Как работает транзистор для начинающих

Как работает транзистор? Ну очень доступное видео-объяснение

Думаю, практически все представители хабрасообщества понимают, как работает транзистор (да и не только он). Тем не менее, я предлагаю оценить объяснение работы транзистора (а также полупроводников и прочего), представленное пользователем YouTube 1vertiasium. Видео — англоязычное, но объяснение настолько красочное, что и так все понятно.

Мне кажется, если бы такое видео показывали бы в школе, даже самые далекие от учебы, нерадивые ученики, понимали бы что к чему.

• p-n переход
• транзисторы

Если эта публикация вас вдохновила и вы хотите поддержать автора — не стесняйтесь нажать на кнопку

Задонатить

Голосование

Голосование

Добавить в закладки 585

Максим Агаджанов @marks

Публикации

Лучшие за сутки Похожие

Истории

Ближайшие события

Дата 1 марта – 19 апреля

Транзисторы для начинающих

Месяц назад, наконец, мы получили примерное представление о транзисторе.. Конечно, дрожа от нетерпения, и любопытства, вы ждете, что я объясню как, транзистор усиливает напряжение. Почему так много внимания уделялось усилению тока и почему важны падение напряжения и источник тока.

Подождите еще немного — все вы узнаете в свою очередь. Через месяц я тебе объясню подробно, то, что с таким нетерпением ждете: а именно, как транзистор усиливает напряжение.

Сегодня мы подробно рассмотрим вход транзистора, то есть цепь база-эмиттер. Вы откроете для себя ряд важных практических вопросов. Хотя вы можете считать, что это лишнее я убежден, что это потребуется на практике. Не стоит недооценивать указанный материал, так как он необходим для полного понимания транзистора.

В предыдущем эпизоде мы достаточно просто пришли к выводу, что переход база-эмиттер транзистора ведет себя ни больше, ни меньше, как диод. Это не случайно – это действительно так. Вы можете себе представить, что транзистор состоит из две независимых цепей, или элементов:

•база-эмиттер схема включает в себя самые обычные диоды,
•коллектор-эмиттер схема включает в себя источник тока.

В предыдущем разделе, я объяснил вам принцип действия транзистора на примере карбюратора мы рассматривали транзистор NPN. Конечно, не проблема понять, как он работает. Теперь пора отойти от модели карбюратора, запомните только, что транзистор на самом деле источник тока управляемый током базы. Если вы поймете это определение, вы не будете иметь никаких проблем с и PNP транзистором.

Он работает так же, как транзистор NPN, только с другим направлением тока.

Направления токов в двух транзисторах можете видеть на рисунке 12. Запомните раз и навсегда, стрелка в символе транзистора (эмиттера) указывает направление протекания тока (от положительного к отрицательному полюсу источника питания).

Если вы намерены изобразить PNP транзистор, правильное изображение показано на рисунке 13а, а не так, как показано на рисунке 13b.

Можете ответить, почему на различных схемах не изображают так, как показано на рисунке 13b?

В таком изображении нет ошибки. Я просто хочу, чтобы вы с самого начала, чтобы привыкали к основным правилам. Это всего лишь способ рисования схем. Вы наверняка заметили, что некоторые схемы, нарисованы так здорово, и понятно, что на первый взгляд, можно сказать, какие напряжения будут в различных точках системы.

Другие схемы рисуются запутанно, весьма хитроумно и непонятно, как работает схема, и не возможно сделать какие-либо выводы об напряжениях в разных точках схемы.

А разница только в способе рисования схемы.

Что бы схема была прозрачной и понятной, рассмотрим основные правила:
— «питающий ток схемы» должны течь сверху вниз
— «Сигналы на схеме» должны бежать слева направо.
— Если есть возможность точка, с большим положительным напряжением должна быть выше точки с низким напряжением.

На рисунке 14 показаны два способа рисования схема одной системы. Первый учитывает вышеуказанные принципы, второй нет. Которую легче анализировать?

Вопрос очень актуальный дело в том, что среди схем присылаемых в редакцию читателями, особенно в Школу конструкторов, я часто встречаю «цветочки» подобные изображенному на Рис 14b.

Так что привыкайте к установленным правилам и не игнорируйте их при составлении ваших схем. Тогда вы будете рисовать PNP транзистор, так что как показано на рисунке 13а, но не в соответствии с рисунком 13б.

Это было отступление на полях – так как рисование схем пока не влияет на работу транзистора. Только облегчает анализ системы.

Теперь про переход база-эмиттер транзистора. Вы уже знаете, что PNP и NPN транзисторы отличаются только направлением тока. Следующие разделы в равной степени относятся к обоим типам транзисторов.

Диод и переход база-эмиттер

Прежде всего, заметим, что переход база-эмиттер имеет свойства обычного полупроводникового диода. Чтобы полностью понять поведение транзистора в цепи, и быть в состоянии самостоятельно выбирать режимы работы транзистора, необходимо хорошее понимание работы и параметров диода.

Итак, позвольте мне напомнить вам свойства диода. Гидравлический аналог диода на рисунке 15. Запорная пружинка очень слабая. Поэтому чтобы открыть клапан «в правильном» направлении необходимо совсем небольшое усилие.

От сюда очень важный вывод: на этом элементе не может возникнуть большого перепада, потому что даже небольшое давление открывает заслонку полностью, позволяя течь потоку практически любого количества воды.

То же самое и с диодом. Диод проводит ток только в одном направлении. Это «правильное» направление называется прямым. Да же относительно не большое напряжение откроет диод, и через него потечет ток. При прямом включении, падение напряжения на нем мало. Обратите внимание, что это напряжение (падение напряжения) не может уменьшаться. Да же на полностью «отрытом» диоде, при большом токе, все равно имеется падение напряжения.

Возможно, вы слышали, что при напряжении ниже 0,6 В. .. 0,7 В кремниевый диод не проводит ток, ток появляется только при напряжении выше 0,6 В. .. 0,7 В.

Так же возможно, вы слышали, что напряжение на диоде пропорционально логарифму тока, протекающего через него. Наверное, не многие из вас знают, что это значить, и мы могли бы опустить это. Но я хочу, ввести вас вглубь дела, поэтому мы рассмотрим этот вопрос более подробно.

Посмотрите на вольт-амперную характеристику диодов (то есть график напряжения и тока). Как правило, он составляется таким образом: горизонтальной ось — напряжение, а по оси ординат — ток. Предлагаю следующий способ его изображения, мы изменяем величину подаваемого напряжения и в зависимости от напряжения откладываем значение тока на графике. Но это возможно только в теории. На практике изменяют значение текущего через диод тока и измеряют падение напряжения на нем. Это напряжение называется прямым напряжением диода. Независимо от подхода, результат всегда один и тот же: значение тока соответствует определенному значению напряжения, и наоборот. Эта зависимость изображена на рисунке — это то, что являются характеристикой диода в прямом направлении.

В настоящий момент нас интересует, изменение напряжения на диоде (на самом деле на переходе база-эмиттер транзистора), в зависимости от тока (тока базы транзистора).

На рисунках 16 а и б показаны характеристики такого диода, нарисованные обоими способами. Обе шкалы на рисунке 16 а линейны, тогда как на рисунке 16 б вертикальная ось тока логарифмическая, а ось напряжения линейная. Посмотрите на рисунок 16 б, что бы узнать, значение тока удобней пользоваться линейной зависимостью, особенно для малого значения тока. Но это логарифмическая зависимость тока от напряжения. Даже если вы не знаете что такое натуральный логарифм. Вам достаточно этого графика, что бы узнать ток. В конце концов, у вас есть выбор каким графиком пользоваться. Обратите внимание, что на логарифмической шкале, следующее значение в десять раз больше предыдущего. Нет необходимости вдаваться в дальнейшие подробности, только помните, и примите к сведению, что специалисты, несмотря на широкое внедрение цифровых схем, продолжать использовать эту четкую зависимость на рисунке 16б для логарифмирования сигналов, а так же аналогового умножения, деления, возведения в степень и извлечение квадратного корня. Может это для вас будет сюрпризом, но диоды (или переход база-эмиттер) хорошо подходят для выполнения математических операций над аналоговыми сигналами. Например, логарифмирование часто используется для определения номинальной мощности усилителей, в цифровых измерителях. Но логарифмирование это очень обширная тема, для нас.

Давайте вернемся к рисунку 16а. Здесь действительно, видна сложная логарифмическая зависимость. Начинается она со значения напряжения 0,7.. 0.6 В а бывает и от 0.6.. 0.8В. В чем тут дело?

В самом деле, нет никакого существенного различая, но дело требует небольшого разъяснения.

Посмотрите на рисунок 17. Он похож на рисунок 16а, однако характеристика здесь до значения в 1мА, а не до 100 мА. Отметим что на рисунке 17, при напряжении до 0.5 В ток диода на самом деле присутствует, но имеет очень малое значение. Как это можно увидеть на рисунке 16 б. Помните, что 1 мкА (микроампер) является одной миллионной Ампера.

Вы видите, что во многих случаях мы можем с уверенностью сказать, что для напряжения ниже 0,5 В, диод практически не проводящий.

Но это выглядит немного по-другому для выпрямительного диода, чем для цепи базы транзистора. Для выпрямительного диод ток порядка 1 или даже 10 мкА, очень мал. А для транзистора?

В транзисторах, ток коллектора при нормальной работе обычно устанавливается в диапазоне от долей миллиампер, и не более сотни миллиампер (если мы опустим мощные транзисторы). Учитывая, что транзистор усиливает ток, то выходит что, ток базы составляет доли миллиампер.

Тогда, в некоторых из ваших схем ток базы может быть порядка 1 или менее микроампера! Таким образом, как показано на рисунке 16b, при таком токе базы, напряжение база-эмиттер транзистора будет иметь значение 0,5 . 0,7 В.

Обратите внимание, что при тысячекратно изменении тока (базы), изменение напряжения составляет лишь около 200 мВ.

Теперь вы, наверное, понимаете, что в менее точных расчетах мы принимаем некоторую среднею, постоянную величину, например, 0,6 В или 0,65 В. И вся тайна!

Просто? Да, но мы рассматривали все упрощенно, пренебрегая токами ниже 1 микроампера, говорят, что они пренебрежимо малы. Вообразить профессиональные схемы, которые логарифмируют в диапазоне токов 100 Па до 1 мА. 100 ПикоАмпер составляет 0,1 микроампер. Не пытайтесь думать о токах в пикоамперах, (и о работе с такими токами), оставьте это профессионалам.

Давайте вернемся к транзистору.

Как видно из анализируемых характеристик, напряжение между базой и эмиттером, обозначается Uбэ, во время нормальной работы транзистора не превышает 0,8 В. Если, в любой реальной схеме будет больше, то транзистор выйдет из строя. Например, как следует из рисунка 16, с напряжением Uбэ равным 1В, ток базы транзистора будет более чем 1 А, транзисторы с таким базовым токов не встречаются в природе.

Поэтому очень важная практическая информация: если напряжение Uбэ больше 0,8 В будьте уверены транзистор не исправен.

Мощность транзисторов

В нашей практике обычно мы используем маломощные транзисторы. Дело в том, что во время работы транзистора выделяется энергия в виде тепла — я назвал это потерей мощности. Малый транзисторы могут работать при низких токах, коллектора (до 100… 300 мА), выделяющиеся потери мощности не могут быть больше, чем 0,1 . 0,6 Вт, в зависимости от типа транзистора.

В некоторых случаях, мы должны работать с большими токами, при этом выделяется мощность значительно больше. Тогда мы используем мощные транзисторы. Они имеют больший корпус и предназначены для крепления к радиатору охлаждения.

Проблема потери мощности и тепловыделения будет обсуждаться в будущем. А сейчас только одна маленькая проблема. Для больших токов в цепи коллектора, мы должны работать с достаточно большими токами базы. Ток базы большой, из-за того что мощные транзисторы как правило, имеют меньший коэффициент усиления по току, чем у маломощных транзисторов. Если, например, усиление силового транзистора 50, ток коллектора 10А, базовый ток должен составлять 0,2 А.

Что вы думаете для мощных транзисторов, напряжение база-эмиттер должно быть больше чем в маломощных транзисторах?

Да так выходит из рисунка 16.

Отметим, что данный рисунок относиться к конкретному диоду или переходу база-эмиттер.

Как вы думаете, будет ли зависит падение напряжения от площади поверхности перехода?

Маломощный транзистор имеет маленькую площадь перехода, мощный гораздо больше.

Вы правы, падение напряжения будет определять плотностью тока на единицу площади перехода.

Напряжение база-эмиттер транзисторов высокой мощности, со значительном током базы может быть, даже меньше, чем у маломощных транзисторах.

Эта информация является, пожалуй, самой важной, из того что вы должны знать, когда измеряете, напряжение в цепях силовых транзисторов, не удивляйтесь.

Влияние температуры

На рисунке 16 указали, в какой степени изменяется напряжения между база-эмиттером при различных токах базы. Это не означает, однако, что зная характеристику конкретного транзистора и, зная ток базы, можно точно определить напряжение между базой и эмиттером.

Вы знаете почему?

Потому что мы не учли влияние температуры.

На рисунке 16 показаны характеристики для любой температуре — как правило, порядка комнатной температуры до 25 ° C. Тем не менее, с повышением температуры прямое напряжение диода и перехода транзистора снижается.

Для конкретного экземпляра транзистора и диода влияние температуры показано на рисунке 18а.

Вы можете быть удивлены, но не игнорируйте тот факт, что изменения напряжение база-эмиттер в результате изменения температуры могут быть значительно больше, чем изменения, вызванные изменениями величины базового тока!

Также помните, о нагреве транзисторов, в том числе малой мощности.

Зная напряжение база-эмиттер можно оценить ток базы. Но если быть честным, то это приблизительная оценка, так как не учитывается влияние температуры. Исключение если оно больше 0.8 В, тогда можно сделать вывод об неисправности транзистора.

Означает ли это, что точное значение напряжение база-эмиттер для нас не столь важно, и не несет никакой определенной информации?

Нет! Это важно, если ток имеет постоянное значение. То изменение напряжения связанное с температурой имеет линейный характер. Т.е. изменение напряжения прямо пропорционально изменению температуры. Кроме того эти изменения всегда постоянны и не меняются с течением времени.

Все это означает, что простой диод или переход база-эмиттер транзистора может быть успешно использован для измерения температуры. При правильном построении системы измерения и соответствующего масштабирования, вы можете получить очень хорошую точность порядка 0,1 . 0,2 ° C.

Этот метод часто используется для измерения температуры в диапазоне -40 .. +125 ° C.

Существует только одна небольшая загвоздка. На практике, в производстве полупроводников не может быть, достигнуто совершенно одинаковые параметры для всех копий диодов и транзисторов, даже из одной партии и одной той же кремниевой пластины.

Существуют определенные допуски параметров. И, наконец, в некоторых каталогах характеристик диодов и переходов напряжение база-эмиттер приводиться, как показано на рисунке 18b. Затемненной областью указывают на ожидаемое значение параметра между копиями.

Из этого видно, что при использовании полупроводникового перехода для измерения температуры, необходима индивидуальная калибровка в каждом случае. В книгах в настоящее время, указывается, что напряжение перехода изменяется на -2.2 mV на один градус Цельсия. Это значение -2,2 мВ следует рассматривать как ориентировочные, а не точное. Кроме того, другие источники говорят, что этот коэффициент -2 мВ / ° C.

Сейчас вас уже не удивит, но существуют схемы для измерения температуры, использующих это же свойства В-Е перехода. Они используется не только для конструирования электронных термометров. Они широко используется в производстве интегральных схем для реализации схемы тепловой защиты.

Вы знаете, как они работают?

Просто установите напряжение база-эмиттер транзистора до величины, скажем, 0,5 В. Как видно из рисунков 16, 17 и 18, при комнатной температуре ток базы будет незначительным. Следовательно, ток коллектора также будет незначительным. Если температура будут расти, это также увеличится ток базы, и, следовательно, ток коллектора. Когда ток коллектора превышает заданное значение, сработает схема тепловой защиты.

Температурная зависимость параметров в некоторых системах является преимуществом, как вы уже могли догадаться, Но в системах точного измерения это проклятье, с которые вы должны бороться всеми силами. Однако, это отдельная, очень широкая тема, к которой мы вернемся. А на данный момент, мы станем еще одна фундаментальная проблема.

Обратная полярность

Упрощенная эквивалентная схема транзистора на рисунке 12, содержит диод и управляемый источник тока, что не в полной мере отражают свойства транзистора. Большая часть читателей проверяет транзисторы, с помощью омметра зная, что база-эмиттер и база-коллектор вызваниваются как диоды. Действительно, при определенных условиях, транзистор можно рассматривать как комбинацию двух диодов в соответствии с рисунком 19. Но, к сожалению, транзистор не может быть использован как два отдельных диода, например, что бы с помощью одного или двух транзисторов, сделать диодный мост (рис. 20). Транзистор это больше чем в два диода. Запомните это, и даже не пытайтесь проделать подобные трюки.

Рисунок 19 наводит на вопрос. А можно ли в электронных схемах поменять коллектор и эмиттер местами? Другими словами, если бы он мог ли коллектор играть роль эмиттера, и наоборот?

Речь идет о самой серьезной проблеме, а пожилые читатели могут помнить, некоторые советские транзисторы после перестановки эмиттера и коллектора, работали так же или даже лучше.

Это, правда, для старых транзисторов, выполненных по допотопной технологии, это было все равно, какой из электродов эмиттер, а какой коллектор. Но это было очень давно. Однако сейчас транзисторы изготавливаются для конкретной проводимости, и не будут работать после такой замены. Возможно вы так же слышали об «обратной» работе транзистора. Забудьте об этом. Во всех схемах, которые мы будем рассматривать, нормальные биполярные транзисторы работают в обычном режиме.

Так что не думайте менять местами коллектор и эмиттер.

Но это еще не все.

Может ли транзистор может работать при «обратном» напряжение между базой и эмиттером. Что происходит в схеме на рис. 21, напряжение на базе NPN транзистора меньше, чем напряжение на эмиттере?

Рисунки 12 и 19 не указывают на какие-либо ограничения.

Так напряжение на базе транзистора на рисунке 21 может быть сколь угодно большого отрицательного значения? Наверное, нет, мы знаем, что переход, как и любой другой диод, имеет определенное допустимое напряжение (несколько вольт).

Вот у меня есть для тебя сюрприз (если вы не знаете): база-эмиттер поляризованные в обратном направлении ведет себя как диод Зеннера с напряжением стабилизации около 6,2 Вольт (некоторые источники говорят, что 5 .. 7 В). Если вы не знаете что такое диод Зеннера, знайте что это стабилизатор напряжения.

Таким образом, после превышения обратного напряжения на базе, значения пробоя, через переход база эмиттер будет течь ток. Слово «пробой» звучит страшно, но здесь нечего бояться — пока ток не слишком большой (нет тепла для повреждения перехода), с транзистором ничего не происходит. Такой пробой, конечно, не повредить транзистор.

Короче говоря, транзистор может работать как стабилитрон или стабилизатор напряжения. На рисунке 22 показано, четыре примера использования транзисторов в этой роли. Обратите внимание, что в каждом случае всегда используется эмиттерный переход, при этом используются два вывода транзистора, и этот способ работы не имеет ничего общего с нормальным режимом работы транзистора.

Позвольте мне напомнить вам еще раз нормальные условия работы:

Напряжение на базе NPN транзистора (измеряется по отношению к эмиттеру) составляет примерно 0,6 В. .. 0,7 В,

При прямой проводимости ток эмиттера это сума коллекторного и базового токов.

Напряжение на коллекторе UC (также измеряется относительно эмиттера) является положительным и может быть от 0,1 В до полного напряжения U2.

Смотри рисунок 23.

А что сказать о ситуации на рисунке 24, схема в нормальном режиме работы транзистора (NPN) напряжение база-эмиттер отрицательное, и будет в пределах 0-5В? Что произойдет в цепи базы, и что в цепи коллектора?

При отрицательном напряжении на базе значение напряжения база-эмиттер максимально, но при этом упомянутый пробой не происходит. В базовой цепи тока не будет, а следовательно и в цепи коллектора, то же. Транзистор можно рассматривать как разомкнутый ключ.

А что произойдет, если напряжение U1 опуститься ниже 5 В, когда через базу потечет обратный ток (по цепи: батарея, общий провод, эмиттер, база, резистор, батарея)? Будет ли ток в коллекторной цепи?

Это важный вопрос, вопреки видимости, потому, что на практике иногда можно найти такую ситуацию. Я не дам вам ответ — вы можете найти его самостоятельно, собрав схему в соответствии с рисунком 24 и сами увидите, какое значение будет показывать амперметр, при обратном токе в цепи в базы.

Пусть это будет вам домашнее задание.

Так же предлагаем вам самостоятельно измерить напряжение стабилизации по схеме на рисунке 22. Выясните для себя настолько это напряжение зависит от типа транзистора. И как отличается на нескольких экземплярах одного типа.

резюме

Сегодня статья была посвящена цепи база-эмиттер биполярного транзистора. В конце статьи мы получили наиболее важные выводы. В следующем месяце мы будем рассматривать цепи коллектора, его характеристики и типичные схемы включения транзистора.

32 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/98

Как работает транзистор: принцип и устройство

Транзистор – прибор, предназначенный для управления током в электрической цепи. Применяется практически во всех моделях видео- и аудио аппаратуры. Полупроводниковые транзисторы пришли на смену морально устаревшим ламповым, которые устанавливались в старые телевизоры. Для изготовления полупроводниковых моделей ранее использовался германий, но сферы его применения ограничены из-за чувствительности к температурным колебаниям. На смену германию пришел кремний, т.к. кремниевые детали стоят дешевле германиевых и более устойчивы к скачкам температуры. Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических цилиндрических. В этой статье мы постараемся простыми словами изложить, что такое транзистор, как он устроен и что делает.

Устройство транзисторов

Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный. В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), каждая из которых имеет свой вывод.

• Б – база, очень тонкий внутренний слой;
• Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;
• К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

• n-типа — носителями зарядов являются электроны.
• p-типа — носители зарядов – положительно заряженные «дырки».

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p.

Принцип работы транзистора

Транзистор работает в режимах «Открыто» и «Закрыто». Рассмотрим, как работает транзистор биполярного типа на уровне «чайников», и на каких физических процессах основано его функционирование. В таком транзисторе коллектор и эмиттер сильно легированы, база тонкая, содержит малое количество примесей.

Простое изложение принципа работы биполярного транзистора:

• Подключение к зажимам одноименного напряжения к эмиттеру и базе (p подсоединяется к «+», а n – к «-») приводит к появлению тока между эмиттером и базой. В базе образуются носители зарядов. Чем выше напряжение, тем больше количество носителей зарядов появляется в базе. Ток, подаваемый на базу, называется управляющим.
• Если к коллектору подключить обратное напряжение (n-коллектор подключается к плюсу, p-коллектор – к минусу), то между эмиттером и коллектором появится разница потенциалов, и между ними потечет ток. Чем больше носителей заряда скапливается в базе, тем сильнее будет ток между коллектором и эмиттером.
• При увеличении управляющего напряжения на базе растет ток «эмиттер-коллектор». Причем несущественный рост напряжения приводит к значительному усилению тока «эмиттер-коллектор». Этот принцип используется при производстве усилителей.

Если к эмиттеру и базе подключают напряжение, противоположное по знаку, ток прекращается, и транзистор переходит в закрытое состояние.

Кратко принцип работы полупроводникового транзистора можно изложить так: при подключении к зажимам эмиттера и базы напряжения одноименного заряда прибор переходит в открытое состояние, при подключении к этим выводам обратных зарядов транзистор закрывается.

Биполярный транзистор

Биполярным транзистором называется трехэлектродный усилительный полупроводниковый прибор, имеющий трехслойную p-n-p, либо n-p-n структуру с двумя взаимодействующими (ключевое слово) p-n переходами.

Свое имя «TRANSferresISTOR» (дословно – «переходное сопротивление») этот полупроводниковый прибор получил в 1948 году от Уильяма Шокли. Термин «биполярный» подчеркивает тот факт, что принцип действия транзистора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц обоих знаков — как дырок, так и электронов.

На рис. 1 показан упрощенный вид внутренней структуры объемного маломощного биполярного p-n-p транзистора. Крайнюю слева р + область называют эмиттером. Промежуточная n область называется базой. Крайняя p область справа – коллектор. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным.

• Расстояние между металлургическими границами переходов называется физическойтолщинойбазы«L» .
• Расстояние между обедненными зонами называется эффективной толщиной базы «W».

Для того, чтобы уменьшить интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе, необходимо выполнить условие , то есть физическая толщина базы должна быть меньше диффузионной длины. Это означает автоматическое выполнение условия , что обуславливает взаимодействие переходов.

Эмиттер предназначен для инжекции дырок в базу. Область эмиттера имеет небольшие размеры, но большую степень легирования – концентрация акцепторной примеси N_A в эмиттере кремниевого транзистора достигает ~ 10 17 – 10 18 ат/см 3 (этот факт обозначен символом р + ). Область базы легирована нормально – концентрация донорной примеси N_D в ней составляет ~ 10 13 – 10 14 ат/cм 3 . В этом случае эмиттерный переход получается резко несимметричным, поскольку обедненная зона располагается, в основном, в базе. Диффузия носителей становится односторонней, так как резко уменьшается встречный поток электронов из базы в эмиттер, что также уменьшает интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе.

Теперь выделим еще раз особенности структуры, которые обеспечивают хорошие усилительные свойства транзистора, уменьшая интенсивность процессов рекомбинации:

• тонкая база — ;
• односторонняя диффузия (несимметичный эмиттерный переход)

Область коллектора имеет наибольшие размеры, поскольку в его функцию входит экстракция носителей, диффундировавших через базу. Кроме того, на коллекторе рассеивается большая мощность, что требует эффективного отвода тепла.

Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Биполярные транзисторы являются усилительными приборами и, поэтому, применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десятков гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте:

1. низкочастотные­ не более 3 МГц;
2. средней частоты — от 3 МГц до 30МГц;
3. высокочастотные- от 30 МГц до 300 МГц;
4. сверхвысокочастотные — более 300 МГц

По мощ­ности выделяют следующем образом:

• маломощные — не более 0,3 Вт;
• средней мощности — от 0,3 Вт до1,5 Вт;
• большой мощности — более 1,5 Вт.

В настоящее время парк биполярных транзисторов очень разнообразен. Сюда входят как обычные транзисторы, которые работают в самых различных аналоговых, импульсных и цифровых устройствах, так и специальные, например, лавинные тран­зисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносе­кундного диапазона. Следует упомянуть многоэмиттерные, а также составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.

2. Принцип действия

Рассмотрим активный режим работы транзистора, когда эмиттерный переход открыт прямым смещением U_эб, а коллекторный закрыт обратным смещением U_кб. Для этого воспользуемся одномерной моделью транзистора, которая показана на рис. 2. Модель характерна тем, что все физические величины зависят только от продольной координаты, поперечные же размеры бесконечны. Стрелками на рисунке обозначены положительные направления токов (от «+» к «–»), дырки обозначены открытыми, а электроны – закрытыми кружками. Сокращения: ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход.

Предположим, что в начальный момент времени ключ «К» разомкнут. Эмиттерный переход закрыт, поскольку потенциальный барьер в обедненной области перехода запрещает диффузию носителей, несмотря на огромный градиент концентраций на переходе – дырок слева 10 17 см -3 , а справа 10 6 см -3 . Это режим отсечки. Транзистор закрыт, существует только небольшой обратный тепловой ток обратно смещенного коллекторного перехода.

Теперь замкнем ключ «К». Потенциальный барьер понижается вследствие частичной компенсации внутреннего электрического поля встречно направленным внешним электрическим полем источника U_эб. Начинается процесс диффузии, вследствие огромного градиента концентраций дырок между эмиттером и базой. Дырки диффундируют или инжектируются из эмиттера в базу, где меняют статус – становятся неосновными. Для неосновных носителей нет потенциального барьера, другими словами, диффундируя через базу в направлении коллекторного перехода, они попадают во втягивающее поле коллекторного перехода и экстрагируются в область коллектора. В цепи коллектора эти дырки создают дрейфовый ток, пропорциональный току эмиттера:

где α – доля дырок, достигших коллектора, или коэффициент передачи тока эмиттера. Поскольку небольшая часть дырок, инжектированных из эмиттера в базу, все же успевает рекомбинировать, то всегда α . При достаточно тонкой базе α может доходить до 0,99 и более. Уменьшение концентрации электронов в базе в результате рекомбинации восполняется потоком электронов от внешнего источника U_эб через внешний вывод базы. Таким образом внутренний ток рекомбинации, являющийся дырочным, полностью компенсируется электронным током через электрод базы:

В цепи коллектора кроме управляемого тока протекает неуправляемый дрейфовый обратный ток I_кб0, обусловленный, в основном, тепловой генерацией электронно-дырочных пар в объеме перехода. Этот ток очень мал, он не зависит от напряжения U_кб, а зависит только от температуры. Обратный ток коллектора I_кб0 измеряется при разомкнутой цепи эмиттера, о чем говорит индекс «0» (ноль).

Полный ток, протекающий во внешней цепи коллектора, имеет дырочный характер и равен

В нормальных условиях работы поэтому с хорошей точностью полагают, что ток во внешней цепи коллектора равен

а ток во внешней цепи базы имеет электронный характер и равен

Согласно первому закону Кирхгофа,

Для удобства, формально, вводят коэффициент передачи тока базы

Коэффициент связан с коэффициентом соотношением

3. Режимы работы и способы включения

Условные обозначения биполярного транзистора на схеме, показаны на рис. 3.1, а показано условное графическое обозначение биполярного транзистора по ГОСТ для формата листа А4. Стрелка на выводе эмиттера всегда направлена от «p» к «n», то есть указывает направление прямого тока открытого перехода. Кружок обозначает корпус дискретного транзистора. Для транзисторов в составе интегральных схем он не изображается. На рис. 3.1, б и в показаны структуры p-n-p и n-p-n соответственно. Принцип действия транзисторов обеих структур одинаков, а полярности напряжений между их электродами разные. Поскольку в транзисторе два перехода (эмиттерный и коллекторный) и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора.

• Активный режим, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Активный режим работы является основным и используется в усилительных схемах.
• Режим насыщения— оба перехода открыты.
• Режим отсечки— оба перехода закрыты.
• Инверсный режим— эмиттерный переход закрыт, коллекторный — открыт.

В большинстве транзисторных схем транзистор рассматривается как четырехполюсник. Поэтому для такого включения один из выводов транзистора должен быть общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора, которые показаны на рис. 3.2: а) с общей базой (ОБ), б) общим эмиттером (ОЭ) и в) общим коллектором (ОК). На рисунке указаны положительные направления токов, а полярности напряжений соответствуют активному режиму работы.

В схеме ОБ входную цепь является цепь эмиттера, а выходной – цепь коллектора. Эта схема наиболее проста для анализа, поскольку напряжение U_эб прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение U_кб – к коллекторному, причем источники имеют разные знаки.

В схеме ОЭ входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь коллектора. Напряжение U_бэ> 0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и открывает его. Напряжение U_кэ той же полярности распределяется между обоими переходами: U_кэ = U_кб + U_бэ. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо выполнить условие U_кб = U_кэ — U_бэ> 0, что обеспечивается неравенством U_кэ> U_бэ> 0.

В схеме ОК входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь эмиттера.

4. Статические вольт-амперные характеристики

Транзистор, как любой четырехполюсник, можно охарактеризовать четырьмя величинами — входными и выходными напряжениями и токами: U_вх = U₁, U_вых = U₂, I_вх = I₁, I_вых = I₂. Функциональные зависимости между этими постоянными величинами называются статическими характеристиками транзистора. Чтобы установить функциональные связи между указанными величинами, необходимо две из них взять в качестве независимых аргументов, а две оставшиеся выразить в виде функций этих независимых аргументов. Как правило, применительно к биполярному транзистору в качестве независимых аргументов выбирают входной ток и выходное напряжение. В этом случае

Обычно соотношения (4.1) представляют в виде функций одного аргумента. Для этого второй аргумент, называемый параметром характеристики, фиксируют. В основном, используют два типа характеристик транзистора:

Следует отметить, что общепринято представление вольт-амперной характеристики как функции тока от напряжения, поэтому входная характеристика используется в виде обратной функции

Статические характеристики транзистора могут задаваться аналитическими выражениями, но в большинстве случаев их представляют графически в виде семейства характеристик, которые и приводятся в справочниках.

4.1. Статические характеристики в схеме с ОБ

В схеме с ОБ (рис. 3.2.а) входным током является ток эмиттера I_э, а выходным – ток коллектора I_к, соответственно, входным напряжением является напряжение U_эб, а выходным – напряжение U_кб.

Входная характеристика в схеме ОБ представлена зависимостью

которая, в свою очередь, является прямой ветвью вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода. Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, а. Зависимость I_э от U_кб как от параметра связана с эффектом Эрли: увеличение обратного смещения коллекторного перехода U_кб уменьшает эффективную толщину базы W, что приводит к некоторому росту I_э. Это проявляется в смещении входной характеристики в сторону меньших значений . Режиму отсечки формально соответствует обратное напряжение U_эб> 0, хотя реально эмиттерный переход остается закрытым () и при прямых напряжениях .

Выходная характеристика транзистора в схеме ОБ представляет собой зависимость

Семейство выходных характеристик n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, б. Форма кривых в активной области соответствует форме обратной ветви вольт-амперной характеристики коллекторного перехода.

Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид

Отсюда следует, что ток коллектора определяется только током эмиттера и не зависит от напряжения U_кб, т.е. характеристики в активном режиме расположены параллельно оси абсцисс. На практике же при увеличении U_кб имеет место небольшой рост I_к, связанный с эффектом Эрли, характеристики приобретают очень незначительный наклон. Кроме того, в активном режиме характеристики практически эквидистантны (расположены на одинаковом расстоянии друг от друга), и лишь при очень больших токах эмиттера из-за уменьшения α кривые несколько приближаются друг к другу.

При I_э = 0 транзистор находится в режиме отсечки и в цепи коллектора протекает только неуправляемый тепловой ток (I_к = I_кб0).

В режиме насыщения на коллекторном переходе появляется открывающее его прямое напряжение U_кб, большее порогового значения U_{кб пор}, и возникает прямой диффузионный ток навстречу нормальному управляемому току I_к. Этот ток называют инверсным. Инверсный ток резко увеличивается с ростом , в результате чего I_к очень быстро уменьшается и, затем, меняет знак.

4.2. Статические характеристики в схеме с ОЭ

В схеме с ОЭ (рис. 3.2, б) входным током является ток базы I_б, а выходным – ток коллектора I_к. Соответственно, входным напряжением является напряжение U_бэ, а выходным – U_кэ.

Входная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

что, как и в схеме с ОБ, соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода.

Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.2, а. Зависимость тока базы I_б от напряжения на коллекторе U_кэ, как и в предыдущем случае, обусловлена эффектом Эрли. Уменьшение эффективной ширины базы W с ростом U_кэ приводит к уменьшению тока рекомбинации, а, следовательно, тока базы в целом. В результате, характеристики смещаются в сторону больших значений U_бэ. Следует отметить, что I_б = 0 при некотором значении U_пор> 0, когда рекомбинационный ток (1-α)I_э становится равным тепловому току I_кэ0. При U_бэ пор, I_б = — I_кэ0, что соответствует режиму отсечки.

При U_кэ бэ открывается коллекторный переход, и транзистор переходит в режим насыщения. В этом режиме вследствие двойной инжекции в базе накапливается очень большой избыточный заряд электронов, интенсивность рекомбинации которых с дырками резко возрастает, и ток базы стремительно растет.

Выходная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

Семейство выходных характеристик показано на рис. 7.6б. Для получения идеализированной выходной характеристики в активном режиме из соотношения (2.2), учитывая (2.6), исключим ток эмиттера. Тогда

Ток I_кэ0 называют сквозным тепловым током транзистора, причем, как видно из (4.11),

Семейство выходных характеристик целиком расположено в первом квадранте. Данный факт обусловлен тем, что в схеме с ОЭ напряжение U_кэ распределено между обоими переходами. При U_кэ бэ напряжение на коллекторном переходе меняет знак и становится прямым. В результате транзистор переходит в режим насыщения при U_кэ> 0. В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, т.е. I_к становится неуправляемым и не зависит от тока базы.

Как видно из рис. 4.2 .б, в активном режиме кривые проходят под углом к оси абсцисс, причем этот угол увеличивается с ростом тока базы. Такое поведение кривых обусловлено эффектом Эрли. Однако рост I_к при увеличении U_кэ выражен значительно ярче, чем в схеме с ОБ, поскольку в активном режиме эмиттерный переход приоткрыт падением напряжения на материале базы в результате протекания коллекторного тока. Это приводит к дополнительному увеличению коллекторного тока I_к с ростом напряжения U_кэ. Этим же объясняется отсутствие эквидистантности и наличие в β раз большего, чем I_кб0, сквозного теплового тока I_кэ0 (4.11).

• транзисторы
• биполярные транзисторы
• электроника

Похожие публикации:

1. Как забить гвоздь чтобы не треснула доска
2. Как сделать саперную лопатку своими руками из обычной лопаты
3. Как сделать чтобы крышка багажника открывалась сама
4. Как скрыть антресоль в коридоре