр транзистора находится в центре .Он оказывает влияние на две цепи, одна из которых называется входной, а другая — выходной. Входной формируется за счет взаимодействия эмиттера и базы, а выходной — за счет коллектора и базы.

Более низкое сопротивление можно увидеть на входной цепи со стороны помех базы эмиттера. Более высокое сопротивление предлагается в выходной цепи базы и коллектора. Концентрация легирования у основания низкая. Размер основания тонкий.

(2) Эмиттер

Чтобы обеспечить постоянное питание большинства носителей заряда, соответствующий переход базы эмиттера должен иметь прямое смещение. Он легирован сильной консистенцией, так что большинство носителей может быть введено в основу. Размер излучателя будет умеренным.

(3) Коллектор

Как следует из названия, он действует как коллектор для большинства перевозчиков. Следовательно, это считается для сбора выходных сигналов. Это причина, по которой взаимодействующие части коллектора и базы остаются в обратном смещении.

Легирование коллектора умеренное, но его размер больше, чем у базы и эмиттера. Выше показаны выводы базового транзистора.

Принцип работы транзистора

Элемент, называемый кремнием, обычно является предпочтительным для конструкции транзистора. Кремний менее чувствителен к температуре. Он способен выдерживать высокие значения напряжения и большие диапазоны токов.

Как известно, эмиттерный базовый переход должен находиться в прямом смещении, а коллекторный базовый переход должен оставаться в обратном смещении.Из-за условия прямого смещения в переходе эмиттерной базы большая часть носителей входит в базу.

Это причина того, что базовый ток имеет тенденцию протекать через область базы. Этот ток имеет тенденцию течь к коллектору, и в ответ на это движение электронов наблюдается в области коллектора от базы.

Базовый ток также отвечает за создание вакансии на коллекторе. Но это небольшая величина.Как мы уже знаем, база транзистора всегда была слегка легированной.

Это причина того, что будет меньшее количество носителей заряда, таких как электроны, меньше по количеству по сравнению с эмиттером. Эти небольшие количества электронов взаимодействуют с дырками в основании, тогда как оставшееся количество электронов движется к коллектору.

Это открыло путь для генерации тока коллектора. Следовательно, колебания на базе могут составлять большой ток на коллекторе.

Режимы работы транзистора

Условия, которые приводят к различным режимам работы, определяются из-за переходов, сформированных на базе эмиттера и базы коллектора. Прямое смещение эмиттерного базового перехода и обратное смещение коллекторного базового перехода приводит к получению активной области этого конкретного транзистора, таким образом, на основе дополнительных условий смещения на переходе, различные рабочие режимы могут быть проанализированы.

(1) FR

Рассматривая случаи переходов эмиттер-база и коллектор-база, в этом случае эмиттерный базовый переход смещен в прямом направлении, тогда как коллекторный базовый переход имеет обратное смещение.Следовательно, эти условия приводят к тому, что транзистор работает в активной области. Когда он находится в активной области, токи на коллекторе зависят от тока на эмиттере.

(2) FF

В этом состоянии соединение базы эмиттера и базы коллектора находится под прямым смещением. Этот тип состояния приводит к тому, что транзистор находится в области насыщения. Эта область отвечает за то, чтобы ток на коллекторе не зависел от тока, генерируемого на эмиттере.

(3) RR

Следовательно, этот случай имеет дело с состоянием, когда оба перехода транзистора работают с обратным смещением. Что касается обратного смещения, то в схеме не наблюдается проводимости. Этот тип области известен как область отсечения.

Эмиттер на этом этапе не может снабжать большинство носителей заряда, и сбор этих носителей не может быть очевиден на коллекторе. В такой ситуации транзистор действует как замкнутый переключатель.

(4) RF

Эмиттерный базовый переход транзистора подключен с обратным смещением, тогда как коллекторный базовый переход в этом состоянии имеет прямое смещение. Поскольку коллектор имеет легкую консистенцию, он не может подавать основные носители заряда на соответствующую базу этого транзистора. Следовательно, действие транзистора в этом случае плохое.

Таким образом, в зависимости от типа смещения на стыке, определяются различные типы рабочих областей.Исходя из этого, делается смещение транзистора.

Применение и использование транзистора

В современном мире электроники все где-то или так или иначе зависит от электроники. Либо это может быть схема усиления, либо схема переключения, существуют различные типы транзисторов, которые могут использоваться для различных целей.

(1) В основном транзистор используется в качестве усилителя в различных типах генераторов, модуляторов и т. Д., Далее в области цифровых схем эти транзисторы могут использоваться для механизма переключения.

(2) В случае транзистора, когда на него падает свет, замечается генерация тока, они классифицируются как фототранзисторы.

(3) Исходя из требования, когда требуется протекание большого количества тока от эмиттера к коллектору, поддерживая минимальный ток базы, требуется транзистор с именем BJT.

(4) В устройствах, где требуется регулирование напряжений, используются полевые транзисторы (FET). Это потому, что он состоит из входного импеданса при более высоком значении, что приводит к минимизации текущего значения.

(5) В тех случаях, когда коэффициент усиления по току должен быть высоким, используется специальный тип транзисторов, называемый парой транзисторов Дарлингтона. Основное его применение — это уведомления при создании чувствительных сенсорных кнопок, потому что они способны определять величину токов на коже человека.

(6) В некоторых случаях требуется отводить высокие входные токи, чтобы предотвратить попадание транзистора в область насыщения.

(7) Если предположить, что более высокие значения токов должны быть переключены за меньшее время, для этой цели полезны лавинные транзисторы.

Выше приведены некоторые области применения и применения транзисторов. Таким образом обсуждаются основы транзисторов. У всех транзисторов по три вывода?

Как это работает »Электроника

Описание того, что такое транзистор, как работает биполярный транзистор, а также сведения о транзисторах NPN и PNP.

Transistor Tutorial:
Основы транзисторов
Усиление: Hfe, hfe и бета
Характеристики транзистора
Коды нумерации транзисторов и диодов
Выбор транзисторов на замену

Транзисторы лежат в основе современной электронной техники.Развитие биполярного транзистора или биполярного переходного транзистора, BJT, привело ко многим изменениям в мире.

Внедрение биполярного транзистора позволило использовать многие технологии, которые мы сегодня воспринимаем как должное: от портативных транзисторных радиоприемников до мобильных телефонов и компьютеров, удаленного управления, функций, которые мы принимаем как должное в современных автомобилях, и т. Д. . . . Все эти и многие другие предметы повседневного обихода стали возможны благодаря изобретению транзистора.

Сегодня биполярные транзисторы доступны во многих формах. Существует базовый транзистор с выводами или транзистор для поверхностного монтажа. Но транзисторы также широко используются в интегральных схемах. Большинство цифровых ИС используют технологию полевого эффекта, но многие аналоговые ИС используют биполярную технологию для обеспечения требуемой производительности.

Вместе с их полевыми транзисторами, полевыми транзисторами, родственниками, которые используют совершенно другой принцип, биполярный транзистор составляет основу большинства современного электронного оборудования, будь то дискретные устройства или интегральные схемы.

Выбор транзисторов с пластиковыми выводами

Разработка транзисторов

Полупроводниковая технология сейчас хорошо известна, но используется уже более ста лет. Первые полупроводниковые эффекты были замечены еще в начале 1900-х годов, когда использовались первые беспроводные или радиоприемники. В качестве детекторов исследовались различные идеи.

Термоэмиссионный клапан или технология вакуумных трубок была представлена ​​в 1904 году, но эти устройства были дорогими, а также требовали питания от батареи.Вскоре после этого был обнаружен детектор Cat’s Whisker. Он состоял из тонкой проволоки, помещенной на один из нескольких типов материала. Эти материалы известны сегодня как полупроводники и составляют основу современной электронной техники.

Примечание к истории транзисторов:

Биполярный транзистор был изобретен тремя исследователями, работающими в Bell Labroratories: Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли. Они работали над идеей, в которой для управления током в полупроводнике использовался эффект поля, но они не смогли реализовать эту идею.Они обратили свое внимание на другую возможность и создали трехконтактное устройство, используя два близко расположенных точечных контакта на пластине из германия. Эта идея сработала, и они смогли продемонстрировать, что она принесла прибыль в конце 1949 года.

Подробнее о История биполярных транзисторов

Старый биполярный транзистор OC71

После того, как была разработана основная идея, потребовалось некоторое время, прежде чем полупроводниковая технология была принята, но как только это произошло, она стала популярной, как мы знаем сегодня.

Что такое биполярный транзистор

стоит в двух словах определить, что такое биполярный транзистор:

Определение биполярного транзистора:

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей P-типа или N-типа — область одного типа зажата между областями другого. Транзистор в основном усиливает ток, но его можно включать в схемы, предназначенные для усиления напряжения или мощности.

Биполярный транзистор необходимо отличать от полевого транзистора.Биполярный транзистор, BJT, получил свое название от того факта, что в своей работе он использует как дырки, так и электроны. Полевые транзисторы — это униполярные устройства, использующие один или любой из типов носителей заряда.

Биполярный транзистор, или, точнее, биполярный транзистор с переходным соединением, BJT, имеет два PN-диодных перехода, соединенных спиной друг к другу. Биполярный транзистор имеет три вывода, которые называются эмиттер, база и коллектор.

Транзистор усиливает ток — биполярные транзисторы являются устройствами тока, в отличие от вакуумных ламп с термоэлектронными лампами и полевых транзисторов, которые являются устройствами напряжения.Ток, протекающий в цепи базы, влияет на ток, протекающий между коллектором и эмиттером.

Примечание по конструкции схемы транзистора:

Транзистор представляет собой трехполюсное устройство, обеспечивающее усиление по току. Существует три конфигурации, которые можно использовать для транзистора: общий эмиттер, общий коллектор и общая база. Каждый из них имеет разные сетевые характеристики, и, спроектировав схему на основе одной из этих конфигураций, можно достичь требуемых характеристик.

Подробнее о схеме биполярного транзистора

Структура транзистора базовая

Транзистор представляет собой устройство с тремя выводами и состоит из трех отдельных слоев. Два из них легированы, чтобы дать один тип полупроводника, а есть противоположный тип, то есть два могут быть n-типа и один p-тип, или два могут быть p-типа, а один может быть n-типом. расположены так, что два одинаковых слоя транзистора смещают слой противоположного типа.В результате эти полупроводниковые устройства обозначаются как транзисторы PNP или транзисторы NPN в зависимости от способа их изготовления.

Базовая структура и символы схем для транзисторов NPN и PNP

Названия трех электродов широко используются, но их значения не всегда понятны:

• База: База транзистора получила свое название из-за того, что в ранних транзисторах этот электрод служил базой для всего устройства.Первые транзисторы с точечным контактом имели два точечных контакта, размещенных на основном материале. Этот базовый материал сформировал базовое соединение. . . и название прижилось.
• Эмиттер: Эмиттер получил свое название от того факта, что он испускает носители заряда.
• Коллектор: Коллектор получил свое название от того факта, что он собирает носители заряда.

Для работы транзистора важно, чтобы область базы была очень тонкой.В современных транзисторах ширина базы обычно может составлять всего около 1 мкм. Тот факт, что базовая часть транзистора тонкая, является ключом к работе устройства

.

Как работает транзистор: основы

Транзистор можно рассматривать как два P-N перехода, соединенных спиной друг к другу. Один из них, а именно переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, в то время как другой переход с коллектором базы смещен в обратном направлении. Обнаружено, что когда ток течет в переходе база-эмиттер, больший ток течет в цепи коллектора, даже несмотря на то, что переход база-коллектор имеет обратное смещение.

Для наглядности взят пример NPN-транзистора. Те же рассуждения можно использовать для устройства PNP, за исключением того, что дырки являются основными носителями вместо электронов.

Когда ток течет через переход база-эмиттер, электроны покидают эмиттер и перетекают в базу. Однако легирование в этой области остается низким, и имеется сравнительно небольшое количество дырок, доступных для рекомбинации. В результате большая часть электронов может проходить прямо через базовую область и далее в область коллектора, притягиваясь положительным потенциалом.

Базовый режим работы транзистора
Показан режим работы транзистора NPN

Лишь небольшая часть электронов эмиттера объединяется с дырками в области базы, что приводит к возникновению тока в цепи база-эмиттер. Это означает, что ток коллектора намного выше.

Отношение между током коллектора и током базы обозначается греческим символом Β. Для большинства транзисторов с малым сигналом это значение может составлять от 50 до 500. В некоторых случаях оно может быть даже выше.Это означает, что ток коллектора обычно в 50-500 раз больше, чем ток в базе. Для транзистора большой мощности значение несколько меньше: 20 — довольно типичное значение.

Почему транзисторы NPN используются чаще, чем транзисторы PNP

Если посмотреть на схемы, а также на таблицы данных и т. Д., Можно заметить, что транзисторы NPN намного более популярны, чем транзисторы PNP.

На это есть несколько причин:

• Подвижность носителей: Транзисторы NPN используют электроны в качестве основных носителей, а не дырки, которые являются основными носителями в транзисторах PNP.Поскольку дырки перемещаются внутри кристаллической решетки гораздо легче, чем электроны, т.е.они имеют более высокую подвижность, они могут работать быстрее и обеспечивать гораздо лучший уровень производительности.
• Отрицательное заземление: С годами отрицательное заземление стало стандартом, например в автомобилях и т. д., а полярность транзисторов NPN означает, что базовые конфигурации транзисторов работают с отрицательным заземлением.
• Производственные затраты: Производство полупроводниковых компонентов на основе кремния наиболее экономично с использованием больших кремниевых пластин N-типа.Хотя производство транзисторов PNP возможно, требуется в 3 раза больше площади поверхности пластины, а это значительно увеличивает затраты. Поскольку стоимость полупроводниковых пластин составляет основную часть общей стоимости компонентов, это значительно увеличило производственные затраты на транзисторы PNP.

Биполярные транзисторы, BJT, были первой формой изобретенного транзистора, и они до сих пор очень широко используются во многих областях. Они просты в использовании, дешевы и имеют спецификации, отвечающие большинству требований.Они идеально подходят для многих схем, хотя, естественно, спецификация биполярного транзистора должна соответствовать спецификации схемы.

Другие электронные компоненты:
Резисторы
Конденсаторы
Индукторы
Кристаллы кварца
Диоды
Транзистор
Фототранзистор
Полевой транзистор
Типы памяти
Тиристор
Разъемы
Разъемы RF
Клапаны / трубки
Аккумуляторы
Переключатели
Реле

Вернуться в меню «Компоненты».. .

Как работают транзисторы? — Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 21 сентября 2020 г.

Ваш мозг содержит около 100 миллиардов клеток, называемых нейронами, — крошечных переключателей, которые позволяют вам думать и запоминать вещи.
Компьютеры содержат миллиарды
миниатюрных «клеток мозга». Их называют транзисторами и
они сделаны из кремния, химического элемента, обычно встречающегося в песке.
Транзисторы произвели революцию в электронике с момента их появления.
изобретен более полувека назад Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и
Уильям Шокли.Но что это такое и как они работают?

Фото: Насекомое с тремя ногами? Нет, типичный транзистор на электронной плате. Хотя простые схемы содержат отдельные транзисторы, подобные этому, сложные схемы внутри компьютеров также содержат микрочипы, каждый из которых может иметь тысячи, миллионы или сотни миллионов транзисторов, упакованных внутри. (Технически, если вас интересуют более интересные элементы, это кремниевый транзистор усилителя PNP 5401B. Я объясню, что все это означает сейчас.)

Что на самом деле делает транзистор?

Фото: Компактные слуховые аппараты были одними из первых применений транзисторов, а этот датируется концом 1950-х или 1960-х годов. Он был размером с колоду игральных карт, поэтому его можно было носить в кармане пиджака или на нем. С другой стороны корпуса есть микрофон, который улавливает окружающие звуки. Вы можете ясно видеть четыре маленьких черных транзистора внутри, усиливающих эти звуки, а затем выстреливающих их в маленький динамик, который находится у вас в ухе.

Транзистор действительно прост — и действительно сложен. Давайте начнем с
простая часть. Транзистор — это миниатюрный электронный компонент, который
может выполнять две разные работы. Может работать как усилитель или как переключатель:

• Когда он работает как усилитель, требуется
  в крошечном электрическом токе на одном конце (
  входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной
  ток) на другом. Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это входит
  действительно полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, одна из первых вещей
  люди использовали транзисторы для.В слуховом аппарате есть крошечный микрофон.
  который улавливает звуки из окружающего вас мира и превращает их в
  колеблющиеся электрические токи. Они подаются на транзистор, который
  усиливает их и приводит в действие крошечный громкоговоритель,
  так что вы слышите гораздо более громкую версию окружающих вас звуков.
  Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более подробном виде.
  юмористический способ: «Если взять тюк сена и привязать его к
  хвост мула, а затем чиркнуть спичкой и поджечь тюк сена,
  и если вы затем сравните энергию, израсходованную вскоре после этого,
  мул с энергией, затраченной вами на зажигание спички,
  вы поймете концепцию усиления.«
• Транзисторы также могут работать как переключатели. А
  крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может значительно увеличить
  ток течет через другую его часть. Другими словами, маленький
  ток переключается на больший. По сути, так работают все компьютерные микросхемы. Для
  например, микросхема памяти
  содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов,
  каждый из которых можно включать или выключать индивидуально. Поскольку каждый
  транзистор может находиться в двух различных состояниях, он может
  хранить два разных числа, ноль и единицу.С миллиардами транзисторов микросхема может хранить миллиарды нулей и единиц, и
  почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.

Самое замечательное в машинах старого образца было то, что вы могли
их отдельно, чтобы понять, как они работают. Это никогда не было слишком сложно, с
немного толкать и тыкать, чтобы узнать, какой бит сделал что и как один
вещь привела к другому. Но электроника совсем другая. Это все
об использовании электронов для управления электричеством.Электрон — это
минута
частица внутри атома. Он такой маленький, весит чуть меньше
0.000000000000000000000000000001 кг! Самые современные транзисторы работают
контролируя движения отдельных электронов, чтобы вы могли
представьте, насколько они маленькие. В современном компьютерном чипе размер
ноготь, вы, вероятно, найдете от 500 миллионов
и два миллиарда отдельных транзисторов. Нет шанса разобрать транзистор, чтобы узнать, как он
работает, поэтому мы должны понять это с помощью теории и воображения.Во-первых, это помогает, если мы знаем, из чего сделан транзистор.

Как делается транзистор?

Фото: Кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Транзисторы сделаны из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит
электричество (оно не позволяет электронам легко проходить через него).
Кремний — это полупроводник, а это значит, что он
ни на самом деле
проводник (что-то вроде металла, пропускающий электричество), ни
изолятор (что-то вроде пластика, не пропускающего электричество).Если
мы обрабатываем кремний примесями (процесс, известный как легирование),
мы можем заставить его вести себя по-другому
способ. Если мы добавим в кремний химические элементы мышьяк, фосфор,
или сурьма, кремний получает дополнительные «свободные» электроны — те, которые
может проводить электрический ток, поэтому электроны будут вытекать
об этом более естественно. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, кремний
обработанный таким образом, называется n-типом (отрицательный
тип). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор,
галлий и алюминий.В кремнии, обработанном таким образом, меньше таких
«свободные» электроны, поэтому электроны в соседних материалах будут стремиться втекать в него. Мы называем этот кремний p-типа (положительный тип).

Вкратце, мимоходом, важно отметить, что ни n-тип, ни p-тип кремния на самом деле не имеют заряда сам по себе : оба электрически нейтральны. Это правда, что кремний n-типа имеет дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как кремний p-типа имеет меньше этих свободных электронов, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом.В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) атомов примесей к кремнию, что изначально было нейтральных — и мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Для более подробного объяснения мне потребуется представить идею под названием
ленточная теория, что немного выходит за рамки данной статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «лишние электроны» означают дополнительные свободных электронов — те, которые могут свободно перемещаться и помогать переносить электрический ток.

Кремниевые бутерброды

Теперь у нас есть два разных типа кремния. Если мы сложим их вместе
слоями, делая бутерброды из материала p-типа и n-типа, мы можем сделать
различные виды электронных компонентов, которые работают во всех видах
способами.

Предположим, мы соединяем кусок кремния n-типа с частью p-типа
кремний и поместите электрические контакты с обеих сторон. Увлекательно и полезно
вещи начинают происходить на стыке двух
материалы. Если мы обратимся
по току, мы можем заставить электроны течь через переход от
сторона n-типа к стороне p-типа и наружу через цепь.Этот
происходит из-за отсутствия электронов на стороне p-типа
переход притягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но
если
мы меняем направление тока, электроны вообще не текут. Что мы
сделанный здесь называется диодом (или выпрямителем).
Это электронный
компонент, который позволяет току течь через него только в одном направлении. Это
полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в
постоянный (односторонний) ток. Диоды тоже можно сделать так, чтобы они испускали
светится, когда через них проходит электричество.Вы могли видеть эти
светодиоды на карманных калькуляторах и электронных
дисплеи на стереооборудовании Hi-Fi.

Как работает соединительный транзистор

Фотография: Типичный кремниевый PNP-транзистор (A1048, разработанный как усилитель звуковой частоты).

Теперь предположим, что вместо этого мы используем три слоя кремния в нашем сэндвиче.
из двух. Мы можем сделать бутерброд p-n-p (с ломтиком n-типа
кремний в качестве заполнения между двумя пластинами p-типа) или n-p-n
сэндвич (с p-типом между двумя плитами n-типа).Если мы
присоединить электрические контакты ко всем трем слоям сэндвича, мы можем
сделать компонент, который будет либо усиливать ток, либо включать его, либо
выключен — другими словами, транзистор. Посмотрим, как это работает в случае
n-p-n транзистор.

Итак, мы знаем, о чем говорим, давайте дадим имена трем
электрические контакты. Мы назовем два контакта, соединенных с двумя
кусочки кремния n-типа эмиттер и коллектор,
и контакт
соединенный с кремнием p-типа, который мы назовем базой.Когда нет
ток
протекает в транзисторе, мы знаем, что кремний p-типа не хватает
электронов (показаны здесь маленькими знаками плюс, обозначающими положительные
зарядов) и два куска кремния n-типа имеют лишние электроны
(показаны маленькими знаками минус, обозначающими отрицательные заряды).

Другой способ взглянуть на это — сказать, что в то время как n-тип имеет
избыток электронов, p-тип имеет дырки, где электроны
должно быть. Обычно отверстия в основании действуют как барьер, предотвращающий любые
значительный ток от эмиттера к коллектору при
транзистор находится в выключенном состоянии.

Транзистор работает, когда электроны и дырки начинают двигаться
через два перехода между кремнием n-типа и p-типа.

Давай
подключить транзистор к некоторой мощности. Допустим, мы прикрепляем небольшой
положительное напряжение на базу, сделать эмиттер отрицательно заряженным и
сделать коллектор положительно заряженным. Электроны вытягиваются из
эмиттер в базу, а затем из базы в коллектор. А также
транзистор переходит в состояние «включено»:

Малый ток, который мы включаем на базе, создает большой ток.
поток между эмиттером и коллектором.Повернув небольшой вход
ток в большой выходной ток, транзистор действует как усилитель. Но
в то же время он действует как переключатель. Когда нет тока
база, ток между коллектором и
эмиттер. Включите базовый ток, и течет большой ток. Итак, база
ток включает и выключает весь транзистор. Технически это
тип транзистора называется биполярным, потому что
два разных вида (или «полярностей») электрического заряда (отрицательные электроны и
положительные отверстия) участвуют в протекании тока.

Мы также можем понять транзистор, представив его как пару диодов. С
база положительная, а эмиттер отрицательная, переход база-эмиттер похож на прямое смещение
диод, с электронами, движущимися в одном направлении через переход (слева направо в
диаграмму) и отверстия, идущие в противоположную сторону (справа налево). База-коллектор
переход похож на диод с обратным смещением. Положительное напряжение коллектора тянет
большая часть электронов проходит через внешнюю цепь (хотя некоторые электроны рекомбинируют с дырками в основании).

Как работает полевой транзистор (FET)

Все транзисторы работают, управляя движением электронов, но
не все из них делают это одинаково. Подобно переходному транзистору, полевой транзистор
(полевой транзистор) имеет три разных контакта, но они
иметь названия источник (аналог эмиттера), сток
(аналогично
коллектор), и затвор (аналог цоколя). В полевом транзисторе
слои
Кремний n-типа и p-типа устроен несколько иначе и
покрытый слоями металла и оксида.Это дает нам устройство под названием
MOSFET (Металлооксидное полупроводниковое поле)
Эффектный транзистор).

Хотя в истоке и стоке n-типа есть лишние электроны,
они не могут перетекать от одного к другому из-за дыр в
ворота p-типа между ними. Однако если приложить положительный
напряжение на затвор, там создается электрическое поле, позволяющее
электроны перетекают по тонкому каналу от истока к стоку. Этот
«полевой эффект» позволяет току течь и включает транзистор:

Для полноты картины отметим, что полевой МОП-транзистор является однополярным.
транзистор потому что только один вид («полярность»)
электрического заряда участвует в его работе.

Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?

На практике вам не нужно ничего знать об этом
электроны и дыры, если вы не собираетесь
разрабатывать компьютерные чипы для заработка! Все, что вам нужно знать, это то, что
транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток
включить более крупный. Но есть еще одна вещь, которую стоит знать:
как все это помогает компьютерам хранить
информацию и принимать решения?

Мы можем соединить несколько транзисторных ключей, чтобы что-то сделать
называется логическим вентилем, который сравнивает несколько
входные токи и в результате дает другой выход.Логические ворота позволяют компьютерам создавать
очень простые решения с использованием математической техники, называемой булевой алгеброй. Точно так же и ваш мозг принимает решения. Например,
используя «входные данные» (то, что вы знаете) о погоде и о том, что у вас
свой коридор, вы можете принять такое решение: «Если идет дождь И я
есть зонтик, я пойду в
магазины «. Это пример булевой алгебры, в которой используется так называемое И
«оператор» (слово «оператор» — это всего лишь небольшой математический жаргон,
заставляют вещи казаться более сложными, чем они есть на самом деле).Ты можешь сделать
аналогичные решения с другими операторами. «Если ветрено ИЛИ идет снег,
тогда я надену пальто «- это
пример использования оператора ИЛИ. Или как насчет «Если идет дождь, И я
есть зонтик ИЛИ у меня пальто, тогда можно выходить на улицу «. Используя AND,
ИЛИ и другие операторы, вызываемые
Компьютеры NOR, XOR, NOT и NAND могут складывать или сравнивать двоичные числа.
Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логическая
серия инструкций, которые заставляют компьютеры действовать.

Обычно переходной транзистор выключен, когда нет базы.
ток и переключается в положение «включено», когда течет базовый ток.Это значит это
требует электрического тока для включения или выключения транзистора. Но
такие транзисторы можно подключить к логическим элементам, чтобы их выход
соединения возвращаются на свои входы. Транзистор
затем остается включенным, даже если базовый ток отключен. Каждый раз новый
база
ток течет, транзистор «щелкает» или выключается. Остается в одном из
эти стабильные состояния (включены или выключены) до тех пор, пока не появится другой ток
приходит и переворачивает его в другую сторону. Такая аранжировка
известен как триггер, и это превращает
транзистор в простой
запоминающее устройство, в котором хранится ноль (когда он выключен) или один (когда он
на).Шлепанцы — это основная технология, лежащая в основе компьютерных микросхем памяти.

Кто изобрел транзистор?

Изображение: оригинальный дизайн точечного транзистора, как изложено в
Патент Джона Бардина и Уолтера Браттейна в США (2 524 035), поданный в июне 1948 г. (примерно через шесть месяцев после
оригинальное открытие) и награжден 3 октября 1950 года. Это простой PN-транзистор с
тонкий верхний слой германия P-типа (желтый) на нижнем слое германия N-типа (оранжевый).Три контакта: эмиттер (E, красный), коллектор (C, синий) и база (G, зеленый).
Вы можете прочитать больше в оригинальном патентном документе, который указан в ссылках ниже.
Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

транзисторов были изобретены в Bell Laboratories в Нью-Джерси в 1947 году.
трех блестящих физиков США: Джона Бардина (1908–1991), Уолтера
Браттейн (1902–1987) и Уильям
Шокли (1910–1989).

Команда, возглавляемая Шокли, пыталась
разработать новый тип усилителя для телефонной системы США — но что
собственно изобретенные они оказались гораздо более распространенными
Приложения.Бардин и Браттейн создали первый практический транзистор
(известный как точечный транзистор) во вторник, 16 декабря 1947 года.
Хотя Шокли сыграл большую роль в этом проекте, он был
разъяренный и взволнованный из-за того, что его оставили в стороне. Вскоре после этого во время
остановиться в отеле на конференции по физике, единолично выяснил он
теория переходного транзистора — устройство гораздо лучше, чем
точечный транзистор.

В то время как Бардин ушел из Bell Labs, чтобы стать академиком (он продолжил
пользуются еще большим успехом при изучении сверхпроводников в Университете Иллинойса),
Браттейн остался на некоторое время, прежде чем уйти на пенсию, чтобы стать учителем.Шокли основал собственную компанию по производству транзисторов и помог вдохновить
современный феномен «Силиконовая долина» (процветающий район
вокруг Пало-Альто, Калифорния, где корпорации электроники
собраны). Двое его сотрудников, Роберт Нойс и Гордон Мур, ушли
чтобы основать Intel, крупнейшего в мире производителя микрочипов.

Бардин, Браттейн и Шокли ненадолго воссоединились несколько лет спустя, когда
они поделились лучшими научными достижениями мира
награда,
Нобелевская премия по физике 1956 г.,
за их открытие.Их история
захватывающий рассказ о
интеллектуальный талант борется с мелкой ревностью, и это хорошо
стоит прочтения
больше о. Вы можете найти отличные отчеты об этом среди книг и
веб-сайты, перечисленные ниже.

Принцип работы транзистора — MikroElektronika

4.1 Принцип работы транзистора

Транзисторы используются в аналоговых схемах для усиления сигнала. Они также используются в источниках питания в качестве регуляторов, и вы также найдете их в качестве переключателей в цифровых схемах.

Лучший способ изучить основы транзисторов — это поэкспериментировать. Ниже показана простая схема. Он использует силовой транзистор для освещения земного шара. Вам также понадобится аккумулятор, небольшая лампочка (взятая из фонарика) с характеристиками около 4,5 В / 0,3 А, линейный потенциометр (5 кОм) и резистор на 470 Ом. Эти компоненты должны быть подключены, как показано на рисунке 4.4a.

Рис. 4.4: Принцип работы транзистора: потенциометр перемещается в верхнее положение — напряжение на базе увеличивается — ток через базу увеличивается — ток через коллектор увеличивается — яркость шара увеличивается на .Резистор (R) на самом деле не нужен, но если вы его не используете, вы не должны поворачивать потенциометр (потенциометр) в его верхнее положение, потому что это разрушит транзистор — это потому, что напряжение постоянного тока UBE (напряжение между базой и эмиттером) для кремниевых транзисторов не должно превышать 0,6 В.
Поверните потенциометр в крайнее нижнее положение. Это доводит напряжение на базе (или, точнее, между базой и землей) до нуля вольт (UBE = 0). Лампочка не горит, значит, через транзистор не проходит ток.Как мы уже упоминали, нижнее положение потенциометров означает, что UBE равно нулю. Когда мы поворачиваем ручку из крайнего нижнего положения, UBE постепенно увеличивается. Когда UBE достигает 0,6 В, ток начинает поступать на транзистор, и земной шар начинает светиться. При дальнейшем повороте потенциометра напряжение на базе остается на уровне 0,6 В, но ток увеличивается, и это увеличивает ток через цепь коллектор-эмиттер. Если горшок повернуть полностью, базовое напряжение немного увеличится примерно до 0.75v, но ток значительно увеличится, и земной шар будет ярко светиться.
Если мы подключим амперметр между коллектором и лампочкой (для измерения IC), другой амперметр между горшком и цоколем (для измерения IB) и вольтметр между землей и цоколем и повторим весь эксперимент, мы найдем некоторые интересные данные. Когда горшок находится в низком положении, UBE равен 0 В, а также токи IC и IB. Когда горшок поворачивается, эти значения начинают расти, пока лампочка не начинает светиться, когда они: UBE = 0.6 В, IB = 0,8 мА и IB = 36 мА (если ваши значения отличаются от этих значений, это связано с тем, что используемый записывающим устройством 2N3055 не имеет тех же характеристик, что и тот, который вы используете, что является обычным при работе с транзисторами).
Конечный результат, который мы получаем из этого эксперимента, заключается в том, что при изменении тока на базе изменяется ток на коллекторе.
Давайте посмотрим на другой эксперимент, который расширит наши знания о транзисторе. Для этого требуется транзистор BC107 (или любой аналогичный транзистор малой мощности), источник питания (такой же, как в предыдущем эксперименте), резистор 1M, наушники и электролитический конденсатор, значение которого может находиться в диапазоне от 10u до 100 мкФ при любом рабочем напряжении.Из этих компонентов можно построить простой усилитель низкой частоты, как показано на диаграмме 4.5.

Рис. 4.5: Простой транзисторный усилитель

Следует отметить, что схема 4.5a аналогична схеме на 4.4a. Основное отличие в том, что к наушникам подключается коллектор. «Включающий» резистор — резистор на базе, 1М. Когда нет резистора, нет протекания тока IB и тока Ic. Когда резистор подключен к цепи, базовое напряжение равно 0.6В, а базовый ток IB = 4 мкА. Транзистор имеет усиление 250, а это означает, что ток коллектора будет 1 мА. Поскольку оба этих тока входят в транзистор, очевидно, что ток эмиттера равен IE = IC + IB. А поскольку базовый ток в большинстве случаев незначителен по сравнению с током коллектора, считается, что:

Соотношение между током, протекающим через коллектор, и током, протекающим через базу, называется коэффициентом усиления тока транзистора и обозначается как hFE.В нашем примере этот коэффициент равен:

Наденьте наушники и приложите кончик пальца к точке 1. Вы услышите шум. Ваше тело принимает «сетевое» напряжение переменного тока 50 Гц. Шум, слышимый в наушниках, — это напряжение, которое усиливается только транзистором. Поясним эту схему еще немного. Переменное напряжение с частотой 50 Гц подается на базу транзистора через конденсатор C. Напряжение на базе теперь равно сумме постоянного напряжения (примерно 0,6) через резистор R и переменного напряжения «от пальца».Это означает, что это базовое напряжение выше 0,6 В, пятьдесят раз в секунду и в пятьдесят раз немного ниже. Из-за этого ток на коллекторе превышает 1 мА в пятьдесят раз в секунду и в пятьдесят раз ниже. Этот переменный ток используется для сдвига мембраны громкоговорителей вперед пятьдесят раз в секунду и пятьдесят раз назад, что означает, что мы можем слышать тон 50 Гц на выходе.
Прослушивание шума 50 Гц не очень интересно, поэтому вы можете подключить к точкам 1 и 2 какой-нибудь источник низкочастотного сигнала (проигрыватель компакт-дисков или микрофон).Существуют буквально тысячи различных схем, использующих транзистор в качестве активного усилительного устройства. И все эти транзисторы работают так, как показано в наших экспериментах, а это означает, что, построив этот пример, вы фактически создаете базовый строительный блок электроники.

Как работает транзистор?

Спросил:

Тони Уилан

Ответ

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

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

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

Артикул:

Ответил:

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

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

ПЕРЕХОДНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

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

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

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

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

ТРАНЗИСТОРЫ ПОЛЕВОГО ЭФФЕКТА

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

Ответил:

Джастин Шорс, ученик старшей школы

Как работают транзисторы? — Utmel

Транзистор — это разновидность полупроводникового устройства, регулирующего ток. Его функция состоит в том, чтобы преобразовать слабый сигнал в электрический сигнал с большим значением амплитуды, и он также используется в качестве бесконтактного переключателя.

Транзистор — это полупроводниковое устройство, регулирующее ток. Его функция состоит в том, чтобы преобразовать слабый сигнал в электрический сигнал с большим значением амплитуды, и он также используется в качестве бесконтактного переключателя. Транзистор является одним из основных полупроводниковых компонентов, который выполняет функцию усиления тока и является основным компонентом электронной схемы. Транзистор состоит из двух PN-переходов, очень близко расположенных друг к другу на полупроводниковой подложке.Два PN-перехода делят весь полупроводник на три части. Средняя часть — это базовая область, а две стороны — области эмиттера и коллектора. PNP и NPN — это два типа договоренностей.

Каталог

Ⅰ Структура ядра транзисторов

транзистор

Ядром транзистора является переход « PN », который представляет собой два соединенных друг с другом PN перехода. PN-переход может быть комбинацией NPN или комбинацией PNP.Поскольку кремниевый тип NPN является основным потоком транзисторов, в следующем материале в качестве примера в основном используется кремниевый транзистор типа NPN.

Принципиальная схема структуры NPN-транзистора

Процесс производства кремниевого NPN-транзистора:

Вид структуры кристалла в разрезе:

Ⅱ Рабочее состояние транзисторов

1000 Состояние отсечки

Когда напряжение, приложенное к эмиттерному переходу транзистора, меньше, чем напряжение проводимости PN перехода, ток базы, ток коллектора и ток эмиттера равны нулю.Транзистор теряет эффект усиления тока, а коллектор и эмиттер равны в выключенном состоянии переключателя, мы называем транзистор в состоянии отсечки.

2 Активное состояние

Транзистор работает в активной области, когда эмиттерный переход транзистора смещен в прямом направлении, а коллекторный переход — в обратном. В активной области напряжение, приложенное к эмиттерному переходу транзистора, больше, чем напряжение включения PN перехода.И базовый ток управляет током коллектора, так что транзистор действует как усилитель, а его коэффициент усиления тока β = ΔIc / ΔIb. Мы называем транзистор в активном состоянии.

3 Состояние насыщения

Когда напряжение, приложенное к эмиттерному переходу транзистора, больше, чем напряжение проводимости PN перехода, и когда ток базы увеличивается до определенной степени, ток коллектора больше не увеличивается с увеличением тока базы.В это время транзистор теряет эффект усиления тока. Напряжение между коллектором и эмиттером очень мало, а коллектор и эмиттер эквивалентны включенному состоянию переключателя. Это состояние транзистора называется состоянием насыщенной проводимости.

По уровню напряжения каждого электрода, когда транзистор работает, можно судить о рабочем состоянии транзистора. Персонал по обслуживанию электроники часто использует мультиметр для измерения напряжения на каждом выводе транзистора в процессе обслуживания, чтобы определить рабочее состояние и рабочее состояние транзистора.

Ⅲ Теоретический принцип работы транзисторов

Существует два типа транзисторов в зависимости от материалов: германиевые трубки и кремниевые трубки. Каждый из них имеет две структурные формы, NPN и PNP, но наиболее часто используются кремниевые NPN и германиевые транзисторы PNP. Полупроводники N-типа добавляют фосфор в кремний высокой чистоты, чтобы заменить некоторые атомы кремния, чтобы создать стимуляцию свободной электронной проводимости под напряжением. P означает положительный. В полупроводниках P-типа вместо кремния добавляется бор, который создает большое количество дырок для облегчения проводимости.За исключением разницы в полярности источника питания, два принципа работы одинаковы. Следующее только знакомит с принципом усиления тока кремниевых трубок NPN.

Транзистор NPN и транзистор PNP

Для транзистора NPN он состоит из двух полупроводников N-типа и полупроводника P-типа посередине. PN-переход, образованный между эмиттерной областью и базовой областью, называется эмиттерным переходом, а PN-переход, образованный коллекторной областью и базовой областью, называется коллекторным переходом.Эти три вывода называются эмиттер e, база b и коллектор c.

Когда потенциал в точке b выше потенциала в точке e на несколько вольт, эмиттерный переход находится в прямом смещенном состоянии. Когда потенциал в точке C на несколько вольт выше, чем потенциал в точке b, коллекторный переход находится в состоянии обратного смещения, и коллекторная мощность Ec выше, чем базовая мощность Eb.

При изготовлении транзистора основная концентрация носителей в области эмиттера сознательно делается больше, чем в базовой области.При этом базовая область делается очень тонкой, а содержание примесей необходимо строго контролировать. Таким образом, после включения питания эмиттерный переход смещается положительно. Основные носители (электроны) в эмиттерной области и основные носители (дырки) в базовой области легко диффундируют друг к другу через эмиттерный переход. Концентрационная база первого больше, чем второго, поэтому ток через эмиттерный переход в основном представляет собой поток электронов, который называется потоком электронов эмиттера.

Из-за тонкой области базы и обратного смещения коллекторного перехода большая часть электронов, инжектированных в область базы, пересекает коллекторный переход и попадает в область коллектора, образуя ток коллектора Ic, оставляя только несколько (1-10 %) электроны. Эти электроны рекомбинируются в отверстиях базовой области, и рекомбинированные дырки в базовой области перезаряжаются базовым источником питания Eb, таким образом формируя базовый ток Ibo. По принципу непрерывности тока:

Ie = Ib + Ic

Это означает, что добавлением небольшого Ib к базе можно получить больший Ic на коллекторе.Это так называемое усиление тока. Ic и Ib поддерживают определенное пропорциональное соотношение, а именно:

β1 = Ic / Ib

В формуле: β1 — коэффициент усиления постоянного тока,

Отношение изменения тока коллектора △ Ic к изменению тока базы. △ Ib:

β = △ Ic / △ Ib

В формуле β называется коэффициентом усиления переменного тока. Поскольку значения β1 и β не сильно различаются на низких частотах, иногда для удобства их не различают строго, а значение β составляет от десятков до более чем ста.

α1 = Ic / Ie (Ic и Ie — токи в цепи постоянного тока)

Формула: α1 также называется коэффициентом усиления постоянного тока, который обычно используется в схеме усилителя общей базовой конфигурации для описания взаимосвязи. между током эмиттера и током коллектора.

α = △ Ic / △ Ie

α в выражении — это увеличение переменного тока общей базы. Точно так же нет большой разницы между α и α1, когда на вход подается слабый сигнал.

Для двух увеличений, описывающих соотношение тока, соотношение следующее:

Эффект усиления тока транзистора на самом деле заключается в использовании небольшого изменения тока базы для управления огромным изменением тока коллектора. Транзистор является своего рода устройством усилителя тока, но на практике эффект усилителя тока транзистора часто преобразуется в эффект усилителя напряжения через резистор.

Ⅳ Принцип усиления транзисторов

1 Эмиттер излучает электроны на базу

Источник питания Ub добавляется к эмиссионному переходу через резистор Rb.Эмиссионный переход смещен в прямом направлении, и большинство носителей (свободных электронов) в эмиссионной области непрерывно пересекают эмиссионный переход и входят в базовую зону, образуя эмиттерный ток Ie. В то же время основные носители в базовой области диффундируют в область излучения, но поскольку концентрация основных носителей намного ниже, чем концентрация носителей в области излучения, этим током можно пренебречь, поэтому можно считать, что излучение переход представляет собой в основном поток электронов.

2 Диффузия и рекомбинация электронов в базе

После того, как электроны попадают в область базы, они сначала концентрируются около эмиттерного перехода, постепенно образуя разницу концентраций электронов. Из-за разницы концентраций поток электронов продвигается к диффузии в основании к коллекторному переходу и втягивается в коллектор электрическим полем коллекторного перехода. Он называется током коллектора Ic.Также имеется небольшая часть электронов (поскольку базовая область очень тонкая) рекомбинирована с дырками в базовой области, и отношение диффузного электронного потока к составному электронному потоку определяет усилительную способность транзистора.

3 Собирать электроны в коллекторе

Поскольку обратное напряжение, приложенное к коллекторному переходу, очень велико, сила электрического поля, создаваемая этим обратным напряжением, будет препятствовать диффузии электронов в области коллектора в базовую область .В то же время электроны, диффундирующие около коллекторного перехода, будут втягиваться в коллекторную область, чтобы сформировать основной ток коллектора Icn. Кроме того, неосновные носители (дырки) в области коллектора также будут дрейфовать и течь в базовую область, образуя обратный ток насыщения, который представлен Icbo. Его величина очень мала, но он чрезвычайно чувствителен к температуре.

Ⅴ Схема усилителя на транзисторах

1 Базовая структура

Базовая схема усилителя — это базовый блок, который составляет сложную схему усилителя.Он использует характеристики входного тока биполярного полупроводникового транзистора для управления выходным током или характеристики входного напряжения полевого полупроводникового транзистора для управления выходным током для реализации усиления сигнала.

Базовая схема усилителя

Базовая схема усилителя обычно относится к схеме усилителя, состоящей из транзистора или полевой лампы. С точки зрения схемы, базовая схема усилителя может рассматриваться как двухпортовая сеть.Роль усиления отражается в следующих аспектах:

1) Схема усилителя в основном использует функцию управления транзистора или полевой трубки для усиления слабого сигнала. Выходной сигнал усиливается по амплитуде напряжения или тока, а энергия выходного сигнала усиливается.

2) Энергия выходного сигнала фактически обеспечивается источником питания постоянного тока, но она преобразуется в энергию сигнала посредством управления транзистором и подается на нагрузку.

2 Состав схемы

Существует три различных конфигурации схемы транзистора: общий эмиттер, общая база и общий коллектор. Эти три схемы конфигурации имеют разные характеристики. Возможны различные конфигурации однотранзисторного усилителя.

Цепь с общим эмиттером, входной цикл и выходной цикл прошли эмиттер транзистора

Цепь с общей базой, входной цикл и выходной цикл прошли базу транзистора

Цепь с общим коллектором, вход Схема и выходная цепь прошли коллектор транзистора

Схема усилителя с общим эмиттером

Основная схема усилителя с общей конфигурацией эмиттера состоит в том, что входной сигнал складывается между базой и эмиттером, а также конденсаторами связи C1 и Ce считаются закорачивающими сигнал переменного тока.Выходной сигнал выводится с коллектора на землю, постоянный ток отделяется разделительным конденсатором C2, и только сигнал переменного тока добавляется к сопротивлению нагрузки RL. Общая конфигурация излучения схемы усилителя фактически относится к общей конфигурации излучения транзистора в схеме усилителя.

Схема усилителя конфигурации с общим эмиттером

Когда входной сигнал равен нулю, источник питания постоянного тока обеспечивает постоянный ток базы и постоянный ток коллектора для транзистора через каждый резистор смещения и формирует определенное постоянное напряжение между тремя полюсами транзистора. .Из-за блокирующего действия конденсатора связи постоянного тока напряжение постоянного тока не может достигать входных и выходных клемм схемы усилителя.

Когда входной сигнал переменного тока добавляется к переходу передатчика транзистора через разделительные конденсаторы C1 и Ce, напряжение на переходе передатчика становится суперпозицией переменного и постоянного тока. Ситуация с сигналом в схеме усилителя более сложная. Обозначения каждого сигнала обозначены следующим образом: из-за эффекта усиления тока транзистора ic в десятки раз больше, чем ib.Вообще говоря, если параметры схемы установлены правильно, выходное напряжение может быть намного выше входного. Часть входного переменного тока достигает сопротивления нагрузки через конденсатор связи и формирует выходное напряжение.

Можно видеть, что сигнал постоянного тока коллектора транзистора в схеме усилителя не изменяется с входным сигналом, а сигнал переменного тока изменяется с входным сигналом. В процессе усиления сигнал переменного тока коллектора накладывается на сигнал постоянного тока, и только сигнал переменного тока извлекается с выходного контакта через разделительный конденсатор.