Биполярные транзисторы. For dummies / Хабр

7.Транзисторы. Определение. Классификация, условные обозначения (включая полевые транзисторы).

Транзистор — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. На принципиальных схемах обозначается “VT” или “Q”.

Классификация:

1.По основному полупроводниковому материалу: германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые.

2.По структуре:

-Биполярные( n-p-n структуры, «обратной проводимости»; p-n-p структуры, «прямой проводимости».

-Полевые (с p-n переходом; с изолированным затвором).

3.Комбинированные транзисторы: транзисторы со встроенными резисторами; транзистор Дарлингтона; лямбда-диод; биполярный транзистор с изолированным затвором.

4.По мощности:

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

5.По исполнению:

дискретные транзисторы

корпусные (для свободного монтажа, для установки на радиатор, для автоматизированных систем пайки).

безкорпусные

транзисторы в составе интегральных схем.

6.По материалу и конструкции корпуса (метало-стеклянный, пластмассовый, керамический).

7.Прочие (одноэлектронные, биотранзистор).

Обозначение транзисторов разных типов. Условные обозначения: Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база; З — затвор, И — исток, С — сток.

8.Структура и принцип работы биполярного транзистора в режиме усиления.

В зависимости от сочетания знаков и значений напряжений на p-n-переходах транзистора различают следующие режимы его работы:

а) активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переход – обратное;

б) режим отсечки – на оба перехода поданы обратные напряжения (транзистор заперт);

в) режим насыщения – на оба перехода поданы прямые напряжения (транзистор полностью открыт);

г) инверсный активный режим – напряжение на эмиттерном переходе обратное, на коллекторном – прямое.

Режимы отсечки и насыщения характерны для работы транзистора в качестве электронного ключа; активный режим используют при работе транзистора в усилителях. Инверсное включение используется редко, например, в схемах двунаправленных переключателей, при этом транзисторы должны иметь симметричные свойства в обоих направлениях.

В режиме отсечки оба перехода заперты, через них проходят незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению переходов. В первом приближении можно считать, что все токи равны нулю, а между выводами транзистора имеет место разрыв.

В режиме насыщения через оба перехода проходит большой прямой ток. В первом приближении можно считать все выводы закороченными. Через смещенный в прямом направлении эмиттерный переход проходит достаточно большой прямой ток, обусловленный движением основных носителей заряда (в данном случае – электронов). Электроны пролетают через p-n-переход и инжектируются (впрыскиваются) в область базы; при этом дырки из области базы проходят через переход в эмиттер (для них p-n-переход также смещен в прямом направлении). Но поскольку эмиттер имеет большую концентрацию примесей, то поток электронов из эмиттера в базу намного сильнее потока дырок из базы в эмиттер. Именно электронный поток и является главным действующим лицом в транзисторе типа n -p-n (аналогично дырки – в транзисторе типа p-n-р).

Из-за диффузии и дрейфа (в дрейфовых транзисторах) электроны движутся в сторону коллекторного перехода, стремясь равномерно распределиться в толще базы. Так как база имеет очень малую толщину и малое число дырок, большинство разогнавшихся еще в эмиттере электронов не успевает рекомбинировать в базе, они достигают коллекторного p-n-перехода, где для них, как для неосновных носителей в области базы, обратное напряжение перехода не является барьером, и уже в коллекторе электроны попадают под притягивающее действие приложенного внешнего напряжения, образуя во внешней цепи коллекторный ток I_К .

В результате рекомбинации части электронов с дырками базы образуется ток базы I_Б, направленный в противоположную от коллектора сторону, и коллекторный ток оказывается несколько меньше эмиттерного. Через коллектор также течет обратный ток неосновных носителей – дырок, вызванный обратным смещением коллекторного перехода.

Биполярные транзисторы. For dummies

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

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

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

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

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

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

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

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

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

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

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

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

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

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

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

Режимы работы биполярного транзистора

Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Читайте также:

Чехол для нетбука своими руками

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

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

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

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

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

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Принцип работы, разновидности и устройство транзистора

Любое электронное устройство состоит из радиоэлементов. Они могут быть пассивными, не требующими источника питания, и активными, работа которых возможна только при подаче напряжения. Активными элементами называют полупроводники. Одним из важнейших полупроводниковых приборов является транзистор. Этот радиоэлемент пришёл на смену ламповым приборам и полностью изменил схемотехнику устройств. Вся микроэлектроника и работа любой микросхемы базируется именно на нём.

Общие сведения

Название «транзистор» произошло от слияния двух английских слов: transfer — переносимый, и resistor — сопротивление. В общепринятом понятии это полупроводниковый элемент с тремя выводами. В нём величина тока на двух выводах зависит от третьего, при изменении на котором тока или напряжения происходит управление значением тока выходной цепи. Вариацией тока управляются биполярные приборы, а напряжением — полевые.

Первые разработки транзистора были начаты в XX веке. В Германии учёный Юлий Эдгар Лилиенфельд описал принцип работы транзистора, а уже в 1934 году физиком Оскаром Хейл был зарегистрирован прибор, названный позже транзистором. Такое устройство работало на электростатическом эффекте поля.

Физики Уильям Шокли, Уолтер Браттейн вместе с учёным Джоном Бардином в конце 40-х годов изготовили первый макет точечного транзистора. С открытием n-p перехода выпуск точечного транзистора прекратился, а вместо него начались разработки плоскостных устройств из германия. Официально представлен был действующий прототип транзистора в декабре 1947 года. В этот день появился первый биполярный транзистор. Летом 1948 года начались продаваться устройства, выполненные на транзисторной основе. С этого момента распространённые на тот момент электронные лампы (триоды) начали уходить в прошлое.

В середине 50-х годов первый плоскостной транзистор был выпущен в серию компанией Texas Instruments, в качестве материала для его изготовления послужил кремний. На тот момент при производстве радиоэлемента выходило много брака, но это не помешало технологическому развитию прибора. В 1953 году на транзисторах была изготовлена схема, использующаяся в слуховых аппаратах, а годом позже американские физики получили за своё открытие Нобелевскую премию.

Март 1959 года ознаменовался созданием первого кремниевого планарного прибора, его разработчиком был физик из Швейцарии Жан Эрни. Пара транзисторов была успешно размещена на одном кристалле кремния. С этого момента и началось развитие интегральной схемотехники. На сегодняшний день в одном кристалле размещается более миллиарда транзисторов. Например, на популярном 8-ядерном компьютерном процессоре Core i7−5960X их количество составляет 2,6 миллиарда штук.

Параллельно с усовершенствованиями биполярного транзистора в 60-х годах начались разработки прибора на основе соединения металла с полупроводником. Такой радиоэлемент получил название МОП (металл-оксид-полупроводник) транзистор, сегодня более известный под обозначением «мосфет».

Изначально понятие «транзистор» относилось к сопротивлению, величина которого управлялась напряжением, поскольку транзистор можно представить как некий резистор, регулируемый приложенным потенциалом на одном выводе. Для полевых транзисторов, сравнение с которыми более верно, — потенциалом на затворе, а для биполярных транзисторов — потенциалом на базе или током базы.

Электронно-дырочный переход

Основа работы прибора заключается в способности n-p перехода пропускать ток в одну сторону. При подаче напряжения на одном переходе возникает его прямое падение, а на другом обратное. Зона перехода с прямым напряжением обладает малым сопротивлением, а с обратным — большим. Между базой и эмиттером протекает небольшой ток управления. От значения этого тока изменяется сопротивление между коллектором и эмиттером. Биполярный прибор бывает двух типов:

Отличие заключается лишь в основных носителях заряда, т. е. направлении тока.

Если соединить два полупроводника разного типа между собой, то на границе соединения возникает область или, как принято называть, p-n переход. Тип проводимости зависит от атомного строения материала, а именно насколько прочны связи в материале. Атомы в полупроводнике располагаются в виде решётки, и сам по себе такой материал не является проводником. Но если в решётку добавить атомы другого материала, то физические свойства полупроводника изменяются. Примешанные атомы образовывают, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки.

Образованные свободные электроны формируют отрицательный заряд, а дырки — положительный. В области перехода существует потенциальный барьер. Он образуется контактной разностью потенциалов, и его высота не превышает десятые доли вольта, препятствуя протеканию носителей заряда вглубь материала. Если переход находится под прямым напряжением, то величина потенциального барьера уменьшается, а величина проходящего через него тока увеличивается. При прикладывании обратного напряжения, величина барьера увеличивается и сопротивление барьера прохождению тока возрастает. Понимая работу p-n перехода, можно разобраться, как устроен транзистор.

Классификация устройств

В первую очередь такие приборы разделяются на одиночные и составные. Существуют и так называемые комплексные радиоэлементы. Они имеют три вывода и выполненны, как единое целое. Такие сборки содержат как однотипные, так и разные по своему типу транзисторы. Основное разделение приборов происходит по следующим признакам:

Технологии изготовления. Выпускаются биполярными, полевыми, комбинированными.
По типу полупроводника. В качестве материала для изготовления применяется кремний, германий и арсенид-галлия. В последнее время начали выпускаться транзисторы, использующие в качестве основы прозрачные полупроводники. Например, для построения дисплейных матриц. А также использующие в качестве материалов полимеры и углеродные нанотрубки.
По рассеиваемой мощности. Разделяются на три типа: маломощные, средней мощности и мощные. Первые не превышают значения 0,1 Вт, вторые находятся в диапазоне 0,1−1 Вт, а к мощным относят все те, что превышают 1 Вт.
По виду исполнению. Выделяют дискретные транзисторы, которые могут быть как корпусными, так и нет, и транзисторы, входящие в состав интегральных схем.

Общее определение для радиоэлемента можно сформулировать следующим образом: транзистор — это полупроводниковый элемент, предназначенный для преобразования электрических величин. Основное его применение заключается в усилении сигнала или работе в ключевом режиме.

Биполярный прибор

Принцип работы транзистора для «чайника» проще описать по аналогии с водопроводом. Сам элемент можно представить в виде вентиля. Кран небольшим поворотом позволяет регулировать поток воды (силу тока). Если немного повернуть рукоятку, вода потечёт по трубе (проводнику), если приоткрыть кран ещё сильнее, поток воды также увеличится. Таким образом, выход потока воды пропорционален её входу, умноженному на определённую величину. Этой величиной называется коэффициент усиления.

Биполярный транзистор имеет три вывода: эмиттер, база, коллектор. Эмиттер и коллектор имеют одинаковый тип проводимости, который отличный от базы. Дырочного типа транзисторы состоят из двух областей p -типа проводимости, и одной n -типа. Электронного типа наоборот. Каждая область имеет свой вывод.

При подаче на эмиттер сигнала нужной проводимости ток в области базы увеличивается. Основные носители заряда перемещаются в зону базы, что приводит к возрастанию тока и в обратной области подключения. Возникает объёмный заряд. Электрическое поле начинает втягивать в зону обратного подключения носители другого знака. В базе происходит частичная рекомбинация (уничтожение) зарядов противоположного знака, благодаря чему и возникает ток базы.

Эмиттером называют область прибора, служащую для передачи носителей заряда в базу. Коллектором называют зону, предназначенную для извлечения носителей заряда из базы. А база — это область для передачи эмиттером противоположной величины заряда. Основной характеристикой прибора является вольт-амперная характеристика, функция которой описывает зависимость между током и напряжением.

На схеме устройство подписывается латинскими буквами VT или Q. Выглядит как круг со стрелкой внутри, где стрелка указывает направление протекания тока. Для PNP (прямая проводимость) — стрелка внутрь, а NPN (обратная проводимость) — стрелка наружу. Для того чтобы сделать транзистор, используется германий или кремний. Отличаются эти материалы рабочей областью напряжения базового перехода. Для германиевых он лежит в диапазоне 0,1−0,4 В, а для кремниевых от 0,4 до 1,2 В. Обычно используется кремний.

Полевой транзистор

Отличие полевого транзистора от биполярного в том, что в нём за прохождение тока отвечает величина напряжения, приложенная к управляемому контакту.

Основное назначение мосфетов связывают с их хорошей скоростью переключения при весьма небольшой мощности, приложенной к выводу управления. Полевой элемент имеет три вывода: затвор, сток, исток. При работе мосфета с управляющим n-p переходом потенциал на затворе либо равен нулю (прибор открыт), или имеет определённое значение, превышающее ноль (прибор закрыт). Когда обратное напряжения достигает определённого уровня, то открывается запирающий слой, и устройство переходит в режим отсечки.

В мосфете с p-n переходом управляющим электродом (затвором) служит слой полупроводника, имеющий проводимость р-типа, а противоположной проводимости — канал n-типа.

Изображение его на схеме сходно биполярному устройству, только все линии выполняются прямыми, а стрелка внутри подчёркивает разновидность прибора. В основе принципа действия МОП приборов лежит эффект изменения проводимости полупроводника на границе области с диэлектриком при воздействии электрического поля. Полевые устройства в зависимости от управляемого p-n перехода могут быть:

Со встроенным каналом

С индуцированным (наведённым) каналом. Для p-канального устройства при отсутствии потенциала на выводе затвор-исток ток стока близок к нулю. Такой тип работает только в режиме обогащения. При этом напряжение на выводах исток-затвор должно быть больше нуля. Когда это напряжение превысит значение порогового, то между стоком и истоком возникнет проводимость p-типа. Связано это с тем, что количество дырок под затвором увеличится. Это явление называется инверсией.

Каждый вид может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. В общем понимании принцип работы не зависит от проводимости, меняется только полярность источника напряжения.

Принцип действия для чайников

Транзистор — это сложный прибор, физические процессы проходящие в котором сложны для понимания начинающим радиолюбителям (чайникам). Как работает транзистор, можно объяснить следующим образом: транзистор — это электронный ключ, степень открывания которого зависит от уровня тока или напряжения, приложенного к его управляемому выводу (база или затвор).

Зачем нужен транзистор, можно описать в обобщённой форме. Например, база (затвор) прибора — это дверь. Она открывается внешним воздействием, т. е. напряжением той же полярности, что и коллектор (исток). Чем больше напряжение, тем дверь больше откроется. Перед дверью стоит очередь людей (носители заряда), которые хотят пробежать через неё (коллектор-эмиттер или исток-сток). Чем больше воздействие на дверь, тем больше она открыта, а значит, и больше пробежит людей.

Поэтому, представляя дверь в виде сопротивления перехода, можно сделать вывод: чем больше воздействие на базу (затвор), тем меньше сопротивление основным носителям заряда (людям) в случае прямой полярности. Если полярность поменяется (дверь закроется на замок), то никакого движения зарядов (людей) не будет.

Что такое транзисторы и для чего они нужны

Транзисторы – это активные полупроводниковые приборы с несколькими электрическими переходами и тремя выводами, предназначенные для усиления сигнала и генерации колебаний. Транзисторы бывают разные, но можно выделить два основных класса: биполярные и полевые.

В биполярных транзисторах есть два p-n-перехода, через которые переносятся заряды двух полярностей – электроны (отрицательные) и дырки (положительные), поэтому их и называют «БИполярные». В полевых транзисторах физические процессы обусловлены движением зарядов одной полярности, их также называют «УНИполярными».

Это не все отличия транзисторов разных типов, поэтому давайте сначала поговорим о том, что такое биполярные транзисторы и как они работают.

Устройство и обозначение на схеме

Если вы читали статью о тиристорах, то помните, что их называют полууправляемыми ключами, потому что их можно открыть, но управлять моментом закрытия мы не можем (за исключением некоторых случаев). Транзистор же мы можем открывать и закрывать, когда это необходимо, поэтому их называют полностью управляемыми полупроводниковыми ключами.

Биполярный транзистор состоит из трёх чередующихся областей полупроводника с разной проводимостью (p- и n-проводимости). Между областями с разной проводимостью образуются два p-n-перехода. По типу проводимости различают две структуры биполярных транзисторов:

С прямой проводимостью, обозначается как p-n-p.
С обратной проводимостью, обозначается как n-p-n .

Области называются эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). Между областями находятся p-n переходы — эмиттерный (1) и коллекторный (2).

Условное графическое обозначение биполярных транзисторов по ГОСТ 2.730-73 на схеме изображено на рисунке 2, но на схемах, изданных в разных странах, оно может несколько отличаться, например, обозначаться в окружности или могут немного отличаться стрелки. Но основной вид не изменяется — эмиттер всегда со стрелкой, коллектор без стрелки, база между ними.

Принцип работы

Предлагаю в этой статье не углубляться в теорию, структуру и физические процессы, протекающие в транзисторы. Ограничимся простой практической частью, если вы хотите узнать подробнее — напишите об этом в комментариях.

Итак, транзисторы позволяют управлять большими токами с помощью малых токов. У него есть три вывода — эмиттер, коллектор и база. База – это управляющий электрод, на неё подают управляющий ток, а эмиттер с коллектором включают в цепь, которой необходимо управлять. С помощью транзистора можно усиливать ток или напряжение, что используется как в силовых цепях, так и для согласования цепей с разными параметрами.

Читайте также:

Фундамент плита под гараж

Но как усиливает транзистор? Сам по себе транзистор ничего усилить не может, все изменения токов и напряжений происходят с помощью дополнительного источника питания.

Это похоже на реле или контактор, где управляющее напряжение может быть подано через небольшую кнопку от одного источника питания или приходить от выхода контроллера, а силовые контакты будут включать многокиловаттную нагрузку, запитанную от другого источника питания. При этом силовая цепь и управления могут отличаться по напряжению в любую сторону.

У транзистора сила тока коллектора пропорционально зависит от силы тока базы. Величина, которая связывает ток коллектора и тока базы называют коэффициентом усиления по току и обозначается как H21Э или латинской буквой B, он равен отношению тока коллектора (Ik) к току базы (Iб):

Например, коэффициент усиления транзистора равен 100. То если приложить напряжение между коллектором и эмиттером, и подать ток на базу силой в 10 мА, то через коллектор будет протекать ток силой в 1А.

Представим другую ситуацию, мы знаем Н21э транзистора, он равен 40, и какой ток коллектора нам нужно получить, тогда нужно подать на базу ток:

Iб=Iк/H21Э=1/40=0.025 А = 25 мА.

И наоборот, при известном токе базы Iб = 100 мА и Н21э = 50, можно посчитать какой будет ток коллектора:

Токе, протекающем через транзистор состоит из трёх составляющих: ток базы (Iб), коллектора (Iк) и эмиттера (Iэ). Ток эмиттера складывается из тока базы и тока коллектора.

Для работы транзистора нужно выполнить 2 условия – приложить напряжение между коллектором и эмиттером (Uкэ) и обеспечить протекание тока базы, для этого прикладывают напряжение между базой и эмиттером (Uэб). Для иллюстрации в качестве примера ниже изображена схема включения транзистора с общим эмиттером.

Чтобы понять, как используют транзистор на практике, рассмотрим простейшую схему включения транзистора для управления нагрузкой, изображённую на рисунке 5. У нас есть источник питания GB с постоянным напряжением на выходе, транзистор VT1, резистор R1, задающий ток базы, выключатель SA1 и лампочка накаливания EL1 в качестве нагрузки.

При замыкании ключа SA1 от источника GB1 через резистор R1 потечёт ток базы Iб и откроет транзистор VT1. Лампа EL1 загорится, и яркость её свечения зависит от тока коллектора. Изменяя сопротивление R1, мы увеличиваем или уменьшаем ток базы, соответственно увеличивается или уменьшается ток коллектора.

Как отмечалось выше, ток базы будет в H21э раз меньше тока коллектора, то есть если коэффициент усиления тока у транзистора равен 20, то ток базы будет в 20 раз меньше тока коллектора. Максимальный ток коллектора будет ограничен сопротивлением спирали лампы EL1.

Если резистор R1 заменить потенциометром – получим возможность регулировки яркости лампы, такая схема называется линейным регулятором, а режим, в котором будет работать транзистор, активным. Таким образом, с помощью транзистора можно усиливать ток, а в качестве управляющего может использоваться любой сигнал, например, от датчика, или звуковой сигнал.

Рассмотрим еще один практический пример, допустим, вам нужно, чтобы микроконтроллер включал или выключал нагрузку с напряжением 220В, но максимальный ток выхода 20 мА, напряжение логической единицы 5 вольт. Вы решаете использовать малогабаритное реле для монтажа на печатную плату с катушкой на 5 вольт типа SRD-05VDC-SL-С, но у него ток катушки 71.4 мА. Выход микроконтроллера просто сгорит, если подключить обмотку этого реле напрямую.

Значит, нужно усилить ток, будем использовать для этого использовать транзистор, включённый по схеме похожей на рассмотренную на рисунке 5. Для этого подойдёт npn-транзистор типа 2N2222A, с такими характеристиками:

Напряжение коллектор-эмиттер — не более 40 В;
Напряжение коллектор-база — не более 75 В;
Напряжение эмиттер-база — не более 6 В;
Ток коллектора не более 0.8 А.

Или любой другой подобный маломощный.

Тогда схема примет несколько другой вид (рисунок 6). Ток выхода микроконтроллера будет около 15 мА, что вписывается в допустимые значения, ток коллектора будет ограничен током катушки реле. Диод VD1 называют обратным, он нужен для подавления импульсов ЭДС самоиндукции при закрытии транзистора и отключении катушки, используется также маломощный, например, 1N4118.

Примерно и подключены реле к управляющему элементу (микроконтроллеру или аналоговым схемам) в различной автоматике, типа реле времени, освещённости или импульсных реле для управления освещением.

Принцип действия и схемы включения pnp-транзисторов аналогичны, отличается лишь полярность напряжения на всех выводах.

Основные схемы включения транзисторов и режимы работы

Различают 3 основных схемы включения транзисторов:

С общим эмиттером.
С общим коллектором.
С общей базой.

Наиболее распространены первые два варианта, при них входная цепь эмиттер-база, а выходная – коллектор-эмиттер, соответственно входной ток – это ток базы, а выходной – коллекторный или эмиттерный ток. Схема с общим коллектором используется для усиления тока, на выходе сигнал (напряжение и ток в нагрузке Urэ) совпадает по фазе с сигналом управления. В схеме с общим эмиттером усиливается напряжение, а выходной сигнал (Uкэ) в противофазе со входным — выходное напряжение перевёрнуто относительно выходного, когда на входе высокое напряжение, на выходе оно близко к нулю.

Таблица 1 — расчетные соотношения и типовые величины коэффициентов усиления и сопротивлений различных схем включения биполярных транзисторов

В зависимости от задачи транзистор может работать в разных режимах:

Режим насыщения. В этом режиме транзистор находится в проводящем состоянии, он полностью открыт, оба pn-перехода смещены в прямом направлении. Напряжение на транзисторе крайне низкое (доли – единицы вольт), и всё напряжение падает на нагрузке.
Режим отсечки. В этом случае транзистор закрыт, ток через него не протекает, и оба перехода смещены в обратном направлении. В таком режиме через транзистор протекают только очень низкие обратные токи эмиттера (Iэбо) и коллектора (Iкбо).
Активный режим. В этом случае транзистор проводит ток, но открыт не полностью и в какой-то степени ограничивает ток, при этом коллекторный переход смещён в обратном направлении, а эмиттерный в прямом.
Инверсный активный режим. Здесь коллекторный переход смещён в прямом направлении, а эмиттерный смещён в обратном. Этот режим используется реже остальных.

Если в процессе работы транзистор резко переход из режима насыщения в режим отсечки и наоборот, то транзистор работает в ключевом режиме. Он используется в импульсных схемах источников питания, усилителей класса D, цифровой электронике. Активный режим используется в линейных регуляторах, усилителях класса А и других подобных схемах. Для сравнения потери в виде нагрева транзистора в ключевом режиме – минимальны, а в активном максимальны.

Заключение

23 декабря 1947 года прошла презентация нового изобретения – транзистора, этот день считается датой его рождения. Изобрели транзистор американские ученные У. Шокли, Д. Бардин и У. Браттейн, работавшие в то время в лаборатории Bell Labs. Спустя 9 лет, в 1956 году, изобретатели были удостоены Нобелевской премии.

Сначала транзистор называли полупроводниковым триодом, по аналогии с электронной лампой. Привычное нам название было придумано коллегой изобретателей Джоном Пирсом, и составлено из двух слов — transfer – передача и resistor – сопротивление, из его принципа действия – ток в базе изменяет сопротивление между коллектором и эмиттером.

Основы электроники для чайников: что такое транзистор и как он работает

Электроника окружает нас всюду. Но практически никто не задумывается о том, как вся эта штука работает. На самом деле все довольно просто. Именно это мы и постараемся сегодня показать. А начнем с такого важного элемента, как транзистор. Расскажем, что это такое, что делает, и как работает транзистор.

Что такое транзистор?

Транзистор – полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электрическим током.

Где применяются транзисторы? Да везде! Без транзисторов не обходится практически ни одна современная электрическая схема. Они повсеместно используются при производстве вычислительной техники, аудио- и видео-аппаратуры.

Времена, когда советские микросхемы были самыми большими в мире, прошли, и размер современных транзисторов очень мал. Так, самые маленькие из устройств имеют размер порядка нанометра!

Приставка нано- обозначает величину порядка десять в минус девятой степени.

Однако существуют и гигантские экземпляры, использующиеся преимущественно в областях энергетики и промышленности.

Существуют разные типы транзисторов: биполярные и полярные, прямой и обратной проводимости. Тем не менее, в основе работы этих приборов лежит один и тот же принцип. Транзистор – прибор полупроводниковый. Как известно, в полупроводнике носителями заряда являются электроны или дырки.

Область с избытком электронов обозначается буквой n (negative), а область с дырочной проводимостью – p (positive).

Как работает транзистор?

Чтобы все было предельно ясно, рассмотрим работу биполярного транзистора (самый популярный вид).

Биполярный транзистор (далее – просто транзистор) представляет собой кристалл полупроводника (чаще всего используется кремний или германий), разделенный на три зоны с разной электропроводностью. Зоны называются соответственно коллектором, базой и эмиттером. Устройство транзистора и его схематическое изображение показаны на рисунке ни же

Разделяют транзисторы прямой и обратной проводимости. Транзисторы p-n-p называются транзисторами с прямой проводимостью, а транзисторы n-p-n – с обратной.

Теперь о том, какие есть два режима работы транзисторов. Сама работа транзистора похожа на работу водопроводного крана или вентиля. Только вместо воды – электрический ток. Возможны два состояния транзистора – рабочее (транзистор открыт) и состояние покоя (транзистор закрыт).

Что это значит? Когда транзистор закрыт, через него не течет ток. В открытом состоянии, когда на базу подается малый управляющий ток, транзистор открывается, и большой ток начинает течь через эмиттер-коллектор.

Физические процессы в транзисторе

А теперь подробнее о том, почему все происходит именно так, то есть почему транзистор открывается и закрывается. Возьмем биполярный транзистор. Пусть это будет n-p-n транзистор.

Если подключить источник питания между коллектором и эмиттером, электроны коллектора начнут притягиваться к плюсу, однако тока между коллектором и эмиттером не будет. Этому мешает прослойка базы и сам слой эмиттера.

Если же подключить дополнительный источник между базой и эмиттером, электроны из n области эмиттера начнут проникать в область баз. В результате область базы обогатиться свободными электронами, часть из которых рекомбинирует с дырками, часть потечет к плюсу базы, а часть (большая часть) направится к коллектору.

Таким образом, транзистор получается открыт, и в нем течет ток эмиттер коллектор. Если напряжение на базе увеличить, увеличится и ток коллектор эмиттер. Причем, при малом изменении управляющего напряжения наблюдается значительный рост тока через коллектор-эмиттер. Именно на этом эффекте и основана работа транзисторов в усилителях.

Вот вкратце и вся суть работы транзисторов. Нужно рассчитать усилитель мощности на биполярных транзисторах за одну ночь, или выполнить лабораторную работу по исследованию работы транзистора? Это не проблема даже для новичка, если воспользоваться помощью специалистов нашего студенческого сервиса.

Не стесняйтесь обращаться за профессиональной помощью в таких важных вопросах, как учеба! А теперь, когда у вас уже есть представление о транзисторах, предлагаем расслабиться и посмотреть клип группы Korn “Twisted transistor”! Например, вы решили купить отчет по практике, обращайтесь в Заочник.

Контрольная работа от 1 дня / от 120 р. Узнать стоимость
Дипломная работа от 7 дней / от 9540 р. Узнать стоимость
Курсовая работа 5 дней / от 2160 р. Узнать стоимость
Реферат от 1 дня / от 840 р. Узнать стоимость

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Простым языком как работает транзистор

С каждым годом появляется все больше и больше электронных средств, а они часто ломаются. На ремонт уходит немало средств, порой, достигая до 50 процентов от стоимости аппарата. И что досадно, некоторые из этих поломок можно было устранить самому, имея начальные знания о том, как работает транзистор. Почему он? Именно транзисторы чаще всего выходят из строя.

Виды транзистора

Чтобы легче разобраться в работе транзистора, необходимо иметь представление о нем. Он является полупроводником, что указывает на его способность проводить ток в одном направлении и не пропускать в другом. Чтобы достичь таких характеристик используются разные способы изготовления. Все эти приборы по своему характеру работы делятся на две группы:

Хотя и те и другие относятся к одному классу — транзисторы, происходящие в них процессы сильно отличаются.

Биполярный

Движение электронов по замкнутой цепи называется электрическим током. Грубо говоря, чем больше электронов, тем больше ток. Если атом отдает электроны, он становится положительно заряженным и, наоборот, притягивая лишние электроны, он становится отрицательно заряженным.

При добавлении в кремний и германий примесей они становятся необходимым материалом, из которых и изготавливаются биполярные транзисторы.

Биполярными называются электронные приборы, состоящие из двух, имеющие разные заряды слоев. Причем два крайних имеют одинаковый заряд. Тот слой, который имеет положительный заряд, называется «p», а отрицательный — «n». В связи с этим различают следующие типы:

Граница между этими слоями называется переход. Внутреннюю область, разделенную двумя переходами, называют базой. Две внешние области называют эмиттер и коллектор. Монокристалл изготовлен таким образом, что одна внешняя область передает в базу носители энергии и называется эмиттером. Другая внешняя область забирает эти носители и называется коллектором.

На электрической схеме биполярный транзистор обозначается в виде круга, внутри которого нарисована черточка, а к ней подходят три прямые. Одна подходит под углом в 90 градусов и обозначает базу, две другие под наклоном. Та из них что имеет стрелку обозначает эмиттер, другая — коллектор. Сам прибор, как правило, имеет три вывода, соответствующих этим областям.

Полевой

Другой вид называется полевой или униполярный. В отличие от биполярного p-n переход работает иначе. Его монокристалл имеет однородный состав. Канал, по которому движутся энергоносители, может быть дырочным или электронным. В дырочном носителем являются положительно заряженные неподвижные ионы, в электронном — отрицательно заряженные. Эти каналы также обозначаются буквами «p» и «n» соответственно.

Вокруг и почти по всей длине этого канала впрыскиваются, вживляются ионы противоположной полярности. Эта область называется затвором, она-то и регулирует проводимость канала. Тот край канала, через который заряженные частицы входят в кристалл, называется исток, а через который выходят — стоком.

Для улучшения электрических характеристик между металлическим каналом и затвором стали добавлять диэлектрик. Если классифицировать транзисторы по структуре, то можно выделить два семейства:

МДП (к ним можно отнести и МОП — металл-оксид-проводник)
JGBT

МДП расшифровывается как металл-диэлектрик-проводник. Это полевой. Новый JGBT транзистор сочетает в себе достоинства биполярного, но имеет изолированный затвор.

Принцип действия

Один из сложных радиоэлементов — транзистор. Принцип работы его сводится к следующему:

регулировка
усиление
генерация

Биполярные обладают большей мощностью и могут работать с большими частотами. Однако, если нужен широкий спектр усиления, то без полевого не обойтись.

Работа полевого

Рассмотрим, как работает транзистор. Для начинающих радиолюбителей трудно разобраться во всех этих переходах. Чтобы показать принцип работы транзистора простым языком, обратим внимание на следующий пример.

Водопроводный кран вентильного типа способен очень плавно менять напор воды. Это достигается благодаря постепенному изменению пропускного отверстия. На этом же принципе основана работа и полевого транзистора.

Затвор окружает пропускной канал. При подаче на него запирающего напряжения, электрическое поле как бы сдавливает проход, тем самым уменьшая поток заряженных частиц. Как и при закрывании крана необходимо прилагать небольшое усилие, так и мощность затвора, по сравнению с основным каналом, очень мала. Сходство также и в том, что при небольших изменениях напряжения на затворе, сечение прохода также меняется незначительно.

Как работает биполярный

Работа биполярного прибора несколько отличается от работы полевого. В первую очередь отличается способ управления движением заряженных частиц. В полевом используется электрическое поле, в биполярном — ток между базой и эмиттером.

В зависимости от типа прибора стрелочка эмиттера на схеме будет либо направлена к базе, тогда это тип p-n-p, либо от базы, тогда это n-p-n. При подключении к этим зажимам одноименного напряжения («p» подключается к «+”, а «n» подключается к «-“) в цепи эмиттер — база возникает ток. В базе появляется больше носителей заряда и их становится тем больше, чем больше ток в этой цепи.

К коллектору подводится обратное напряжение, т. е. к «p» подключается «-“, а к «n» — «+”. Поскольку между эмиттером и коллектором возникает разность потенциалов, между этими выводами появляется ток. Он будет тем больше, чем больше носителей заряда имеется в базе.

Когда к эмиттеру и базе подключают источник питания противоположного знака, ток прекращается, транзистор закрывается. Что поможет лучше понять работу транзистора? Для чайников важно понять одну истину. Если открыт переход эмиттер — база (подается прямое напряжение), то открыт и сам прибор, в противном случае он закрыт.

Меры предосторожности

Полевые транзисторы очень чувствительны к повышенному напряжению. При работе с ними необходимо предотвратить возможность попадания на них статистического напряжения. Этого можно достичь надев заземленный браслет. При подборе аналога важно учитывать не только рабочее напряжение, но и допустимый ток. А если прибор работает в частотном режиме, то и его частоту.