Биполярные транзисторы: устройство, принцип и режимы работы, схема включения, применение, основные параметры

Биполярные транзисторы: устройство, принцип и режимы работы, схема включения, применение, основные параметры

Биполярные транзисторы: устройство, принцип и режимы работы, схема включения, применение, основные параметры

Основной функцией биполярного транзистора (БТ) является увеличение мощности входного электрического сигнала. Эти полупроводниковые радиокомпоненты появились, как альтернатива электровакуумных триодов, и со временем практически вытеснили их из отрасли. Справедливости ради заметим, что лампы применяются и до сих пор, но в очень и очень узком сегменте аппаратуры специального назначения. В массовой же радиотехнике используются, в основном, транзисторы – биполярные и их ближайшие «родственники» полевые.

Ключевое преимущество этих элементов состоит в миниатюрности. Электровакуумный усилитель со схожими характеристиками оказывается в несколько раз крупнее биполярного транзистора. Вследствие этого применение БТ в радиоэлектронике приводит к существенному уменьшению габаритных размеров конечной радиотехнической продукции.

Биполярным данный транзистор называется из-за того, что в физических процессах, протекающих во время его функционирования, участвуют оба типа носителей заряда – и электроны, и дырки. Это оказывает влияние на принцип управления выходным сигналом. В биполярных транзисторах выходными параметрами управляет ток, а не электрическое поле, как в полевых (униполярных).

Устройство биполярного транзистора.

Этот полупроводниковый триод состоит из 3 частей – эмиттера, коллектора и базы. Таким образом, ключевыми элементами биполярного транзистора являются два p-n-перехода, а не один, как в полевых. Эмиттер исполняет функцию генератора носителей заряда, которые формируют рабочий ток, стекающий в приёмник – коллектор. База необходима для подачи управляющего напряжения.

Если рассматривать плоскую модель БТ, то радиокомпонент представляет собой две области с p- или n-проводимостью (эмиттер и коллектор), разделённые тонким слоем полупроводника с проводимостью обратного знака (база). Полупроводниковый кристалл со стороны коллектора физически крупнее. Такое соотношение обеспечивает правильную работу биполярного транзистора.

В зависимости от типа проводимости эмиттера, коллектора и базы различают PNP- и NPN-транзисторы. В принципе, они функционируют одинаково с той лишь разницей, что к ним прикладываются напряжения разной полярности. Выбор того или иного вида БТ определяется особенностями конкретных радиотехнических устройств.

Принцип работы биполярного транзистора.

При подключении эмиттера и коллектора к источнику питания создаются почти все условия для протекания тока. Однако свободному перемещению носителей заряда препятствует база, и для устранения этой помехи на неё подаётся напряжение смещения. В базовом слое полупроводника возникают физико-химические процессы электронно-дырочной рекомбинации, в результате которой через базу начинает течь небольшой ток. В результате p-n-переходы открывают путь потоку носителей заряда от эмиттера к коллектору.

Если ток, протекающий через базу, меняется по какому-то закону, то точно так же изменяется и мощный ток между эмиттером и коллектором. Следовательно, мы получаем на выходе биполярного транзистора такой же сигнал, как и на базе, но с более высокой мощностью. В этом и состоит усилительная функция биполярного транзистора.

Режимы работы.

Существует 4 режима, в одном из которых может работать биполярный транзистор. В этот список входят следующие:

1. отсечка;
2. активный режим;
3. насыщение;
4. барьерный режим.

1. Отсечка.

В том случае, если разность потенциалов между эмиттером и базой ниже некоторого значения (примерно 0.6 Вольт), то база-эмиттерный p-n-переход оказывается закрытым, поскольку ток базы не возникает. В связи с этим коллекторный ток не протекает по той причине, что в базовом слое отсутствуют свободные электроны. Таким образом, транзистор переходит в состояние отсечки и сигнал не усиливает. Этот режим используется в цифровых схемах, когда БТ работает как ключ в положении «разомкнуто».

2. Активный режим.

В этом режиме радиокомпонент усиливает сигнал, то есть исполняет свою основную функцию. На базу подаётся разность потенциалов, которая открывает база-эмиттерный p-n-переход. Как следствие, в транзисторе начинают протекать токи коллектора и базы. Значение коллекторного тока вычисляется как арифметическое произведение величины тока базы и коэффициента усиления.

3. Насыщение.

В этот режим биполярный транзистор входит при увеличении тока базы до некоего предельного значения, при котором p-n-переходы полностью открываются. Значение тока, протекающего через БТ при его насыщении, зависит лишь от питающего напряжения и величины нагрузки в коллекторной цепи. В данном режиме входной сигнал не усиливается, ведь коллекторный ток не воспринимает изменений тока базы. Способность транзистора к переходу в насыщение используется в цифровой технике, когда БТ играет роль ключа в замкнутом положении.

4. Барьерный режим.

Здесь транзистор работает как диод с последовательно включённым резистором. Для этого базу напрямую или через малоомное сопротивление соединяют с коллектором. В данном режиме триоды хорошо показывают себя в высокочастотных устройствах. Кроме того, использование транзистора в барьерном режиме целесообразно на реальном производстве для снижения общего количества комплектующих.

Схемы включения биполярных транзисторов.

Полупроводниковый триод может включаться в электрическую цепь по одной из трёх схем – с общим эмиттером, с общим коллектором и с общей базой. В зависимости от способа подключения различаются электрические параметры транзистора, что определяет выбор схемы в каждом конкретном случае.

При включении биполярного транзистора с общим эмиттером достигается максимальное усиление входного сигнала. Благодаря этому данная схема в усилительных каскадах применяется чаще всего.

Схема с общим коллектором по-другому называется эмиттерным повторителем. Это связано с тем, что разность потенциалов на коллекторе и эмиттере оказываются практически равными. При таком включении наблюдаются большое усиление по току, высокое входное сопротивление и совпадение фаз входного и выходного сигналов. Вследствие этого эмиттерные повторители используются в согласующих и буферных усилителях.

При включении БТ по схеме с общей базой отсутствует усиление по току, но значительным оказывается усиление по напряжению. Особенностью данного способа является малое влияние транзистора на сигналы высокой частоты. Это делает схему с общей базой предпочтительной для использования в устройствах СВЧ.

Транзистор. Принцип работы

Транзистор — полупроводниковый электронный прибор, относящийся к категории активных электронных компонентов.

В зависимости от расположения полупроводниковых слоев, транзисторы подразделяют на два основных типа — NPN-транзисторы и PNP-транзисторы.

Электроды обычного биполярного транзистора называются базой, эмиттером и коллектором. Коллектор и эмиттер составляют основную цепь электрического тока в транзисторе, а база предназначается для управления величиной тока в этой цепи.

На условном обозначении транзистора стрелка эмиттерного вывода показывает направление тока.

Как работает транзистор

Базовая цепь транзистора управляет током, протекающим в цепи коллектор-эмиттер. Изменяя в небольших пределах малое напряжение, поданное на базу, можно в достаточно широких пределах изменять ток в цепи коллектор-эмиттер.

Схема, демонстрирующая принцип работы транзистора

Соберем схему, которая наглядно демонстрирует работу транзистора
и принцип его включения. Нам понадобится транзистор с NPN структурой, например 2N3094, переменный или подстроечный резистор, резистор с постоянным сопротивлением и лампочка для карманного фонарика. Номиналы электронных приборов указаны на схеме.

Изменяя сопротивление переменного резистора R1, будем наблюдать как изменяется яркость свечения лампочки H1.

Постоянный резистор R2 в этой схеме играет роль ограничителя, предохраняя базу транзистора от слишком большого тока, который может быть подан на нее, в тот момент, когда сопротивление переменного резистора будет стремиться к нулю. Ограничительный резистор предотвращает выход транзистора из строя.

Теперь попробуем заменить лампу маломощным электродвигателем. Вращая ось переменного резистора, мы может наблюдать плавное изменение скорости вращения электродвигателя M1.

Транзисторы применяются в схемах роботов для усиления сигналов от датчиков, для управления моторами, на транзисторах можно собрать логические элементы, которые реализуют операции логического отрицания, логического умножения и логического сложения. Транзисторы являются основой практически всех современных микросхем.

Транзисторы подразделяют на две большие подгруппы — биполярные и полевые. Они обычно используются для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов.В 1956 г. за изобретение биполярного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя p-n -переходами, имеющий три вывода. Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и электронов), а управление протекающим через него током осуществляется с помощью управляющего тока.

Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором.

Устройство транзистора. Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (р-n-р или n-р-n) и соответственно два p-n -перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.

Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод — коллектором.

Дадим схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n-р-n (рис. 1, а) и два допустимых варианта условного графического обозначения (рис. 1, б). Транзистор типа р-n-р устроен аналогично. При этом «стрелочка» эмиттера будет напрвлена в противоположном направлении — в сторону базы. Стрелки эмиттеров показывают направление токов через транзистор.

Рис. 1. Cхематическое изображение структуры транзистора

Транзистор называют биполярным, так какв процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков — электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна.

Транзисторы типа n-р-n более распространены в сравнении с транзисторами типа р-n-р, так как обычно имеют лучшие параметры. Это объясняется следующим образом: основную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-р-n играют электроны, а в транзисторах р-n-р — дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.

Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.

Транзисторы: принцип работы и​ чем они отличаются

Транзистор — повсеместный и важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.

В частноти, его можно использовать как управляемую «заслонку»: отсутствием сигнала на «воротах» блокировать течение тока, подачей — разрешать. Иными словами: это кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения. В цифровой электронике такое применение наиболее распространено.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах: один и тот же транзистор может внешне выглядеть совершенно по разному. В прототипировании чаще остальных встречаются корпусы:

Обозначение на схемах также варьируется в зависимости от типа транзистора и стандарта обозначений, который использовался при составлении. Но вне зависимости от вариации, его символ остаётся узнаваемым.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:

Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель h_fe также известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.

Например, если h_fe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропустит через себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент, который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас». Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные 10 мА.

Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.

NPN и PNP

Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплав кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive — с избытком положительных (p-doped).

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N. PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется, когда через неё идёт ток.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Они позволяют оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах. А управление самой «заслонкой» осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов, не идёт.

Полевые транзисторы обладают тремя контактами:

N-Channel и P-Channel

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.

P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.

Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:

Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.

Обратите внимание на токоограничивающий резистор R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля. Главное — не превысить допустимый ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:

это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.

Работа транзистора

Условно биполярный транзистор можно нарисовать в виде пластины полупроводника с меняющимися областями разной проводимости, состоящие из двух p-n переходов. Причем крайние области пластины обладают проводимостью одного типа, а средняя область противоположного типа, каждая из областей имеет свой персональный вывод.

В зависимости от чередования этих областей транзисторы бывают p-n-p и n-p-n проводимости, соответственно.

А если взять и прикрыть одну любую часть транзисто, то у нас получится полупроводник с одним p-n переходом или диод. Отсюда напрашивается вывод, что биполярный транзистор условно можно представить в виде двух полупроводников с одной общей зоной, соединенных встречно друг к другу.

Часть транзистора, назначением которой является инжекция носителей зарядов в базу называется эмиттером, и соответствующий p-n переход эмиттерным, а та часть элемента, назначение которой заключается в выводе или экстракции носителей заряда из базы, получила название коллектор, и p-n переход коллекторный. Общую зону назвали базой.

Различие в обозначениях разных структур состоит лишь в направлении стрелки эмиттера: в p-n-p она направлена в сторону базы, а в n-p-n наоборот, от базы.

В чем разница между PNP и NPN транзисторами? Я постарался в этом видео показать разницу в работе двух видов биполярных транзисторов. Я использовал доступные радиодетали, такие как светодиод (и резистор для защиты), для демонстрации работы. В кпримера я использовал транзисторы типа 2n2907 и bc337. Регулировал напряжение с помощью переменного резистора (потенциометра).

Работа транзистора — коротко об технологии изготовления

В начальный период развития полупроводниковой электроники их изготавливали только из германия по технологии вплавления примесей, поэтому их назвали сплавными. Например, в основе кристалл германия и в него вплавляю маленькие кусочки индия.

Атомы индия проникаю в тело германиевого кристалла, создают в нем две области – коллектор и эмиттер. Между ними остается очень тонкая в несколько микрон прослойка полупроводника противоположного типа — база. А чтобы спрятать кристалл от света его прячут в корпус.

На рисунке показано, что к металлическому диску приварен кристаллодержатель, являющийся выводом базы, а снизу диска имеется ее наружный проволочный вывод.

Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проводникам внешних электродов.

С развитием электроники приступили к обработке кристаллов кремния, и изобрели кремниевые приборы, практически полностью отправившие на пенсию германиевые транзисторы.

Они способны работать с более высокими температурах, в них ниже значение обратного тока и более высокое напряжение пробоя.

Основным методом изготовления является планарная технологи. У таких транзисторов p-n переходы располагаются в одной плоскости. Принцип метода основывается на диффузии или вплавлении в пластину кремния примеси, которая может быть в газообразной, жидкой или твердой составляющей. При нагрева до строго фиксированной температуры осуществляется диффузия примесных элементов в кремний.

В данном случае один из шариков создает тонкую базовую область, а другой эмиттерную. В результате в кремнии образуются два p-n перехода. По этой технологии производят в заводских условиях наиболее распространенные типы кремниевых транзисторов.

Кроме того для изготовления транзисторных структур широко применяются комбинированные методы: сплавление и диффузия или различные варианты диффузии, например, двусторонняя или двойная односторонняя.

Проведем практический эксперимент, для этого нам потребуется любой транзистор и лампочка накаливания из старого фонарика и чуть-чуть монтажного провода для того, чтоб мы могли собрать эту схему.

Работа транзистора практический опыт для начинающих

Лампочка светится потому, что на коллекторный переход поступает прямое напряжение смещения, которое отпирает коллекторный переход и через него течет коллекторный ток Iк. Номинал его зависит от сопротивления нити лампы и внутреннего сопротивления батарейки или блока питания.

А теперь представим эту схему в структурном виде:

Так как в области N основными носителями заряда являются электроны, они проходя потенциальный барьер p-n переход, попадают в дырочную область p-типа и становятся неосновными носителями заряда, где начинают поглощаться основными носителями дырками. Таким же и дырки из коллектора, стремятся попасть в область базы и поглощаются основными носителями заряда электронами.

Так как база к минусу источника питания, то на нее будет поступать множество электронов, компенсируя потери из области базы. А коллектора, соединенный с плюсом через нить лампы, способен принять такое же число, поэтому будет восстанавливаться концентрация дырок.

Проводимость p-n перехода существенно возрастет и через коллекторный переход начнет идти ток коллектора Iк. И чем он будет выше, тем сильнее будет гореть лампочка накаливания.

Аналогичные процесс протекают и в цепь эмиттерного перехода. На рисунке показан вариант подключения схемы для второго опыта.

Проведем очередной практический опыт и подключим базу транзистора к плюсу БП. Лампочка не загорается, так как p-n переход транзистора мы подсоединили в обратном направлении и сопротивление перехода резко возросло и через него следует лишь очень маленький обратный ток коллектора Iкбо не способный зажечь нить лампочки.

Осуществим, еще один интересный эксперимент подключим лампочку в соответствии с рисунком. Лампочка не светится, давайте разберемся почему.

Если приложено напряжение к эмиттеру и коллектору, то при любой полярности источника питания один из переходов будет в прямом, а другой в обратном включении и поэтому ток течь не будет и лампочка не горит.

Из структурной схемы очень хорошо видно, что эмиттерный переход смещен в прямом направлении и открыт и ожидает прием свободных электронов. Коллекторный переход, наоборот, подсоединен в обратном направлении и мешает попадать электронам в базу. Между коллектором и базой образуется потенциальный барьер, который будет оказывать току большое сопротивление и лампа гореть не будет.

Добавим к нашей схеме всего одну перемычку, которой соединим эмиттер и базу, но лампочка все равно не горит.

Тут, в принципе, все понятно при замыкании базы и эмиттера перемычкой коллекторный переход превращается в диод, на который поступает обратное напряжение смещение.

Установим вместо перемычки сопротивление Rб номиналом 200 – 300 Ом, и еще один источник питания на 1,5 вольта. Минус его соединим через Rб с базой, а плюс с эмиттером. И свершилось чудо, лампочка засветилась.

Лампа засветилась потому, что мы подсоединили дополнительный источник питания между базой и эмиттером, и тем самым подали на эмиттерный переход прямое напряжение, что привело к его открытию и через него потек прямой ток, который отпирает коллекторный переход транзистора. Транзистор открывается и через него течет коллекторный ток Iк, во много раз превышающий ток эмиттер-база. И поэтому этому току лампочка засветилась.

Если же мы изменим полярность дополнительного источника питания и на базу подадим плюс, то эмиттерный переход закроется, а за ним и коллекторный. Через транзистор потечет обратный Iкбо и лампочка перестанет гореть.

Основная функция резистора Rб ограничивать ток в базовой цепи. Если на базу поступит все 1,5 вольта, то через переход пойдет слишком большой ток, в результате которого произойдет тепловой пробой перехода и транзистор может сгореть. Для германиевых транзисторов отпирающее напряжение должно быть около 0,2 вольта, а для кремниевых 0,7 вольта.

Обратимся к структурной схеме: При подаче дополнительного напряжения на базу открывается эмиттерный переход и свободные дырки из эмиттера взаимопоглощаются с электронами базы, создавая прямой базовый ток Iб.

Но не все дырки, попадая в базу, рекомбинируются с электронами. Так как, область базы достаточно узкая, поэтому лишь незначительная часть дырок поглощается электронами базы.

Основной объем дырок эмиттера проскакивает базу и попадает под более высокий уровень отрицательного напряжения в коллекторе, и вместе с дырками коллектора текут к его отрицательному выводу, где и взаимопоглощается электронами от основного источника питания GB. Сопротивление коллекторной цепи эмиттер-база-коллектор резко падает и в ней начинает течь прямой ток коллектора Iк во много раз превышающий ток базы Iб цепи эмиттер-база.

Чем выше уровень отпирающего напряжения на базе, тем выше количество дырок попадает из эмиттера в базу, тем выше значение тока в коллекторе. И, наоборот, чем ниже отпирающее напряжение на базе, тем ниже ток в коллекторной цепи.

В этих экспериментах начинающего радиолюбителя по принципам работы транзистора, он находится в одном из двух состояний: открыт или закрыт. Переключение его из одного состояния в другое осуществляется под действием отпирающего напряжения на базе Uб. Этот режим работы транзистора в электроники получил название ключевым. Он используют в приборах и устройствах автоматики.

В режиме усиления транзистор усилитель работает в схемах приемников и усилителях звуковой частоты (УЗЧ и УНЧ). При работе применяются малые токи в базовой цепи, управляющие большими токами в коллекторе.В этом заключается и отличие режима усиления от режима переключения, который лишь открывает или закрывает транзистор в зависимости от напряжения на базе

Каждый полупроводниковый прибор — транзистор, имеет свое уникальное обозначение или маркировку, по которой можно его индитифицировать из кучи других радиокомпонентов.

Транзистор это очень распространенный активный радиокомпонент, который попадается почти во всех схемах, и очень часто, особенно во время эксперементальных курсов по изучению азов электроники, он выходит из строя. Поэтому без навыка проверки транзисторов, вам в электронику лучше не соваться. Вот и давайте разбираться, как проверить транзистор.

Оценка статьи:

Загрузка...

Транзисторы различной мощности