Как определить режим работы в биполярных транзисторах. Виды биполярных транзисторов

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор.

Биполярный транзистор - электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного(полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока - основной "большой" ток, и управляющий "маленький" ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

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

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector иemitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

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

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

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

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE - 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет "дотянуться" своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

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

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

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P собереться еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом,при небольшом изменении тока базы IB, сильно меняеться ток коллектора IС. Так и происходитусиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора IС к току базы IBназывается коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = IC / IB

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы Ib

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

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить - около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора IС

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

3. Расчет выходного напряжения Vout

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

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

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз - далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

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

Режимы работы биполярного транзистора

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

• Режим отсечки (cut off mode).

• Активный режим (active mode).

• Режим насыщения (saturation mode).

• Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

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

Активный режим

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

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

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

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

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

β - величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий - в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

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

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

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

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление Rout = 0 (Rвых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

studfiles.net

Биполярный транзистор: принцип работы | joyta.ru

В этой статье постараемся описать принцип работы самого распространенного типа транзистора - биполярного. Биполярный транзистор является одним из главных активных элементов радиоэлектронных устройств. Предназначение его – работа по усилению мощности электрического сигнал поступающего на его вход. Усиление мощности осуществляется посредством внешнего источника энергии. Транзистор - это радиоэлектронный компонент, обладающий тремя выводами

 

Конструкционная особенность биполярного транзистора

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

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

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

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

 

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

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

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

Биполярный транзистор  принцип работы

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

 

Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу. Таки образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера. Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.

В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе восполняется от плюса источника ЕЭ. В результате этого в электрической цепи базы будет течь довольно слабый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под разгоняющим воздействием поля запертого коллекторного перехода, как неосновные носители, будут перемещаться в коллектор, создавая коллекторный ток. Перенос носителей зарядов из зоны, где они были неосновными, в зону, где они становятся основными, именуется экстракцией электрических зарядов.

www.joyta.ru

Типы транзисторов - подробная классификация полупроводника

Классификация, основанная на их структуре

 

Точечный транзистор

Это были одни из первейших германиевых транзисторов, которые работали на основе сложного и ненадёжного процесса образования электричества. По этой причине не справлялись с возложенными на них задачами довольно часто. У них был коэффициент усиления тока a с общей базой больше единицы и демонстрировал отрицательное сопротивление.

Биполярный плоскостной транзистор

Эти транзисторы имеют три вывода (эмиттер, базу и коллектор), отсюда вытекает то, что они обладают двойным соединением, а именно соединением база-эмиттер и соединением коллектор-база. Это токоуправляемые устройства, чья проводимость тока основывается одновременно на главном, и на побочном носителе заряда (поэтому транзистор и называется биполярным).

Они могут быть и (i) npn с основными носителями заряда в виде электронов или (ii) pnp. Обособленно стоят многие другие типы биполярных плоскостных транзисторов:

— Биполярный гетеротранзистор: эти транзисторы подходят для устройств с высокой частотой и у них участки эмиттера и базы сделаны из отличающихся полупроводниковых материалов.

— Транзистор Шотки или зажатые транзисторы Шотки: они используют барьер Шотки для избегания насыщения транзистора.

— Лавинные транзисторы: это по-особенному устроенные транзисторы, которые действуют в зоне лавинного сбоя (где действующее напряжение будет больше чем напряжение сбоя) и имеют очень высокие скорости переключения.

— Транзисторы Дарлингтона: эти транзисторы имеют два отдельных транзистора, которые каскадно включены таким образом, что в результате устройство обладает очень высоким коэффициентом усиления тока.

— Транзистор с множественным эмиттером: этот вид транзисторов специально сделан так, чтобы понимать логические операции.

— Транзистор с множественной базой: он использует для усиления очень низкий уровень сигнала среди шумного окружения за счёт конструктивного добавления сигнала, в отличии от случайного шума.

— Диффузионный транзистор: эти транзисторы основаны на том, что имеется диффундирующий полупроводниковый материал с необходимыми присадками.

 

Полевой транзистор

Эти транзисторы являются транзисторами, которые управляются напряжением. Эти транзисторы имеют три вывода. Один из них, вывод затвора, контролирует поток электрического тока между выводом источника и выводом стока. Их также называют монополярными устройствами, поскольку их проводимость тока является лишь следствием основных носителей заряда, согласно с чем, они могут быть одновременно N-канальными (большинство носителей заряда являются электронами) и P-канальными полевыми транзисторами.

Полевые транзисторы также могут быть подразделены на:

— Плоскостные полевые транзисторы: Они могут быть как pn, так и транзисторами с металлическим полупроводником, которые зависят от того, имеют ли они pn-соединение или соединение в виде Барьера Шотки.

— Металлические оксидные полупроводниковые полевые транзисторы или транзисторы с изолированным затвором: Эти устройства имеют изолирующий слой под их выводом затвора, который приводит к очень высокому полному сопротивлению на входе. Они могут быть как истощающими, так и усиливающими, что зависит от того, имеют ли они уже существующий канал или нет, что уже влияет на их поведение в присутствии или отсутствии напряжения на затворе.

— Металлические окисел полупроводниковые полевые транзисторы с двойным затвором: Это в частности очень полезные транзисторы в устройствах с радиочастотой. Они имеют два последовательных контроля затвора.

— Транзистор с высокой мобильностью электронов или гетероструктурный полевой транзистор: Эти транзисторы характеризуются присутствием гетеро-связей, которые заключаются между разными материалами на той и другой стороне соединения и используются в устройствах с очень высокой микроволновой частотой. Другие разновидности этих транзисторов, включая метаморфные, псевдоморфные, индуцированные, гетероструктрные изолированные и модуляционные с примесями.

— Плавниковые полевые транзисторы: Они имеют двойной затвор, ширина их эффективного канала обеспечивается тонким кремниевым “плавником”, который формирует тело транзистора.

— Вертикальный металл-окисел полупроводниковый: По конструкции схож с обычным металл-окисел полупроводниковым, но есть и различие, заключающееся в наличии V-образной канавки, которая увеличивает их сложность и стоимость.

— Металл-окисел полупроводниковый с U-образной канавкой: У них структура в виде траншей, и они почти такие же как предыдущие, только канавка у них не V-образная, а U-образная.

— Траншейный металл-окисел полупроводниковый: Имеется вертикальная структура с выводом источника и стока на вершине и дне соответственно.

— Металлический нитрид окисел полупроводниковый: Этот вид транзистора является дополнением к технологии металл окисел полупроводниковых и использует нитрид окисел как изоляционный слой.

— Полевые транзисторы с быстрым обратным или быстрым восстанавливающим эпитаксиальным диодом: Это ультра быстрые полевые транзисторы с возможностью быстрого выключения для диода, расположенного в корпусе.

— Обеднённый полевой транзистор: Эти транзисторы основаны на абсолютно истощенных субстратах.

— Туннельный полевой транзистор: Они работают на принципе квантового туннелирования и широко применяются в электронике с низкой энергией, включая цифровые схемы.

— Ионно-чувствительный полевой транзистор: Данный транзистор использует концентрацию ионов для регулирования величины потока электрического тока, проходящего через него. Эти устройства широко используются в медико-биологических исследованиях и наблюдении за окружающей средой.

— Биологически-чувствительные полевые транзисторы: В этих транзисторах биологические молекулы, привязанные к выводу затвора, изменяют распределение заряда и меняют проводимость каналов. Существует множество разновидностей этих устройств, например днк полевые транзисторы, иммунные полевые транзисторы и т.д.

— Полевые транзисторы с органической памятью за счёт наночастиц: Эти устройства имитируют поведение интернейрон сигнала и применяется в области искусственного интеллекта.

— Органические полевые транзисторы: Их структура основана на концепции тонкоплёночных транзисторов. Для их канала используются органические полупроводники. Они широко используются в электронике, разлагаемой микроорганизмами.

— Шестиугольные полевые транзисторы: Их область матрицы основана на базовых ячейках, имеющих шестиугольную форму, которые, в свою очередь, уменьшают размер матрицы, увеличивая плотность канала.

— Полевые транзисторы с углеродной нанотрубкой: Канал сделан из углеродной нанотрубки (одиночной или массива), а не из кремния.

— Полевой транзистор с нанолентой из графена: Они используют наноленты из графена как материал для их каналов.

— Полевые транзисторы с вертикальной прорезью: Эти двух-затворные устройства с вертикальной кремниевой прорезью ни что иное как узкий коридор кремния между двух более больших кремниевых участков.

— Квантовые полевые транзисторы: эти транзисторы характеризуются очень высокой скоростью действия и работой на принципе квантового туннелировнаия.

— T-инвертированные транзисторы: Часть такого устройства вертикально расширена из горизонтальной плоскости.

— Тонкоплёночный транзистор: В качестве активного полупроводника используются тонкие плёнки, изолятор и металл прокладываются по непроводящему материалу, такому как стекло.

— Баллистические транзисторы: Их используют в высокоскоростных интегрированных схемах, их работа основана на использовании электромагнитных сил.

— Электролит окисел полупроводниковые полевые транзисторы: У них металлическая часть стандартных металл-окисел полупроводниковых заменена на электролит. Их используют для обнаружения нейронной активности.

Классификация, основанная на функциях транзисторов

1. Транзисторы с маленьким сигналом: Этот тип транзисторов используется в частности для усиления сигналов с низким уровнем (редко – для переключения) и может быть как npn, так и pnp по своей конструкции.

2. Маленькие переключающие транзисторы: Широко применяются для переключения, несмотря на то, что они могут быть вовлечены в процесс усиления. Эти транзисторы доступны сразу и в виде npn, и в виде pnp.

3. Силовой транзистор: Их используют как силовые усилители в мощных устройствах. Это могут быть npn, или pnp, или транзисторы Дарлингтона.

4. Высокочастотные транзисторы: их также называют радиочастотными транзисторами. Они используются в устройствах, где есть высокоскоростное переключение, где маленькие сигналы действуют на больших частотах.

5. Фототранзистор: Это устройства с двумя выводами, которые чувствительны к свету. Они являются ни чем иным, как стандартными транзисторами, которые имеют фоточувствительную область как замещение базовой области.

6. Однопереходные транзисторы: Используются исключительно как переключатели и не подходят для усиления.

7. Транзисторы для биомедицинских исследований и для исследования окружающей среды: Их название говорит само за себя.

В дополнение к этому, существуют также биполярные транзисторы с изолированным затвором, которые сочетают в себе особенности одновременно биполярных плоскостных транзисторов и полевых транзисторов. Они используют изолированный затвор для контроля биполярного силового транзистора, выступая в роли переключателя.

Также есть устройства, которые имеют два туннельных перехода, включая участок, контролирующий затвор. Их называют одиночными электронными транзисторами. Транзисторы без переходов и с нанопроволокой не имеют перехода затвора, что приводит к более плотным и дешёвым микрочипам. Наконец, стоит отметить, что это были лишь некоторые типы транзисторов среди множества типов, которые представлены на рынке.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

elektronchic.ru

Виды транзисторов

Существуют десятки тысяч транзисторов. Их все можно разделить на несколько типов по характеристикам. Я расскажу какие существуют виды транзисторов и чем они друг от друга отличаются. 

Транзисторы можно разделить на виды по таким характеристикам как: 

• Физическое строение
• Принцип действия
• Мощность
• Полоса пропускания частот
• Коэффициент усиления по току
• и т.д.

Но основными являются четыре: физическая структура транзистора, принцип действия транзистора, мощность и полоса рабочих частот транзистора.

По принципу действия все транзисторы можно разделить на две большие группы: биполярные транзисторы и полевые транзисторы. Различаются они как принципом действия, так и физическим строением. При этом различается как структура транзистора, так и принцип их функционирования. Внешне оба вида выполняют те же функции, но внутри у полевых и биполярных транзисторов всё работает иначе. 

Посмотри на схему выше. Как ты уже заметил, и у биполярных и у полевых транзисторов есть общие характеристики: мощность и частота. Которые могут быть малыми, средними, высокими.

Рассеиваемая мощность транзистора

При это маломощными считаются транзисторы, которые в состоянии рассеять не более 0.3 Вт, транзисторы средней мощности в состоянии рассеять уже от 0.3 Вт до 1.5 Вт. Ну а мощные транзисторы рассеивают более 1.5Вт. 

Полоса пропускания транзистора

Так называют диапазон частот, в которых транзистор сохраняет свои качества как транзистора. На выбор транзистора по частоте сильно влияет тип твоего устройства и с какими частотами сходящих сигналов оно должно уметь работать правильно.

Биполярный транзистор

Я не буду описывать строение транзистора, для этого сущесвуют другие статьи. В этот раз я хочу заострить твоё внимание на том, что в семейсве биполярных транзисторов есть два клана. Этоклан транзисторов со структурой N-P-N и клан со структурой P-N-P. Кроме физ. строения каких либо других различий между ними нет. 

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы также как и биполярные можно разделить на транзисторы P- и N-типа. Но помимо этого они делять ещё два вида: MOSFET и JFET. MOSFET -- это полевой транзистор с изолированным затвором и JFET -- это полевой транзистор с единственным PN-переходом.

Разница между полевым и биполярным транзисторами
Принцип работы	биполярный	полевой
	Управляются током. Для работы требуется подавать начальный ток смещения на базу	Управляются напряжением. Всё что им требуется для работы - это подача напряжения на затвор
	Обладают сравнительно малым входным сопротивлением, поэтому потребляют от больший ток, чем полярные	Обладают высоким входным сопротивлением, что означает практически отсутствующих входной ток транзистора. Позволяет меньше нагружатьисточник питания за счет меньшего потребления тока от источника
Усиление по току	Биполярные транзисторы обладают больее высоким коэфф. усиления.	Коэфф. усиления меньше, чем в биполярном транзисторе.
Размер	Имеют средний и большой размер.	Полевые транзисторы можно производить для повернохстного монтажа. А также использовать в интегральных схемах.
Популярность	Сегодня биполярне транзисторы стали уступать свои позиции перед FET	FET-транзисторы сновятся все более популярны и активно используются в коммерческом ПО.
Стоимость	Биполярные транзисторы дешевы в производстве.	FET, а особенно MOSFET значительно дороже произвести, чем биполярные транзисторы.

 

Вот и всё. Конечно за кадром остались глубокие принципы работы транзисторов. Но сделано это намеренно. О них я расскажу как-нибудь в другой раз. 

mp16.ru

Разновидности биполярных транзисторов — Мегаобучалка

Многоэмиттерный транзистор.

 

Структура многоэмиттерного транзистора (МЭТ) показана на рисунке 4.10а, а его условное обозначение на рисунке 4.10в. Такие транзисторы

Рисунок 4.10

 

составляют основу цифровых ТТЛ ИМС, рассмотренных выше. Количество эмиттеров может составлять 2-8 и более. В первом приближении МЭТ можно рассматривать как совокупность отдельных транзисторов с соединенными базами и коллек­торами. Особенности МЭТ как единой структуры следующие.

Во-первых, каждая пара смежных эмиттеров вместе с разделяю­щим их

р-слоем базы образует горизонтальный(иногда говорят - продольный)тран- зистор типа n+-р-n+.Если на одном из эмиттеров действует прямое напряжение, а на другом обрат­ное, то первый будет инжектировать электроны, а второй будет собирать те из них, которые инжектированы через боковую поверхность эмиттера и прошли без рекомбинации расстояние между эмиттерами. Такой транзисторный эффектявляется для МЭТ паразитным. Чтобы избежать горизон­тального транзисторного эффекта, расстояние между эмиттерами дол- жно превышать диффузионную длину носителей в базовом слое. Если транзистор легирован золотом, то диффузионная длина не превышает 2-3 мкм и практически оказы­вается достаточным расстояние между эмиттерами

10-15 мкм.

Во-вторых, важно, чтобы МЭТ имел как можно меньший инверс­ный коэффициент передачи тока. В противном случае в инверсном режиме, когда эмиттеры находятся под обратным напряжением, а коллектор под прямым, носители, инжектируемые коллектором, будут достигать эмиттеров, и в цепи последних, несмотря на их обратное смещение, будет протекать ток - паразитный эффект аналогичный отмеченному выше.

Как известно, инверсный коэффициент передачи всегда меньше нормального из-за различия в степени легирования и в площадях эмиттера и коллектора. Чтобы дополнительно уменьшить инверсный коэффициент передачи тока ai в МЭТ, искусственно увеличивают сопро­тивление пассивной базы, удаляя омический базовый кон­такт от активной области транзистора (рисунок 4.10б, металлизация не изображена).При такой конфигурации сопротивление узкого «перешейка» между активной областью и базовым контактом может составлять 200-300 Ом, а падение напряжения на нем от базового тока 0,1-0,15 В. Значит, прямое напряжение на коллекторном переходе (в инверсном ре­жиме) будет в активной области на 0,1-0,15 В меньше, чем вблизи базового контакта. Соответственно инжекция электронов из коллек­тора в активную область базы будет незначительной и паразитные токи через эмиттеры будут практически отсутствовать.

 

Транзистор с барьером Шоттки.

 

На рисунке 4.11а показана структура интегрального транзистора Шоттки (ТШ). Здесь очень изящно ре­шена задача сочетания транзистора с диодом Шоттки: алюминиевая металлизация, обеспечивающая омический контакт со слоем базы, продлена в сторону коллекторного n-слоя. На первый взгляд, коллекторный слой оказался закороченным со слоем базы. На самом же деле алюминиевая полоска образует с р-слоем базы невыпрямляющий, омический контакт, а с n-слоем коллектора выпрямляющий контакт Шоттки.

Рисунок 4.11

Разумеется, структурное решение, показанное на рисунке 4.11а, можно использовать не только в простейшем транзисторе, но и в МЭТ. В обоих случаях отсутствуют накопление и рассасывание из­быточных зарядов, и получается существенный (в 1,5-2 раза) вы­игрыш во времени переключения транзисторов из откры­того в запертое состояние.

Условное графическое обозначение (ТШ) приведено на рисунке 4.11б.

Транзисторы р-n-р

Получение р-n-р транзисторов с такими же высокими пара­метрами, как и n-р-n транзисторы, в едином технологическом цикле остается до сих пор нерешенной задачей. Поэтому все су­ществующие варианты интегральных р-n-р транзисторов су­щественно уступают n-p-n транзисторам по коэффициенту усиления и предельной частоте.

Как известно, при прочих равных условиях кремниевые р-n-p транзисторы уступают n-p-n транзисторам по пре­дельной частоте примерно в 3 раза из-за меньшей подвижности ды­рок по сравнению с электронами. Поэтому в данном случае, говоря о меньшей предельной частоте p-n-p транзисторов, мы имеем в виду, что не удается обеспечить те «равные условия», при которых различие было бы только в три раза.

В настоящее время основным структурным вариантом является горизо- нтальный p-n-p транзистор (рисунок 4.12). Эмиттерный и коллекторный слои

Рисунок 4.12

получаются на этапе базовой диффузии n-р-n транзистора, причем коллек- торный слой охватывает эмиттер со всех сторон. Это позволяет собирать инжектированные дырки со всех боковых частей эмиттерного слоя. Припо- верхностные боковые участки р-слоевхарактерны повышенной концентрацией примеси, что способствует увеличению коэффициента инжекции. Поскольку базовая диффузия сравнительно мелкая (2-3 мкм), ширину базы (т. е. рассто- яние между р-слоями) удается сделать порядка 3-4 мкм. В результате пре- дельная частота может составлять до 20-40 МГц, а коэффициент усиления до 50.

Из рисунка 4.12 видно, что горизонтальный p-n-p транзистор (как и паразитный) является бездрейфовым, так как его база однородная- эпитаксиальный n-слой. Этот фактор вместе с меньшей подвижностью дырок предопределяет примерно на порядок худшие частотные и переходные свойства p-n-p транзистора даже при той же ши­рине базы, что и у дрейфового n-p-n транзистора. Из рисунка также видно, что для увеличения коэффициента передачи эмиттер­ного тока желательно, чтобы пло­щадь донной части эмиттерного слоя была мала по сравнению с площадью боковых частей. Значит, эмиттерный слой нужно делать как можно более узким (ширина окна под диффузию этого слоя состав­ляет 3-5 мкм).

Заметим, что горизонтальному p-n-p транзистору свойственна электрофизическая сим­метрия, так как слои эмиттера и коллектора однотипные. В частности, это означает, что пробив­ные напряжения эмиттерного и коллекторного переходов одина­ковы (обычно 30-50 В).

Недо­статки горизонтального p-n-p транзистора можно устранить в верти- кальной структуре, но ценой дополнительных технологических операций.

Интегральные диоды

Отдельно диодные структуры в ППИМС не формируются, а в качестве диода используются любой из двух p-n переходов транзистора: эмиттерный или коллекторный. Можно также использовать их комбинации. Поэтому по существуинтегральный диод представляет собой диод­ное включение интегрального транзистора.

Рисунок 4.13

 

Пять возможных вариантов диодного включения транзистора показаны на рисунке 4.13. В таблице 4.1 приведены типичные параметры этих вариантов. Для них приняты следующие обозначения: до чер­точки стоит обозначение анода, после черточки - катода; если два слоя соединены, их обозначения пишутся слитно. Из таблицы видно, что варианты различаются как по статическим, так и по ди­намическим параметрам.

Пробивные напряженияUПР зависят от используемого перехода: они меньше у тех вариантов, в которых используется эмиттерный переход (см. таблицу 4.1).

Обратные токи IОБР (без учета токов утечки) - это токи термо­генерации в переходах. Они зависят от объема перехода и, следовательно, меньше у тех вариантов, у которых используется только эмиттерный переход, имеющий наименьшую площадь.

Емкость диодаСд (т. е. емкость между анодом и катодом) за­висит от площади используемых переходов; поэтому она макси­мальна при их параллельном соединении (вариант Б- ЭК). Пара­зитная емкость на подложкуСП шунтирует на «землю» анод или ка­тод диода (считается, что подложка заземлена). Емкость СП, как правило, совпадает с емкостью СКП, с которой мы встретились при рассмотрении n-p-n транзистора (рисунок 4.7). Однако у ва­рианта Б - Э емкости СКП и СК оказываются включенными после­довательно и результирующая емкость СП минимальна.

 

Таблица 4.1

Параметр	Тип диодов
БК-Э	Б-Э	БЭ-К	Б-К	Б-ЭК
UПР, В	7-8	7-8	40-50	40-50	7-8
IОБР, нА	0,5-1	0,5-1	15-30	15-30	20-40
СД, пФ	0,5	0,5	0,7	0,7	1,2
СП, пФ		1,2
tВ, нс

 

Время восстановленияобратного тока tВ(т. е. время переключения диода из открытого в закрытое состояние) минимально у варианта БК-Э; у этого варианта заряд накапливается только в базовом слое (так как коллекторный переход закорочен). У других вариан­тов заряд накапливается не только в базе, но и в коллекторе, так что для рассасывания заряда требуется большее время.

Сравнивая отдельные варианты, приходим к выводу, что в целом оптимальными вариантами являютсяБК-Э и Б-Э.Малые пробивные напряжения этих вариантов не играют существенной роли в низковольтных ИМС. Чаще всего используется вариант БК-Э.

Помимо собственно диодов, в ИМС часто используются интеграль­ные стабилитроны. Они также осуществляются в нескольких ва­риантах, в зависимости от необходимого напряжения стабилизации и температурного коэффициента.

Если необходимы напряжения 5-10 В, то используют обрат­ное включение диода Б-Э в режиме электрического пробоя, при этом темпе­ратурная нестабильность составляет + (2-5) мВ/° С.

Широкое распространение имеют стабилитроны, рассчитанные на на-

пряжения, равные или кратные напряжению на открытом пе­реходе U*»0,7 В. В таких случаях используют один или несколь­ко последовательно включенных диодов БК-Э, работающих в прямом направлении. Температурная нестабильность в этом случае составляет -(1,5-2) мВ/° С.

Если в базовом слое осуществить два p-n перехода,то при подаче напряжения между n+-слоями один из переходов работает в режиме лавинного пробоя, а второй - в режиме прямого смещения. Такой вариант привлекателен малой темпера­турной нестабильностью (±1 мВ/°С и менее), так как температур­ные нестабильности при лавинном пробое и при прямом смещении имеют разные знаки.

 

Полевые транзисторы

megaobuchalka.ru

Лекция № 6 -Биполярные транзисторы

    Транзистор - это усилительный элемент. Он усиливает слабую энергию подаваемого на него сигнала за счет энергии дополнительного источника питания.

    Пример. Все мы ездили хоть раз на поезде, на электричке или, хотя бы, на трамвае. Когда поезд тормозит, всегда слышно характерное шипение. Это работает пневматический привод тормозов. Иными словами, сжатый воздух идет от бака к тормозам. Тормозные колодки подключены к поршню. Когда на поршень начинает давить сжатый воздух - поршень движется вперед и прижимает колодки плотно к колесу. Поезд тормозит. А отчего воздух начинает поступать на поршень? Вероятно, так хочет машинист. Он открывает у себя в кабине вентиль, и воздух идет. Все просто!

Небольшая поясняющая картинка:

       Теперь зададимся вопросом, а смог бы машинист остановить поезд, если бы тормозной рычаг был непосредственно связан с тормозными колодками? Наверно, нет. Каким бы силачом он не был, остановить поезд человеку не под силу. А сжатый воздух делает это запросто, достаточно лишь открыть вентиль.

     Итог: машинист тратит маленькую энергию на то, чтоб нажать тормозной рычаг. Открывается клапан, и мощный поток сжатого воздуха, с много большей энергией, прижимает тормозные колодки. То есть, клапан можно назвать усилительным элементом, который усиливает слабую энергию, затрачиваемую человеком за счет сильной энергии сжатого воздуха.

 В транзисторе все абсолютно так же. Только через него проходит не сжатый воздух, а электрический ток.

 

 

(Москатов Е. А. Книга «Электронная техника. Начало»)

   Транзисторами называют полупроводниковые приборы, которые располагают не менее чем тремя выводами и в определённых обстоятельствах могут усиливать мощность, преобразовывать сигнал, или генерировать колебания. Различных видов транзисторов много – это полевые (униполярные) и биполярные транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором и однопереходные (двухбазовые) транзисторы, фототранзисторы и другие.

  Усилительные каскады, выполненные на транзисторах, требуют небольшого напряжения питания величиной всего в несколько вольт, а КПД может достигать нескольких десятков процентов. Транзисторы по сравнению с электронными лампами обладают большей экономичностью, низким энергопотреблением, длительным временем наработки на отказ, малой массой и габаритами, высокой механической прочностью. К недостаткам транзисторов следует отнести невысокую радиационную стойкость, невозможность работы при температуре полупроводникового кристалла из кремния значительно выше 125 °C и прочее.

  Транзисторы классифицируют по материалу полупроводника, подразделяя на германиевые, кремниевые, из арсенида галлия и прочие.

  Биполярные транзисторы, у которых две из трёх областей имеют дырочный тип проводимости, называют транзисторами с прямой проводимостью, или структуры p-n-p. А биполярные транзисторы, у которых две из трёх областей имеют электронный тип проводимости, называют транзисторами с обратной проводимостью, или структуры n-p-n.

  ;Рассматриваемые приборы, которые не способны усиливать сигнал с частотой более 3 МГц, называют низкочастотными транзисторами. Приборы, которые могут усиливать сигнал с частотой более 3 МГц, но менее 30 МГц, называют среднечастотными транзисторами. А транзисторы, которые допускают усиление сигнала с частотой, превышающей 30 МГц, называют высокочастотными, а позволяющие работать на ещё большей частоте (выше 300 МГц) называют сверхвысокочастотными.

  Если компоненты не могут обеспечить мощность рассеяния, превышающую 0,3 Вт, то такие транзисторы называют маломощными. Приборы, которые имеют рассеиваемую мощность более 0,3 Вт, но менее 3 Вт, называют транзисторами средней мощности. А транзисторы, мощность рассеяния которых превышает 3 Вт, называют мощными транзисторам

 

 Для изготовления дискретного биполярного транзистора необходим полупроводник электронного или дырочного типов проводимости, именуемый, как и вывод от него, базой, который, например, методом сплавления или диффузии легируют акцепторными примесями так, чтобы по обе стороны от базы были выполнены зоны с противоположными типами проводимостей. Это отражено на упрощённой конструкции сплавного биполярного транзистора, приведённой на рис. 4.1.

 

 

 На рисунке цифрами обозначены:

1 – коллектор;

2 – база транзистора, например, образованная кристаллом германия или кремния;

3 – основание компонента;

4, 5 – вплавленные в кристалл примеси, например, индия или алюминия;

6 – кристаллодержатель;

7 – эмиттер.

 Кристалл полупроводника, образующий базу транзистора, в данном случае механически прикреплён и электрически соединён с металлической пластинкой, приваренной к стенке компонента. Толщина базы обычно не превышает нескольких микрон. На рисунке видно, что эмиттерная область имеет меньшую площадь, чем коллекторная. Между базой и коллектором лежит коллекторный переход, а между базой и эмиттером – эмиттерный переход. В области базы транзистора концентрация носителей заряда чрезвычайно низка, а, следовательно, её проводимость очень мала. В области коллектора концентрация и проводимость намного больше, чем в области базы, а в области эмиттера несколько выше, чем в области коллектора. Таким образом, концентрации носителей зарядов в областях транзисторов существенно отличаются.

 Усиление или генерация колебаний транзисторами связана с инжекцией носителей зарядов обоих типов. Те компоненты, в которых перемещение носителей зарядов возникает по большей части за счёт диффузии, называют диффузионными транзисторами, а если за счёт дрейфа – то дрейфовыми транзисторами.

 В диффузионных транзисторах неосновные носители заряда проходят область базы за счёт теплового движения. Чтобы диффузионный транзистор мог обладать высокой граничной частотой усиления, необходимо выполнить область базы как можно меньшей толщины, однако в результате этого её сопротивление будет велико. Если попробовать увеличить её проводимость благодаря легированию, то возрастёт ёмкость коллекторного перехода, что ухудшит частотные свойства транзистора.

 В дрейфовых транзисторах создают такое неравномерное распределение примесей в области базы, чтобы концентрация примеси в зоне прилегания базы к эмиттеру была ориентировочно от 2-х до 4-х порядков выше, чем в зоне прилегания базы к коллектору. Благодаря этому неосновные носители заряда будут быстрее преодолевать базу под действием укоряющего поля коллекторного перехода, что позволяет дрейфовым транзисторам иметь более высокую граничную частоту усиления сигнала, чем диффузионным транзисторам. А сопротивление области базы мало даже при небольшой её толщине благодаря легированию места прилегания базы к эмиттеру. Некоторые дрейфовые транзисторы предназначены для усиления и генерации СВЧ сигналов и могут работать на частотах в несколько десятков гигагерц.

Изучим принцип усиления биполярного транзистора, для чего обратимся к рисунку 4.2, на котором изображено движение носителей заряда в транзисторе p-n-p структуры, включённом по схеме с общей базой. На нём протяжённости областей отражены без соблюдения масштаба и реальных размеров.

 

 

 На рисунке знаком плюса, обведённого в кружок, показаны дырки, а знаком обведённого в кружок минуса – электроны. В связи с тем, что в работе компонента участвуют и электроны, и дырки, такой транзистор именуют биполярным. Выводы база-эмиттер транзистора будем считать входом каскада, а выводы база-коллектор – его выходом.

 Благодаря включению двух источников питания переход база-коллектор закрыт, а переход база-эмиттер открыт. Из-за этого по переходу база-эмиттер будет течь эмиттерный ток, порождённый движением преимущественно электронов. Он течёт по цепи от положительного полюса источника питания база-эмиттер, по резистору R1, от области эмиттера транзистора к области базы, а затем к отрицательному полюсу этого же источника питания. Резистор R1 символизирует внутреннее сопротивление источника сигнала. Направление протекания тока символически стрелками отражено на рисунке. Эффективность инжекции характеризует коэффициент инжекции. В данном случае он равен отношению тока эмиттера, вызванного движением только основных носителей заряда, к полному току эмиттера, обусловленному миграцией и дырок, и электронов. Область базы обогащается инжектируемыми носителями заряда, которые в области эмиттера были основными, а в области базы стали неосновными. Поле коллекторного перехода является ускоряющим для попавших в область базы носителей зарядов, и это поле их втягивает в коллекторный переход. Происходит их рекомбинация с основными носителями заряда области базы. Однако она незначительна в связи с тем, что толщина области базы много меньше, чем двух других областей, и электроны почти беспрепятственно преодолевают область базы и оказываются в области коллектора, в которой они вновь станут основными носителями заряда. Успевшие рекомбинировать электроны вызывают протекание небольшого тока через вывод базы транзистора, который называют рекомбинационным. Рекомбинация некоторого количества носителей заряда в области базы происходит постоянно до тех пор, пока каскад не будет обесточен, так как электроны будут всё время поступать от положительного полюса источника питания база-эмиттер. Обогащение области коллектора носителями заряда, которые в ней будут основными, приводит к протеканию коллекторного тока транзистора. Он течёт по цепи от положительного полюса источника питания база-коллектор, по области базы, затем по области коллектора, по нагрузочному резистору R2, к отрицательному полюсу источника питания. Очевидно, что даже незначительное изменение напряжения база-эмиттер вызывает существенно большее изменение напряжения база-коллектор и, отдавая небольшую мощность управляющего сигнала, поданного на базу транзистора, можно управлять многократно большей мощностью нагрузки. Следовательно, рассматриваемый каскад может осуществить усиление сигнала по напряжению. Ток эмиттера транзистора при любом варианте включения последнего равен сумме токов коллектора и базы.

 Амплитуду тока коллектора транзистора можно вычислить по формуле:

Iк = Iэ • h31б + Iкбо,

где Iэ – ток эмиттера, А;

h31б или α – дифференциальный коэффициент передачи тока, который поступает в коллектор из эмиттера. Он равен отношению изменения тока коллектора к изменению тока эмиттера при фиксированных значениях температуры, напряжения база-коллектор и прочего: h31б = ΔIк / ΔIэ.

Iкбо – обратный ток коллектора транзистора, А.

Кроме того, ток коллектора транзистора допустимо найти согласно выражению:

Iк = Iб • h31э + Iкэо,

 

где Iб – ток базы, А;

h31э или β – это дифференциальный коэффициент передачи тока базы, соответствующий включению транзистора по схеме с общем эмиттером. Коэффициент h31э равен отношению приращения тока коллектора к приращению тока базы: h31э = ΔIк / ΔIб;

Iкэо – обратный ток коллектора при включении транзистора по схеме с общим эмиттером, А.

 Коэффициенты h31э и h31б связаны друг с другом соотношением:

h31э = h31б / (1 – h31б).

 Рассмотренный дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока h31б относят к одному из основных параметров транзистора. Коэффициент передачи тока эмиттера в описанном каскаде близок к единице и h31б обычно составляет от 0,94 до 0,999. Это означает, что усилительный каскад с транзистором, включённым по схеме с общей базой, не даёт усиления по току. Коэффициент усиления сигнала по мощности равен произведению коэффициентов усилений сигнала по току и по напряжению. Следовательно, данный каскад даёт чуть меньшее усиление по мощности, чем по напряжению.

 Для усиления сигналов любые транзисторные каскады тратят энергии источников питания, к которым подключены, и при этом всегда теряют часть энергии, и мощности потерь вызывают тепловыделения в компонентах.

 

Схема включения транзистора с общим эмиттером

  Между базой и эмиттером транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, подсоединяют источник сигнала, а к коллектору – нагрузку. К эмиттеру транзистора подключают полюсы одинаковых знаков источников питания. Входным током каскада выступает ток базы транзистора, а выходным током – ток коллектора. Это показано на рис. 4.3, на примере включения в электрическую цепь биполярного p-n-p транзистора.

 

 

  На практике обходятся одним источником питания, а не двумя. Направление протекания тока по выводам транзистора дано на рисунке. Включение n-p-n транзистора совершенно аналогично включению p-n-p транзистора, однако в данном случае придётся поменять полярность обоих источников питания.

 

 

   Коэффициент усиления каскада равен отношению тока коллектора к току базы и обычно может достигать от десятков до нескольких сотен. Транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, теоретически может дать максимальное усиление сигнала по мощности, относительно других вариантов включения транзистора. Входное сопротивление рассматриваемого каскада, равное отношению напряжения база-эмиттер к току базы, лежит в пределах от сотен до тысяч ом. Это меньше, чем у каскада с транзистором, подсоединённым по схеме с общим коллектором. Выходной сигнал каскада с общим эмиттером обладает фазовым сдвигом в 180° относительно входного сигнала. Флюктуации температуры оказывают значительное влияние на режим работы транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, и поэтому следует применять специальные цепи температурной стабилизации. В связи с тем, что сопротивление коллекторного перехода транзистора в рассмотренном каскаде выше, чем в каскаде с общей базой, то необходимо больше времени на рекомбинацию носителей заряда, а, следовательно, каскад с общим эмиттером обладает худшим частотным свойством.

 

Схема включения транзистора с общим коллектором

  К эмиттеру транзистора, включённого по схеме с общим коллектором, подсоединяют нагрузку, на базу подают входной сигнал. Входным током каскада является ток базы транзистора, а выходным током – ток эмиттера. Это отражено на рис. 4.5, на котором изображена схема включения биполярного p-n-p транзистора.

 

 

  С нагрузочного резистора, включённого последовательно с выводом эмиттера, снимают выходной сигнал. Вход каскада обладает высоким сопротивлением, обычно от десятых долей мегаома до нескольких мегаом из-за того, что коллекторный переход транзистора заперт. А выходное сопротивление каскада – напротив, мало, что позволяет использовать такие каскады для согласования предшествующего каскада с нагрузкой. Каскад с транзистором, включённым по схеме с общим коллектором, не усиливает напряжение, но усиливает ток (обычно в 10 … 100 раз). Фаза входного напряжения сигнала, подаваемого на каскад, совпадает с фазой выходного напряжения, т.е. отсутствует его инверсия. Именно из-за сохранения фазы входного и выходного сигнала каскад с общим коллектором носит другое название – эмиттерного повторителя. Температурные и частотные свойства эмиттерного повторителя хуже, чем у каскада, в котором транзистор подключён по схеме с общей базой.

 

Схема включения транзистора с общей базой

В каскаде, собранном по схеме с общей базой, напряжение входного сигнала подают между эмиттером и базой транзистора, а выходное напряжение снимают с выводов коллектор-база. Включение транзистора p-n-p структуры по схеме с общей базой приведено на рис. 4.6.

 

 

   В данном случае эмиттерный переход компонента открыт и велика его проводимость. Входное сопротивление каскада невелико и обычно лежит в пределах от единиц до сотни ом, что относят к недостатку описываемого включения транзистора. Кроме того, для функционирования каскада с транзистором, включённым по схеме с общей базой, необходимо два отдельных источника питания, а коэффициент усиления каскада по току меньше единицы. Коэффициент усиления каскада по напряжению часто достигает от десятков до нескольких сотен раз.

   К достоинствам нужно отнести возможность функционирования каскада на существенно более высокой частоте по сравнению с двумя другими вариантами включения транзистора, и слабое влияние на работу каскада флюктуаций температуры. Именно поэтому каскады с транзисторами, включёнными по схеме с общей базой, часто используют для усиления высокочастотных сигналов.

 

Биполярные фототранзисторы

   Фототранзистором называют транзистор, чувствительный к облучающему его световому потоку. Обычно дискретный фототранзистор по конструкции похож на дискретный транзистор, с тем отличием, что в герметичном корпусе фототранзистора есть окно, например, из стекла или прозрачной специальной пластмассы, через которое излучение попадает на область базы фототранзистора. Включение фототранзистора в электрическую цепь таково, что к эмиттеру подключают положительный полюс внешнего источника питания, к коллектору подсоединяют нагрузочный резистор, к которому в свою очередь подключают отрицательный полюс источника питания. При облучении области базы происходит генерация носителей зарядов. Наибольшая концентрация основных носителей заряда будет в базе, что приведёт к открытию фототранзистора, а неосновные носители заряда будут мигрировать в коллекторный переход. Следовательно, облучение фототранзистора приводит к увеличению тока его коллектора. Чем больше будет освещённость области базы, тем существенней станет ток коллектора фототранзистора. Таким образом, фототранзистором можно управлять и как обычным биполярным транзистором, варьируя током базы, и как светочувствительным прибором. К важным параметрам фототранзистора относят темновой ток, ток при освещении и интегральную чувствительность. Темновой ток – это ток коллектора при отсутствии облучения. Ток при освещении – ток коллектора при наличии облучения. Интегральная чувствительность – это отношение силы тока коллектора у подключённого фототранзистора к величине светового потока.

   Фототранзисторы применяют в оптронах, устройствах автоматики и телеуправления, в приборах уличного освещения и пр.

 

 

Влияние частоты на усилительные свойства биполярных транзисторов

Известно, что чем выше частота сигнала, поступающего на вход транзисторного каскада, тем меньше коэффициент усиления по току. Основной вклад в снижение усилительных свойств нужно отнести к барьерной ёмкости и отставанию переменных токов коллектора от эмиттера на время, необходимое для диффузии носителей заряда в области базы. Кроме того, ёмкости между корпусом и выводами транзистора пагубно влияют на усилительные свойства прибора.

Коллекторный переход транзистора обладает высоким сопротивлением. Повышение частоты приводит к снижению реактивной ёмкости коллекторного перехода, что приводит к его существенному шунтированию и ухудшению усилительных свойств каскада.

Носители заряда преодолевают область базы и рекомбинируют за небольшой конечный интервал времени, исчисляемый десятками наносекунд. Чем выше будет частота, тем существенней станет запаздывание носителей заряда. На постоянном токе сдвиг фаз между токами коллектора и эмиттера транзистора равен нулю, а полный ток базы минимален. На высокой частоте между переменными токами коллектора и эмиттера транзистора возникнет сдвиг фаз, которого не было на постоянном токе. При этом полный ток базы транзистора на высокой частоте много больше полного тока базы на низкой частоте и, тем более, на постоянном токе. Повышение тока базы для получения заданного фиксированного тока коллектора означает уменьшение коэффициента усиления транзистора по току.

Чтобы повысить граничную частоту усиления транзистора, необходимо выполнить область базы как можно меньшей толщины, повысить скорость прохождения через неё неосновных носителей зарядов, уменьшить ёмкость корпуса и выводов транзистора и прочее.

 

Влияние температуры на режимы работы биполярных транзисторов

  Чтобы германиевый транзистор не вышел из строя, температура его кристалла должна быть меньше примерно 70 °C, кремниевого транзистора – меньше 125 … 150 °C, а арсенид-галлиевого транзистора – меньше 150 … 200 °C. Введение легирующих добавок несколько корректирует максимально допустимую температуру кристалла, а некоторые специально сконструированные транзисторы выдерживают и более высокую температуру. Так, согласно справочным данным, кремниевый биполярный транзистор КТ921В был разработан для применения в геофизической аппаратуре при температуре корпуса компонента не более +200 °C. При существенно более высокой температуре транзистора он испортится из-за необратимой перестройки кристаллической решётки. Нагрев биполярных транзисторов вызывает увеличения проводимости области базы и обратного тока коллектора.

   При повышении температуры корпуса транзистора от 20 °C до 60 °C обратный ток коллектора обычно может возрасти до шести раз. Следовательно, флюктуации температуры оказывают очень существенное влияние на функционирование транзисторного каскада, вызывая значительные изменения режима его работы. Чтобы флюктуация температуры не привела, допустим, к возникновению автогенерации каскада, предназначенного для усиления, или другим вредным последствиям, необходимо применять цепи термостабилизации режимов работы транзисторов.

 

1-el.umi.ru

принцип работы и как проверить

Существуют различные виды полупроводниковых приборов – тиристоры, триоды, они классифицируются по назначению и типу конструкции. Полупроводниковые биполярные транзисторы способны переносить одновременно заряды двух типов, в то время, как полевые только одного.

Конструкция и принцип работы

Ранее вместо транзисторов в электрических схемах использовались специальные малошумящие электронные лампы, но они были больших габаритов и работали за счет накаливания. Биполярный транзистор ГОСТ 18604.11-88 – это полупроводниковый электрический прибор, который является управляемым элементом и характеризуется трехслойной структурой, применяется для управления СВЧ. Может находиться в корпусе и без него. Они бывают p-n-p и n–p–n типа. В зависимости от порядка расположения слоев, базой может быть пластина p или n, на которую наплавляется определенный материал. За счет диффузии во время изготовления получается очень тонкий, но прочный слой покрытия.

Фото – мпринципиальные схемы включения

Чтобы определить, какой перед Вами транзистор, нужно найти стрелку эммитерного перехода. Если её направление идет в сторону базы, то структура pnp, если от неё – то npn. Некоторые полярные импортные аналоги (IGBT и прочие) могут иметь буквенное обозначение перехода. Помимо этого бывают еще биполярные комплементарные транзисторы. Это устройства, у которых одинаковые характеристики, но разные типы проводимости. Такая пара нашла применение в различных радиосхемах. Данную особенность нужно учитывать, если необходима замена отдельных элементов схемы.

Фото – конструкция

Область, которая находится в центре, называется базой, с двух сторон от неё располагаются эммитер и коллектор. База очень тонкая, зачастую её толщина не превышает пары 2 микрон. В теории существует такое понятие, как идеальный биполярный транзистор. Это модель, у которой расстояние между эммитерной и коллекторной областями одинаковое. Но, зачастую, эммиторный переход (область между базой и эммитером) в два раза больше коллекторного (участок между основой и коллектором).

Фото – виды биполярных триодов

По виду подключения и уровню пропускаемого питания, они делятся на:

1. Высокочастотные;
2. Низкочастотные.

По мощности на:

1. Маломощные;
2. Средней мощности;
3. Силовые (для управления необходим транзисторный драйвер).

Принцип работы биполярных транзисторов основан на том, что два срединных перехода расположены по отношению друг к другу в непосредственной близости. Это позволяет существенно усиливать проходящие через них электрические импульсы. Если приложить к разным участкам (областям) электрическую энергию разных потенциалов, то определенная область транзистора сместится. Этим они очень похожи на диоды.

Фото – пример

Например, при положительном открывается область p-n, а при отрицательном она закрывается. Главной особенностью действия транзисторов является то, что при смещении любой области база насыщается электронами или вакансиями (дырками), это позволяет снизить потенциал и увеличить проводимость элемента.

Существуют следующие ключевые виды работы:

1. Активный режим;
2. Отсечка;
3. Двойной или насыщения;
4. Инверсионный.

Перед тем, как определить режим работы в биполярных триодах, нужно разобраться, чем они отличаются друг от друга. Высоковольтные чаще всего работают в активном режиме (он же ключевой режим), здесь во время включения питания смещается переход эмиттера, а на коллекторном участке присутствует обратное напряжение. Инверсионный режим – это антипод активного, здесь все смещено прямо-пропорционально. Благодаря этому, электронные сигналы значительно усиливаются.

Во время отсечки исключены все типы напряжения, уровень тока транзистора сведен к нулю. В этом режиме размыкается транзисторный ключ или полевой триод с изолированным затвором, и устройство отключается. Есть еще также двойной режим или работа в насыщении, при таком виде работы транзистор не может выступать как усилитель. На основании такого принципа подключения работают схемы, где нужно не усиление сигналов, а размыкание и замыкание контактов.

Из-за разности уровней напряжения и тока в различных режимах, для их определения можно проверить биполярный транзистор мультиметром, так, например, в режиме усиления исправный транзистор n-p-n должен показывать изменение каскадов от 500 до 1200 Ом. Принцип измерения описан ниже.

Основное назначение транзисторов – это изменение определенных сигналов электрической сети в зависимости от показателей тока и напряжения. Их свойства позволяют управлять усилением посредством изменения частоты тока. Иными словами, это преобразователь сопротивления и усилитель сигналов. Используется в различной аудио- и видеоаппаратуре для управления маломощными потоками электроэнергии и в качестве УМЗЧ, трансформаторах, контроля двигателей станочного оборудования и т. д.

Видео: как работает биполярные транзисторы

Проверка

Самый простой способ измерить h31e мощных биполярных транзисторов – это прозвонить их мультиметром. Для открытия полупроводникового триода p-n-p подается отрицательное напряжение на базу. Для этого мультиметр переводится в режим омметра на -2000 Ом. Норма для колебания сопротивления от 500 до 1200 Ом.

Чтобы проверить другие участки, нужно на базу подать плюсовое сопротивление. При этой проверке индикатор должен показать большее сопротивление, в противном случае, триод неисправен.

Иногда выходные сигналы перебиваются резисторами, которые устанавливают для снижения сопротивления, но сейчас такая технология шунтирования редко используется. Для проверки характеристики сопротивления импульсных транзисторов n-p-n нужно подключать к базе плюс, а к выводам эммитера и коллектора – минус.

Технические характеристики и маркировка

Главными параметрами, по которым подбираются эти полупроводниковые элементы, является цоколевка и цветовая маркировка.

Фото – цоколевка маломощных биполярных триодовФото – цоколевка силовых

Также используется цветовая маркировка.

Фото – примеры цветовой маркировкиФото – таблица цветов

Многие отечественные современные транзисторы также обозначаются буквенным шифром, в который включается информация о группе (полевые, биполярные), типе (кремниевые и т. д.,) годе и месяце выпуска.

Фото – расшифровка

Основные свойства (параметры) триодов:

1. Коэффициент усиления по напряжению тока;
2. Входящее напряжение;
3. Составные частотные характеристики.

Для их выбора еще используются статические характеристики, которые включают сравнение входных и выходных ВАХ.

Необходимые параметры можно вычислить, если произвести расчет по основным характеристикам (распределение токов каскада, расчет ключевого режима). Коллекторный ток: Ik=(Ucc-Uкэнас)/Rн

• Ucc – напряжение сети;
• Uкэнас – насыщение;
• Rн – сопротивление сети.

Потери мощности при работе:

P=Ik*Uкэнас

Купить биполярные транзисторы SMD, IGBT и другие можно в любом электротехническом магазине. Их цена варьируется от нескольких центов до десятка долларов, в зависимости от назначения и характеристик.

www.asutpp.ru

---

• 
  Если не дали отопление куда звонить
• 
  Что должна делать управляющая компания по содержанию дома
• 
  Торговая промышленность
• 
  Реле на схеме буквенное обозначение
• 
  Огуднево электросети диспетчер
• 
  Тесты на вторую группу по электробезопасности
• 
  Система заземления tn
• 
  Электрика термины
• 
  Схема подключения люминесцентной лампы с дросселем с стартером
• 
  Фрунзенский район отопление
• 
  Электрический заряд измеряется