Терминът "биполярен транзистор" се свързва с факта, че в тези транзистори се използват два вида носители на заряд: електрони и дупки. За производството на транзистори се използват същите полупроводникови материали като за.

В биполярните транзистори, използвайки трислойна полупроводникова структура от полупроводници, се създават два p – n прехода с редуващи се видове електрическа проводимост (p – n – p или n – p – n).

Биполярните транзистори могат да бъдат конструктивно неопаковани (фиг. 1, а) (за използване, например, като част от интегрални схеми) и затворени в типичен корпус (фиг. 1, б). Трите извода на биполярния транзистор се наричат ​​база, колектор и емитер.

Ориз. 1. Биполярен транзистор: а) p-n-p-структури без пакет, б) n-p-n-структури в пакет

В зависимост от общото заключение, можете да получите три вериги за свързване на биполярен транзистор: с обща основа (OB), общ колектор (OK) и общ емитер (OE). Да разгледаме работата на транзистор във верига с обща база, (фиг. 2).

Ориз. 2. Схема на биполярния транзистор

Емитерът инжектира (захранва) в основата основните носители, в нашия пример за полупроводникови устройства n-тип, те ще бъдат електрони. Източниците са избрани така, че E2 >> E1. Резисторът Re ограничава тока на отворения p – n преход.

При E1 = 0, токът през колекторния възел е малък (поради малцинствени носители), той се нарича начален колекторен ток Iк0. Ако E1> 0, електроните преодоляват емитерния p – n преход (E1 се включва в посока напред) и влизат в основната област.

Основата е направена с високо съпротивление (ниска концентрация на примеси), така че концентрацията на дупки в основата е ниска. Следователно, малкото електрони, влизащи в основата, се рекомбинират с нейните дупки, образувайки основния ток Ib. В същото време в колекторния p – n преход от страната на E2 действа много по-силно поле, отколкото в емитерния преход, който увлича електроните в колектора. Следователно по-голямата част от електроните достигат до колектора.

Токове на емитер и колектор са свързани коефициент на пренос на емитерния ток

при Uкб = const.

Е винаги ∆ Iк ∆Т.е. и a = 0,9 - 0,999 за съвременните транзистори.

В разглежданата схема Ik = Ik0 + aIe »Ie. Следователно схемата на биполярния транзистор с обща база има ниско съотношение на предаване на ток. Поради това се използва рядко, главно във високочестотни устройства, където по отношение на усилването на напрежението е за предпочитане пред други.

Основната превключваща верига на биполярен транзистор е верига с общ емитер, (фиг. 3).

Ориз. 3. Включване на биполярен транзистор по схемата с общ емитер

За него можете да напишете Ib = Ie - Ik = (1 - a) Ie - Ik0.

Като се има предвид, че 1 - a = 0,001 - 0,1, имаме Ib<< Iэ » Iк.

Намерете съотношението на тока на колектора към базовия ток:

Това отношение се нарича базово съотношение на пренос на тока... С a = 0,99 получаваме b = 100. Ако източник на сигнал е включен в основната верига, тогава същият сигнал, но усилен с тока b пъти, ще тече в колекторната верига, образувайки напрежение през резистора Rk много по-голямо от напрежението на източника на сигнал...

За да оцените работата на биполярен транзистор в широк диапазон от импулсни и постоянни токове, мощности и напрежения, както и да изчислите веригата на отклонение, стабилизирайте режима, семейства от входни и изходни волт-амперни характеристики (VAC).

Семейство входни I - V характеристикиустановяват зависимостта на входния ток (база или емитер) от входното напрежение Ube при Uk = const, фиг. 4, а. Входните I – V характеристики на транзистора са подобни на I – V характеристиките на диод в директна връзка.

Семейството от изходни I - V характеристики установява зависимостта на тока на колектора от напрежението върху него при определена база или емитерен ток (в зависимост от веригата с общ емитер или обща база), фиг. 4, б.

Ориз. 4. Токово-волтови характеристики на биполярния транзистор: a - вход, b - изход

В допълнение към електрическия n – p преход, преход, базиран на контакт метал-полупроводник - бариерата на Шотки се използва широко във високоскоростни вериги. При такива преходи не се изразходва време за натрупване и разсейване на зарядите в основата, а производителността на транзистора зависи само от скоростта на презареждане на бариерен капацитет.

Ориз. 5. Биполярни транзистори

Параметри на биполярни транзистори

За оценка на максимално допустимите режими на работа на транзисторите се използват основните параметри:

1) максимално допустимо напрежение колектор-емитер(за различни транзистори Uke max = 10 - 2000 V),

2) максимално допустима мощност на разсейване на колектора Pк макс- според него транзисторите се разделят на транзистори с ниска мощност (до 0,3 W), средна мощност (0,3 - 1,5 W) и висока мощност (повече от 1,5 W), транзисторите със средна и висока мощност често са оборудвани със специална топлина мивка - радиатор,

3) максимално допустим колекторен ток Ik max - до 100 A и повече,

4) гранична честота на предаване на ток fgr(честотата, при която h21 става равна на единица), биполярните транзистори се разделят според нея:

• за ниска честота - до 3 MHz,

• средна честота - от 3 до 30 MHz,

• високочестотна - от 30 до 300 MHz,

• ултра висока честота - повече от 300 MHz.
  

Доктор на техническите науки, професор Л. А. Потапов

Биполярен транзистор- електронно полупроводниково устройство, един от видовете транзистори, предназначено да усилва, генерира и преобразува електрически сигнали. Транзисторът се нарича биполярно, тъй като два вида носители на заряд участват едновременно в работата на устройството - електронии дупки... По това се различава от еднополюсен(полеви) транзистор, в работата на който участва само един вид носители на заряд.

Принципът на работа и на двата вида транзистори е подобен на работата на воден кран, който регулира водния поток, само потокът от електрони преминава през транзистора. При биполярните транзистори през устройството преминават два тока - основният "голям" ток и управляващият "малък" ток. Основната мощност на тока зависи от управляващата мощност. В транзисторите с полеви ефект само един ток преминава през устройството, чиято мощност зависи от електромагнитното поле. В тази статия ще разгледаме по-отблизо работата на биполярния транзистор.

Биполярно транзисторно устройство.

Биполярният транзистор се състои от три полупроводникови слоя и два PN прехода. Разграничаване на PNP и NPN транзистори по вида на редуването на дупката и електронната проводимост. Това е като два диода, свързани лице в лице или обратно.

Биполярният транзистор има три контакта (електроди). Контактът, излизащ от централния слой, се нарича основа (база).Крайните електроди са наречени колектори излъчвател (колектори излъчвател). Основният слой е много тънък по отношение на колектора и емитера. В допълнение към това, полупроводниковите области в ръбовете на транзистора са небалансирани. Полупроводниковият слой от страната на колектора е малко по-дебел, отколкото от страната на емитера. Това е необходимо, за да работи транзисторът правилно.

Помислете за физическите процеси, които възникват по време на работа на биполярен транзистор. Да вземем за пример модела NPN. Принципът на работа на PNP транзистора е подобен, само полярността на напрежението между колектора и емитера ще бъде противоположна.

Както вече беше споменато в статията за видовете проводимост в полупроводниците, в вещество от Р-тип има положително заредени йони - дупки. Вещество от N-тип е наситено с отрицателно заредени електрони. В транзистор концентрацията на електрони в N областта е много по-висока от концентрацията на дупки в P областта.

Свържете източника на напрежение между колектора и емитера V CE (V CE). Под неговото действие електроните от горната част на N ще започнат да се привличат към плюса и да се събират близо до колектора. Токът обаче не може да тече, тъй като електрическото поле на източника на напрежение не достига до емитера. Това се възпрепятства от дебелия полупроводников междинен слой на колектора плюс полупроводниковия междинен слой на основата.

Сега свързваме напрежението между базата и емитера V BE, но много по-ниско от V CE (за силициеви транзистори минимално изискваното V BE е 0,6V). Тъй като P слоят е много тънък, плюс източникът на напрежение, свързан към основата, той ще може да "достигне" с електрическото си поле до N областта на емитера. Под неговото действие електроните ще отидат към основата. Някои от тях ще започнат да запълват разположените там дупки (рекомбинират). Другата част няма да намери свободна дупка, тъй като концентрацията на дупки в основата е много по-ниска от концентрацията на електрони в емитера.

В резултат на това централният слой на основата е обогатен със свободни електрони. Повечето от тях ще се насочат към колектора, тъй като там напрежението е много по-високо. Много малката дебелина на централния слой също допринася за това. Част от електроните, макар и много по-малки, все пак ще текат към плюса на основата.

В резултат на това получаваме два тока: малък - от основата към емитера I BE и голям - от колектора до емитера I CE.

Ако увеличите напрежението в основата, тогава в междинния слой P ще се съберат още повече електрони. В резултат на това базовият ток ще се увеличи леко, а токът на колектора ще се увеличи значително. Поради това, с малка промяна в базовия ток IБ , колекторният ток IВ. И така се случва усилване на сигнала в биполярен транзистор... Съотношението на тока на колектора I C към базовия ток I B се нарича усилване на тока. Означава се β , hfeили h21e, в зависимост от спецификата на изчисленията, извършени с транзистора.

Най-простият усилвател на биполярен транзистор

Нека разгледаме по-подробно принципа на усилване на сигнала в електрическата равнина, като използваме примера на верига. Предварително ще направя резервация, че подобна схема не е съвсем правилна. Никой не свързва източник на постоянно напрежение директно към източник на променлив ток. Но в този случай ще бъде по-лесно и по-ясно да разберете самия механизъм на усилване с помощта на биполярен транзистор. Освен това самата техника на изчисление в примера по-долу е донякъде опростена.

1.Описание на основните елементи на веригата

И така, да кажем, че имаме транзистор с усилване 200 (β = 200). От страна на колектора свързваме относително мощно 20V захранване, благодарение на енергията на което ще се получи усилване. От страната на основата на транзистора свържете слабо 2V захранване. Към него свързваме последователно източник на променливо напрежение с форма на синус с амплитуда на трептене 0,1V. Това ще бъде сигналът, който трябва да бъде усилен. Резистор Rb близо до основата е необходим за ограничаване на тока от източника на сигнал, който обикновено е слаб.

2. Изчисляване на входния ток на основата I b

Сега нека изчислим основния ток I b. Тъй като имаме работа с променливо напрежение, трябва да изчислим две стойности на тока - при максимално напрежение (V max) и минимално (V min). Нека наречем тези текущи стойности, съответно - I bmax и I bmin.

Също така, за да изчислите базовия ток, трябва да знаете напрежението на базата-емитер V BE. Между основата и емитера има един PN преход. Оказва се, че базовият ток "среща" по пътя си полупроводников диод. Напрежението, при което полупроводниковият диод започва да провежда, е около 0,6V. Няма да навлизаме в подробности за характеристиките на токовото напрежение на диода и за опростяване на изчисленията ще вземем приблизителен модел, според който напрежението на диод с ток винаги е 0,6V. Това означава, че напрежението между базата и емитера е V BE = 0.6V. И тъй като емитерът е свързан към земята (V E = 0), напрежението от базата към земята също е 0,6 V (V B = 0,6 V).

Нека изчислим I bmax и I bmin, използвайки закона на Ом:

2. Изчисляване на изходния ток на колектора I С

Сега, знаейки усилването (β = 200), можете лесно да изчислите максималните и минималните стойности на тока на колектора (I cmax и I cmin).

3. Изчисляване на изходното напрежение V out

Токът на колектора протича през резистора Rc, който вече сме изчислили. Остава да заменим стойностите:

4. Анализ на резултатите

Както се вижда от резултатите, V Cmax се оказа по-малко от V Cmin. Това е така, защото напрежението през резистора V Rc се изважда от захранващото напрежение VCC. В повечето случаи обаче това няма значение, тъй като ни интересува променливият компонент на сигнала - амплитудата, която се е увеличила от 0,1V до 1V. Честотата и синусоидалната форма на вълната не се промениха. Разбира се, съотношението V out / V в десет пъти далеч не е най-добрият индикатор за усилвател, но е доста подходящ за илюстриране на процеса на усилване.

И така, нека обобщим принципа на работа на усилвателя на биполярен транзистор. През основата тече ток I b, носещ постоянен и променлив компонент. Постоянният компонент е необходим, за да започне да се "отваря" PN връзката между основата и емитера. Променливият компонент всъщност е самият сигнал (полезна информация). Токът колектор-емитер вътре в транзистора е резултат от умножаване на базовия ток по усилването β. От своя страна напрежението през резистора Rc над колектора е резултат от умножаване на усиления колекторен ток по стойността на резистора.

По този начин клемата V out получава сигнал с увеличена амплитуда на вибрациите, но със същата форма и честота. Важно е да се подчертае, че транзисторът взема енергия за усилване от VCC захранването. Ако захранващото напрежение е недостатъчно, транзисторът няма да може да работи напълно и изходният сигнал може да бъде изкривен.

Режими на работа на биполярен транзистор

В съответствие с нивата на напрежение на електродите на транзистора се разграничават четири режима на неговата работа:

• Режим на прекъсване.
• Активен режим.
• Режим на насищане.
• Обратен режим.

Режим на прекъсване

Когато напрежението база-емитер е по-ниско от 0,6V - 0,7V, PN връзката между базата и емитера е затворена. В това състояние транзисторът няма базов ток. В резултат на това няма да има и колекторен ток, тъй като в основата няма свободни електрони, готови да се движат към напрежението на колектора. Оказва се, че транзисторът е сякаш заключен и казват, че е вътре режим на прекъсване.

Активен режим

V активен режимнапрежението в основата е достатъчно, за да се отвори PN връзката между основата и емитера. В това състояние транзисторът има базов и колекторен ток. Токът на колектора е равен на базовия ток, умножен по усилването. Тоест, активният режим се нарича нормален режим на работа на транзистора, който се използва за усилване.

Режим на насищане

Понякога базовият ток може да е твърде висок. В резултат на това захранването просто не е достатъчно, за да осигури такъв колекторен ток, който би съответствал на усилването на транзистора. В режим на насищане токът на колектора ще бъде максималният, който захранването може да осигури и няма да бъде повлиян от базовия ток. В това състояние транзисторът не е в състояние да усили сигнала, тъй като токът на колектора не реагира на промените в базовия ток.

В режим на насищане проводимостта на транзистора е максимална и той е по-подходящ за функцията на ключ (ключ) в състояние "включено". По същия начин, в режим на прекъсване, проводимостта на транзистора е минимална и това съответства на превключвател в състояние "изключено".

Инверсен режим

В този режим ролите на колектора и емитера се променят: колекторният PN възел е отклонен напред, а емитерният възел е отклонен в обратна посока. В резултат на това токът протича от основата към колектора. Областта на полупроводниковия колектор е небалансирана спрямо емитера и усилването в инверсния режим е по-ниско, отколкото в нормалния активен режим. Дизайнът на транзистора е направен по такъв начин, че да работи възможно най-ефективно в активен режим. Следователно, в обратен режим, транзисторът практически не се използва.

Основни параметри на биполярния транзистор.

Текуща печалба- съотношението на тока на колектора I C към базовия ток I B. Означава се β , hfeили h21e, в зависимост от спецификата на изчисленията, извършени с транзистори.

β е постоянна стойност за един транзистор и зависи от физическата структура на устройството. Високата печалба се изчислява в стотици единици, ниската - в десетки. За два отделни транзистора от един и същи тип, дори и да са били „съседи на тръбопровода“ по време на производството, β може да е малко по-различно. Тази характеристика на биполярния транзистор е може би най-важната. Докато други параметри на устройството често могат да бъдат пренебрегнати при изчисленията, токовото усилване е практически невъзможно.

Входен импедансДали съпротивлението в транзистора "среща" основния ток. Означава се R в (R в). Колкото по-голям е той, толкова по-добре за усилващите характеристики на устройството, тъй като обикновено има източник на слаб сигнал от страната на основата, от който трябва да консумирате възможно най-малко ток. Идеалният вариант е, когато входният импеданс е безкраен.

R входът за среден биполярен транзистор е няколкостотин KΩ (килоома). Тук биполярният транзистор губи много от полевия транзистор, където входното съпротивление достига стотици GΩ (гигаома).

Изходна проводимост- проводимостта на транзистора между колектора и емитера. Колкото по-висока е изходната проводимост, толкова повече ток колектор-емитер може да премине през транзистора при по-ниска мощност.

Също така, с увеличаване на изходната проводимост (или намаляване на изходния импеданс), максималното натоварване, което усилвателят може да издържи с незначителни загуби в общото усилване, се увеличава. Например, ако транзистор с ниска изходна проводимост усилва сигнал 100 пъти без товар, тогава когато е свързан товар от 1 KΩ, той вече ще се усилва само 50 пъти. Транзистор със същото усилване, но с по-висока изходна проводимост, ще има по-малък спад на усилването. Идеалният вариант е, когато изходната проводимост е безкрайна (или изходното съпротивление R out = 0 (R out = 0)).

Добър ден приятели!

Днес ще продължим да се запознаваме с електронните „градивни елементи“ на компютърния хардуер. Вече разгледахме с вас как са подредени транзисторите с полеви ефект, които задължително присъстват на всяка дънна платка на компютъра.

Седнете назад - сега ще положим интелектуални усилия и ще се опитаме да разберем как работи

Биполярен транзистор

Биполярният транзистор е полупроводниково устройство, което се използва широко в електронни продукти, включително компютърни захранвания.

Думата "транзистор" (транзистор) е образувана от две английски думи - "превеждам" и "резистор", което означава "преобразувател на съпротивление".

Думата "биполярно" означава, че токът в устройството се причинява от заредени частици с два полярности - отрицателен (електрони) и положителен (т.нар. "дупки").

"Дупка" не е жаргон, а доста научен термин. „Дупка“ е некомпенсиран положителен заряд или, с други думи, отсъствието на електрон в кристалната решетка на полупроводника.

Биполярният транзистор е трислойна структура с редуващи се видове полупроводници.

Тъй като има два вида полупроводници, положителни (положителни, p-тип) и отрицателни (отрицателни, n-тип), може да има два вида на такава структура - p-n-p и n-p-n.

Средната област на такава структура се нарича база, а външните области се наричат ​​емитер и колектор.

В диаграмите биполярните транзистори са обозначени по определен начин (виж фигурата). Виждаме, че транзисторът е по същество pn преход, свързан последователно.

Въпрос за запълване - защо не можеш да смениш транзистора с два диода? В крайна сметка всеки от тях има pn кръстовище, нали? Включих два диода последователно - и е в чантата!

Не! Факт е, че основата в транзистора е направена много тънка по време на производството, което не може да се постигне чрез свързване на два отделни диода.

Принципът на работа на биполярния транзистор

Основният принцип на транзистора е, че малък базов ток може да задвижи много по-голям колекторен ток - в диапазона практически от нула до определена максимална възможна стойност.

Съотношението на тока на колектора към базовия ток се нарича усилване на тока и може да варира от няколко единици до няколкостотин.

Интересно е да се отбележи, че транзисторите с ниска мощност имат повече от тези с висока мощност (а не обратното, както може да се мисли).

Разликата е, че за разлика от DC порта, по време на управление, основният ток винаги присъства, т.е. някаква власт винаги се изразходва за контрол.

Колкото по-високо е напрежението между емитера и базата, толкова по-голям е базовият ток и съответно по-голям е колекторният ток. Всеки транзистор обаче има максимално допустимо напрежение между емитер и база и между емитер и колектор. За превишаване на тези параметри ще трябва да платите с нов транзистор.

В режим на работа връзката база-емитер обикновено е отворена, а връзката база-колектор е затворена.

Биполярният транзистор, подобно на релето, също може да работи в ключов режим. Ако приложите достатъчен ток към основата (затворете бутона S1), транзисторът ще се отвори добре. Лампата ще светне.

В този случай съпротивлението между емитера и колектора ще бъде малко.

Спадът на напрежението в секцията емитер-колектор ще бъде няколко десети от волта.

Ако след това спрете да подавате ток към базата (отворен S1), транзисторът ще се затвори, т.е. съпротивлението между емитер и колектор ще стане много голямо.

Лампата ще изгасне.

Как да проверите биполярния транзистор?

Тъй като биполярният транзистор се състои от два pn прехода, е доста лесно да го тествате с цифров тестер.

Необходимо е да поставите ключа за работа на тестера в положение, като свържете една сонда към основата, а втората - към емитера и колектора.

Всъщност ние просто последователно проверяваме здравето на p-n преходите.

Такъв преход може да бъде отворен или затворен.

След това трябва да промените полярността на сондите и да повторите измерванията.

В един случай тестерът ще покаже спад на напрежението в преходите емитер-база и колектор-база 0,6 - 0,7 V (и двете връзки са отворени).

Във втория случай и двата прехода ще бъдат затворени и тестерът ще запише това.

Трябва да се отбележи, че в работен режим най-често един от преходите на транзистора е отворен, а вторият е затворен.

Измерване на коефициента на пренос на тока на биполярен транзистор

Ако тестерът има възможност да измерва коефициента на пренос на тока, тогава можете да проверите работоспособността на транзистора, като инсталирате транзисторните проводници в съответните гнезда.

Коефициентът на пренос на тока е съотношението на тока на колектора към базовия ток.

Колкото по-високо е усилването, толкова по-голям ток на колектора може да понесе базовият ток, при равни други условия.

Pinout (имена на щифтове) и други данни могат да бъдат взети от листовете с данни (референтни данни) за съответния транзистор. Листовете с данни могат да бъдат намерени в Интернет чрез търсачките.

Тестерът ще покаже на дисплея текущото съотношение на трансфер (усилване), което трябва да се сравни с референтните данни.

Коефициентът на пренос на тока на транзисторите с ниска мощност може да достигне няколко стотин.

За мощни транзистори е значително по-малко - няколко единици или десетки.

Има обаче мощни транзистори с коефициент на предаване от няколко стотици или хиляди. Това са така наречените двойки Дарлингтън.

Двойка Дарлингтън се състои от два транзистора. Изходният ток на първия транзистор е входният ток за втория.

Общото съотношение на предаване на ток е продукт на съотношението на първия и втория транзистори.

Двойка Дарлингтън се прави в общ пакет, но може да се направи и от два отделни транзистора.

Вградена диодна защита

Някои транзистори (с висока мощност и високо напрежение) могат да бъдат защитени от обратно напрежение чрез вграден диод.

По този начин, ако свържете сондите на тестера към емитера и колектора в режим на тестване на диода, тогава той ще покаже същите 0,6 - 0,7 V (ако диодът е насочен напред) или "заключен диод" (ако диодът е отклонен в обратната посока)...

Ако тестерът покаже малко напрежение и дори в двете посоки, тогава транзистора определено е счупен и трябва да се смени... Късо съединение може да се определи и в режим на измерване на съпротивлението - тестерът ще покаже ниско съпротивление.

Възниква (за щастие, доста рядко) "подла" неизправност на транзисторите. Това е, когато първоначално работи, а след известно време (или след загряване) променя параметрите си или се проваля напълно.

Ако такъв транзистор се изпари и провери с тестер, тогава той ще има време да се охлади, преди да свържете сондите, и тестерът ще покаже, че е нормално. Най-добре е да проверите това, като замените "подозрителния" транзистор в устройството.

В заключение, нека кажем, че биполярният транзистор е едно от основните „желязо“ в електрониката. Би било хубаво да се научите да разпознавате дали тези „желязо“ са „живи“ или не. Разбира се, скъпи читатели, дадох ви много опростена картина.

Всъщност работата на биполярния транзистор се описва с много формули, има много разновидности от тях, но това е сложна наука. За тези, които искат да копаят по-дълбоко, мога да препоръчам прекрасната книга на Хоровиц и Хил The Art of Circuitry.

Можете да закупите транзистори за вашите експерименти

Ще се видим в блога!

БИПОЛЯРНИ ТРАНЗИСТОРИ

Биполярният транзистор е полупроводниково устройство, състоящо се от три области с редуващи се видове електрическа проводимост и предназначено да усилва сигнал.

Биполярните транзистори са универсални полупроводникови устройства и се използват широко в различни усилватели, генератори, импулсни и ключови устройства.

Биполярните транзистори могат да бъдат класифицирани по материал: германий и силиций;по вид проводимост: тип p-н-p и н- стр- н; по мощност: малък (Pлюлка< 0,3W), среден (R люлка= 1,5W) и големи (Pлюлка> 1,5W); по честота: нискочестотни, средночестотни, високочестотни и микровълнови.

В такива транзистори токът се определя от движението на носители на заряд от два вида: електрони и дупки. Оттук и името им: биполярни.

Биполярен транзисторе плоча от германий или силиций, в която са създадени три области с различна електропроводимост. Тип транзисторн-R- нсредният регион има дупка, а крайните области имат електронна проводимост.

P-тип транзисторин-p имат средна област с електронна, а външната с дупкова проводимост.

Средната област на транзистора се нарича база, една крайна област е емитер, а втората е колектор. Така транзисторът има два R- н- преход: емитер - между емитер и база и колектор - между база и колектор.

Емитерът е областта на транзистора за инжектиране на носители на заряд в основата. Колекторът е зона, чиято цел е да извлича носители на заряд от базата. Базата е областта, в която носителите на заряд, незначителни за тази област, се инжектират от емитера.

Концентрацията на основните носители на заряд в емитера е многократно по-висока от концентрацията на основните носители на зарядзарядът в основата, а в колектора е малко по-малък от концентрацията в емитера. Следователно проводимостта на емитера е много по-висока от проводимостта на основата, а проводимостта на колектора е по-малка от проводимостта на емитера.

В зависимост от това кой от изводите е общ за входните и изходните вериги, има три транзисторни превключващи вериги: с обща база (OB), общ емитер (OE) и общ колектор (OK).

Входната или управляващата верига се използва за управление на работата на транзистора. В изходната или управлявана верига се получават усилени трептения. Източникът на усилени трептения е включен във входната верига, а товарът е свързан към изходната верига.

Принципът на работа на транзистора на примера на транзистора p-н-p -тип включен по схемата с обща основа (OB).

Външни напрежения на две захранвания EE и EДа сесвързан към транзистора по такъв начин, че да осигури изместването на емитерния възел P1 в посока напред и на колекторния възел P2 в обратна посока.

Ако към колекторния възел се приложи обратно напрежение и веригата на емитера е отворена, тогава в колекторната верига тече малък обратен токазNS... Възниква под действието на обратно напрежение и се създава от насоченото движение на миноритарни носители на заряд на базовите отвори и колекторни електрони през колекторния преход. Обратният ток протича през веригата: + EДа се, база-колектор, -ЕДа се.

Когато директно напрежение EE е свързано към веригата на емитера в посока напред, потенциалната бариера на емитерния възел намалява. Започва инжектирането на дупки в основата.

Външното напрежение, приложено към транзистора, се оказва, че се прилага главно към преходите P1 и P2, тъй като те имат високо съпротивление в сравнение със съпротивлението на базата, емитера и колектора. Следователно отворите, инжектирани в основата, се движат в нея посредством дифузия. В този случай дупките се рекомбинират с електроните на основата. Тъй като концентрацията на носителя в основата е много по-ниска, отколкото в емитера, много малко дупки се рекомбинират. С малка дебелина на основата почти всички дупки ще достигнат до колекторния възел P2. На мястото на рекомбинираните електрони, електроните влизат в основата от източника на енергия EДа се... Дупките, рекомбиниращи се с електрони в основата, създават основен токазБ.

Под въздействието на обратно напрежение EДа се,потенциалната бариера на колекторния възел се увеличава и дебелината на връзката P2 се увеличава. Дупките, влизащи в областта на колекторния възел, попадат в ускоряващото поле, създадено на кръстовището от колекторното напрежение, и се изтеглят от колектора, създавайки колекторен токазДа се... Токът на колектора протича през веригата: + EДа се, база-колектор, -ЕДа се.

Така в би полярни три вида ток протича през транзистора: емитер, колектор и база.

В проводника, който е изходът на основата, токът на емитера и колектора са насочени противоположно. Базовият ток е равен на разликата между тока на емитера и колектора:аз B = аз E - азДА СЕ.

Физически процеси в транзисторен типн-R- нпротичат подобно на процесите в транзистор p-типн-Р.

Общ емитерен токазE се определя от броя на основните носители на заряд, инжектирани от емитера. Основната част от тези носители на заряд, достигаща до колектора, създава колекторен токазДа се... Незначителна част от носителите на заряд, инжектирани в основата, се рекомбинират в основата, създавайки базов токазБ. Следователно емитерният ток ще бъде разделен на базов и колекторен ток, т.е.аз E = аз B + азДа се.

Изходният ток на транзистора зависи от входния ток. Следователно транзисторът е устройство с ток.

Промените в тока на емитера, причинени от промяна в напрежението на емитерния възел, се прехвърлят изцяло към колекторната верига, причинявайки промяна в тока на колектора. И тъй като захранващо напрежение на колектора EДа семного повече от излъчвателя ENS, след това консумираната мощност в колекторната верига PДа се, ще има много повече мощност в емитерната верига PNS... По този начин е възможно да се управлява голяма мощност в колекторната верига на транзистора с ниска мощност, изразходвана във веригата на емитера, т.е. има увеличение на мощността.

Биполярни транзисторни комутационни вериги

Транзисторът е включен във веригата, така че един от изводите му е входен, вторият е изходен, а третият е общ за входните и изходните вериги. В зависимост от това кой електрод е общ, има три транзисторни превключващи вериги: OB, OE и OK... За транзисторн-R- нв комутационни вериги се променят само полярностите на напреженията и посоката на токовете. При всяка схема за превключване на транзистор, полярността на включване на захранванията трябва да бъде избрана така, че емитерният възел да се включва в посока напред, а колекторният възел да се включва в обратна посока.

Статични характеристики на биполярни транзистори

Статичният режим на работа на транзистора се нарича режим, когато няма товар в изходната верига.

Статичните характеристики на транзисторите са графично изразени зависимости на напрежението и тока на входната верига (входна I – V характеристика) и изходната верига (изходна I – V характеристика). Видът на характеристиките зависи от начина, по който е включен транзисторът.

Характеристики на транзистора, свързан по схемата OB

аз E = е(У EB) при У KB = const(а).

аз K = е(У KB) в аз E = const(б).

Статични характеристики на биполярен транзистор, свързан според OB веригата.Изходните I - V характеристики имат три характерни области: 1 - силна зависимостазДа сеот УKB; 2 - слаба зависимостазДа сеот УKB; 3 - разбивка на колекторния възел.Характеристика на характеристиките в зона 2 е лекото им покачване с увеличаване на напрежениетоУ KB.

Характеристики на транзистор, свързан по схемата OE:

Входната характеристика е зависимостта:

аз B = е(У BE) при У CE = const(б).

Изходната характеристика е зависимостта:

аз K = е(У CE) при аз B = const(а).

Режим на работа на биполярния транзистор

Транзисторът може да работи в три режима, в зависимост от напрежението в неговите кръстовища. При работа в активен режим напрежението е напред в емитерния възел и обратно в колекторния възел.

Режимът на прекъсване или блокирането се постига чрез прилагане на обратно напрежение към двата прехода (и двата p-н- преходът е затворен).

Ако и на двата прехода напрежението е директно (и двата p-н- преходите са отворени), тогава транзисторът работи в режим на насищане.В режим на прекъсване и режим на насищане почти няма управление на транзистора. В активен режим такова управление се извършва най-ефективно, а транзисторът може да изпълнява функциите на активен елемент на електрическа верига - усилване, генериране.

биполярно транзисторно усилвателно стъпало

Най-голямо приложение се намира в схемата за превключване на транзистора според веригата с общ емитер.Основните елементи на веригата са захранването EДа се, управляваният елемент е транзисторVTи резистор РДа се... Тези елементи образуват изходната верига на стъпалото на усилвателя, в която поради протичането на контролиран ток на изхода на веригата се създава усилено променливо напрежение.Други елементи на веригата играят поддържаща роля. Кондензатор CРсе разделя. При липса на този кондензатор във веригата на източника на входен сигнал, постоянен ток би се генерирал от източника на енергия EДа се.

Резистор РB, включен в основната верига, осигурява работата на транзистора при липса на входен сигнал. Режимът на покой се осигурява от базовия ток на покойазБ = Е Да се/ РБ. С резисторРДа сесе създава изходното напрежение.РДа сеизпълнява функцията на създаване на променливо напрежение в изходната верига поради протичането на тока в нея, управлявано по основната верига.

За колекторната верига на усилвателния етап може да се запише следното уравнение на електрическото състояние:

Е Да се= Уke+ азДа сеРДа се,

сумата от спада на напрежението на резистораРk и напрежение колектор-емитерУkeтранзисторът винаги е равен на постоянна стойност - EMF на източника на енергия EДа се.

Процесът на усилване се основава на преобразуване на енергията на източника на постоянно напрежение EДа сев енергията на променливо напрежение в изходната верига поради промяната в съпротивлението на управлявания елемент (транзистор) според закона, зададен от входния сигнал.

Необходимите обяснения са дадени, да преминем към същността.

Транзистори. Определение и история

Транзистор- електронно полупроводниково устройство, в което токът във веригата на два електрода се управлява от трети електрод. (tranzistors.ru)

Първи са изобретени полеви транзистори (1928 г.), а биполярните се появяват през 1947 г. в Bell Labs. И това беше, без преувеличение, революция в електрониката.

Много бързо транзисторите замениха вакуумните тръби в различни електронни устройства. В тази връзка надеждността на такива устройства се е увеличила и размерът им значително е намалял. И до ден днешен, колкото и "сложна" да е микросхемата, тя все още съдържа много транзистори (както и диоди, кондензатори, резистори и т.н.). Само много малки.

Между другото, първоначално "транзистори" се наричаха резистори, чието съпротивление може да се променя с помощта на стойността на приложеното напрежение. Ако пренебрегнем физиката на процесите, тогава съвременният транзистор може да бъде представен и като съпротивление, което зависи от сигнала, приложен към него.

Каква е разликата между полеви и биполярни транзистори? Отговорът се крие в самите им имена. В биполярния транзистор прехвърлянето на заряд включва иелектрони, идупки ("бис" - два пъти). И в полето (известен още като еднополюсен) - илиелектрони, илидупки.

Също така тези видове транзистори се различават по области на приложение. Биполярните се използват главно в аналоговата технология, докато полевите се използват в цифровите технологии.

И накрая: основната област на приложение на всякакви транзистори- усилване на слаб сигнал поради допълнителен източник на захранване.

Биполярен транзистор. Принцип на действие. Основни характеристики

Биполярният транзистор се състои от три области: емитер, база и колектор, всеки от които е под напрежение. В зависимост от вида на проводимостта на тези области се разграничават n-p-n и p-n-p транзистори. Обикновено колекторната площ е по-широка от зоната на емитера. Основата е направена от леко легиран полупроводник (поради което има високо съпротивление) и е направена много тънка. Тъй като контактната площ емитер-база е много по-малка от контактната площ база-колектор, е невъзможно да се сменят емитер и колектор на места чрез промяна на полярността на връзката. По този начин транзисторът се класифицира като небалансирано устройство.

Преди да разгледаме физиката на транзистора, нека очертаем общия проблем.


Те са както следва: между емитера и колектора протича силен ток ( колекторен ток), а между емитера и основата - слаб контролен ток ( базов ток). Токът на колектора ще се промени в зависимост от промяната в базовия ток. Защо?
Помислете за pn преходите на транзистор. Има две от тях: емитер-база (EB) и база-колектор (BC). В активния режим на работа на транзистора първият от тях е свързан с предни отклонения, а вторият с обратни отклонения. Какво се случва в този случай в p-n преходите? За да бъдем по-конкретни, ще разгледаме n-p-n транзистор. За p-n-p всичко е същото, само думата "електрони" трябва да бъде заменена с "дупки".

Тъй като EB преходът е отворен, електроните лесно "претичат" към основата. Там те частично се рекомбинират с дупки, но б ОПовечето от тях, поради малката дебелина на основата и слабото й легиране, успяват да достигнат до прехода база-колектор. Което, както си спомняме, е включено с обратно пристрастие. И тъй като електроните в основата са второстепенни носители на заряд, електрическото поле на прехода им помага да го преодолеят. По този начин колекторният ток е само малко по-малък от тока на емитера. Сега гледайте ръцете си. Ако базовият ток се увеличи, тогава EB връзката ще се отвори по-силно и повече електрони ще могат да се плъзгат между емитера и колектора. И тъй като токът на колектора първоначално е по-висок от базовия ток, тази промяна ще бъде много, много забележима. Поради това, ще има усилване на слаб сигнал, получен в базата... Отново голяма промяна в тока на колектора е пропорционално отражение на малка промяна в базовия ток.

Спомням си, че моя съученик обясни принципа на работа на биполярния транзистор, използвайки примера на кран за вода. Водата в него е колекторният ток, а базовият управляващ ток е колко въртим копчето. Малко усилие (контролно действие) е достатъчно, за да се увеличи потокът на водата от крана.

В допълнение към разглежданите процеси, в pn преходите на транзистора могат да възникнат редица други явления. Например, при силно увеличение на напрежението в кръстовището база-колектор, може да започне умножаване на лавинообразен заряд поради ударна йонизация. И съчетано с тунелния ефект, това ще даде първо електрически, а след това (с увеличаване на тока) и термичен разбив. Въпреки това, термичен пробив в транзистор може да възникне без електрически (т.е. без повишаване на напрежението на колектора до напрежението на пробив). За това ще бъде достатъчен един прекомерен ток през колектора.

Друго явление е свързано с факта, че когато напреженията в колекторните и емитерните връзки се променят, тяхната дебелина се променя. И ако основата е твърде тънка, тогава може да има ефект на затваряне (т.нар. "пробиване" на основата) - връзката на колекторния възел с емитерния възел. В този случай основната област изчезва и транзисторът спира да работи нормално.

Токът на колектора на транзистора в нормалния активен режим на работа на транзистора е по-голям от базовия ток с определен брой пъти. Този номер се нарича текуща печалбаи е един от основните параметри на транзистора. Той е обозначен h21... Ако транзисторът се включи без натоварване на колектора, тогава при постоянно напрежение колектор-емитер, съотношението на тока на колектора към базовия ток ще даде статично усилване на тока... Той може да бъде равен на десетки или стотици единици, но си струва да се има предвид фактът, че в реални вериги този коефициент е по-малък поради факта, че при включване на натоварването колекторният ток естествено намалява.

Вторият важен параметър е входен импеданс на транзистора... Според закона на Ом това е съотношението на напрежението между базата и емитера към управляващия ток на основата. Колкото по-голям е той, толкова по-нисък е базовият ток и толкова по-голямо е усилването.

Третият параметър на биполярния транзистор е усилване на напрежението... То е равно на съотношението на амплитудата или средноквадратичните стойности на изходното (емитер-колектор) и входното (база-емитер) променливо напрежение. Тъй като първата стойност обикновено е много голяма (единици и десетки волта), а втората е много малка (десети от волта), този коефициент може да достигне десетки хиляди единици. Струва си да се отбележи, че всеки базов сигнал за управление има собствено усилване на напрежението.

Имат и транзисторите честотна характеристика, което характеризира способността на транзистора да усилва сигнала, чиято честота се доближава до граничната честота на усилването. Факт е, че с увеличаване на честотата на входния сигнал усилването намалява. Това се дължи на факта, че времето на основните физически процеси (времето на движение на носителя от емитера към колектора, зареждането и разреждането на бариерните капацитивни връзки) става съизмеримо с периода на промяна на входния сигнал. Тези. транзисторът просто няма време да реагира на промените във входния сигнал и в един момент просто спира да го усилва. Честотата, с която това се случва, се нарича гранична.

Също така параметрите на биполярния транзистор са:

• обратен ток колектор-емитер
• време за включване
• колекторен обратен ток
• максимално допустим ток

Легенда n-p-n и p-n-p транзисторите се различават само в посоката на стрелката, показваща емитера. Показва как протича токът в даден транзистор.

Режими на работа на биполярен транзистор

Горната опция е нормалният активен режим на транзистора. Има обаче още няколко комбинации от отворени / затворени pn преходи, всяка от които представлява отделен режим на работа на транзистора.

1. Обратно активен режим... Тук преходът BC е отворен, а EB, напротив, е затворен. Свойствата на усилване в този режим, разбира се, не са по-лоши, така че транзисторите в този режим се използват много рядко.
2. Режим на насищане... И двата прохода са отворени. Съответно, основните носители на заряд на колектора и емитера се "вливат" в основата, където активно се рекомбинират с основните му носители. Поради възникващата излишък на носители на заряд, съпротивлението на основата и p-n преходите намалява. Следователно верига, съдържаща транзистор в режим на насищане, може да се счита за късо съединение, а самият радиоелемент може да бъде представен като еквипотенциална точка.
3. Режим на прекъсване... И двата прехода на транзистора са затворени, т.е. токът на основните носители на заряд между емитера и колектора спира. Малките потоци на носител на заряд създават само малки и неконтролируеми токове на термичен преход. Поради лошата база и преходите на носителите на заряд, тяхното съпротивление се увеличава значително. Поради това често се смята, че транзисторът с прекъсване е отворена верига.
4. Бариерен режимВ този режим основата е директно или чрез ниско съпротивление затворена с колектора. Също така в веригата на колектора или емитера е включен резистор, който задава тока през транзистора. Така се получава еквивалентът на диодна схема с резистор в последователност. Този режим е много полезен, тъй като позволява на веригата да работи на почти всяка честота, в широк температурен диапазон и е невзискателен към параметрите на транзисторите.

Биполярни транзисторни комутационни вериги

Тъй като транзисторът има три контакта, в общия случай захранването трябва да се подава към него от два източника, които заедно имат четири изхода. Следователно един от контактите на транзистора трябва да се захранва с напрежение от същия знак от двата източника. И в зависимост от това какъв контакт е, има три схеми за включване на биполярни транзистори: с общ емитер (OE), общ колектор (OK) и обща база (OB). Всеки от тях има както предимства, така и недостатъци. Изборът между тях се прави в зависимост от това кои параметри са важни за нас и от кои можем да се откажем.

Верига за превключване на общ емитер

Тази схема дава най-голямото усилване на напрежението и тока (и следователно по отношение на мощността - до десетки хиляди единици) и следователно е най-често срещаната. Тук връзката емитер-база се включва директно, а връзката база-колектор е включена обратно. И тъй като напрежение от същия знак се прилага както към основата, така и към колектора, веригата може да се захранва от един източник. В тази схема фазата на изходното променливо напрежение е 180 градуса спрямо фазата на входното променливо напрежение.

Но за всички кифли, веригата OE също има значителен недостатък. Той се крие във факта, че увеличаването на честотата и температурата води до значително влошаване на усилващите свойства на транзистора. По този начин, ако транзисторът трябва да работи на високи честоти, тогава е по-добре да използвате различна схема за превключване. Например с обща основа.

Схема на свързване с обща основа

Тази схема не осигурява значително усилване на сигнала, но е добра при високи честоти, тъй като ви позволява да използвате по-пълно честотната характеристика на транзистора. Ако един и същ транзистор се включи първо по схемата с общ емитер, а след това с обща база, тогава във втория случай ще има значително увеличение на неговата гранична честота на усилване. Тъй като при такава връзка входният импеданс е нисък, а изходният импеданс не е много голям, тогава транзисторните каскади, сглобени по схемата с OB, се използват в антенни усилватели, където характерният импеданс на кабелите обикновено не надвишава 100 Ohm.

При обща базова схема фазата на сигнала не се обръща и нивото на шума при високи честоти се намалява. Но, както вече споменахме, текущата му печалба винаги е малко по-малка от единица. Вярно е, че усилването на напрежението тук е същото като в схемата с общ емитер. Недостатъците на веригата с обща база могат да се дължат и на необходимостта от използване на две захранвания.

Схема на свързване с общ колектор

Особеността на тази схема е, че входното напрежение се прехвърля напълно обратно към входа, тоест отрицателната обратна връзка е много силна.

Нека ви напомня, че отрицателната обратна връзка се нарича обратна връзка, при която изходният сигнал се подава обратно към входа, което намалява нивото на входния сигнал. По този начин се получава автоматична корекция при случайна промяна на параметрите на входния сигнал.

Коефициентът на усилване по тока е почти същият като в схемата с общ емитер. Но усилването на напрежението е малко (основният недостатък на тази схема). Приближава едно, но винаги по-малко от него. По този начин усилването на мощността е само няколко десетки единици.

В обща колекторна верига няма фазово изместване между входното и изходното напрежение. Тъй като усилването на напрежението е близко до единица, изходното напрежение по фаза и по амплитуда съвпада с входното напрежение, тоест го повтаря. Ето защо такава верига се нарича емитерен последовател. Емитер - тъй като изходното напрежение се отстранява от емитера по отношение на общия проводник.

Такова превключване се използва за съпоставяне на транзисторни стъпала или когато източникът на входния сигнал има висок входен импеданс (например пиезоелектричен пикап или кондензаторен микрофон).

Две думи за каскадите

Случва се, че трябва да увеличите изходната мощност (т.е. да увеличите тока на колектора). В този случай се използва паралелно свързване на необходимия брой транзистори.

Естествено, те трябва да са приблизително еднакви по отношение на характеристиките. Но трябва да се помни, че максималният общ ток на колектора не трябва да надвишава 1,6-1,7 от ограничаващия колекторен ток на някой от каскадните транзистори.
Въпреки това (благодарение на wrewolf за коментара), това не се препоръчва за биполярни транзистори. Защото два транзистора, дори от един и същи тип, са поне малко различни един от друг. Съответно, когато са свързани паралелно, през тях ще протичат токове с различна величина. За изравняване на тези токове в емитерните вериги на транзисторите се монтират балансиращи резистори. Стойността на съпротивлението им се изчислява така, че падането на напрежението върху тях в диапазона на работните токове да е не по-малко от 0,7 V. Ясно е, че това води до значително влошаване на ефективността на веригата.

Може също да има нужда от транзистор с добра чувствителност и добро усилване. В такива случаи се използва каскада от чувствителен, но маломощен транзистор (на фигурата - VT1), който контролира захранващата енергия на по-мощен брат (на фигурата - VT2).

Други приложения за биполярни транзистори

Транзисторите могат да се използват не само за схеми за усилване на сигнала. Например, поради факта, че могат да работят в режими на насищане и прекъсване, те се използват като електронни ключове. Също така е възможно да се използват транзистори във вериги на генератора на сигнали. Ако работят в режим на ключ, тогава ще се генерира сигнал с квадратна вълна, а ако в режим на усилване, тогава произволна форма на вълната, в зависимост от управляващото действие.

Маркиране

Тъй като статията вече е нараснала до неприлично голям обем, в този параграф просто ще дам две добри връзки, които описват подробно основните системи за маркиране на полупроводникови устройства (включително транзистори): http://kazus.ru/guide/transistors /mark_all .html и файл .xls (35 kb).

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

Етикети: Добавяне на етикети