Транзистори є активними компонентами і використовуються повсюдно в електронних ланцюгах як підсилювачі та комутаційні пристрої ( транзисторних ключів). Як підсилювальні прилади вони застосовуються в приладах високої та низької частоти, генераторах сигналів, модуляторах, детекторах та багатьох інших ланцюгах. В цифрових схемах, в імпульсних блоках живлення та керованих електроприводах вони служать як ключі.

Біполярні транзистори

Так називається найпоширеніший тип транзистора. Вони поділяються на npn та pnp типи. Матеріалом їм найчастіше є кремній чи германій. Спочатку транзистори робилися з германію, але вони були дуже чутливі до температури. Кремнієві прилади набагато більш стійкі до її коливань і дешевші у виробництві.

Різні біполярні транзистори показані на фото нижче. Маломощі прилади розташовані в невеликих пластикових прямокутних або металевих циліндричних корпусах. Вони мають три висновки: для бази (Б), емітер (Е) та колектор (К). Кожен з них підключений до одного з трьох шарів кремнію з провідністю або n- (струм утворюють вільні електрони), або p-типу (струм утворюють так звані позитивно заряджені «дірки»), з яких складається структура транзистора.

Як улаштований біполярний транзистор?

Принципи роботи транзистора слід вивчати, починаючи з його пристрою. Розглянемо структуру npn-транзистора, яка зображена на рис.нижче.

Як бачимо, він містить три шари: два з провідністю n-типу та один - p-типу. Тип провідності шарів визначається ступенем легування спеціальними домішками різних частин кремнієвого кристала. Еміттер n-типу дуже легований, щоб отримати безліч вільних електронів як основних носіїв струму. Дуже тонка база p-типу злегка легована домішками і має високий опір, а колектор n типу дуже легований, щоб надати йому низький опір.

Принципи роботи транзистора

Найкращим способом познайомитися з ними є експериментальний шлях. Нижче наведено схему простого ланцюга.

Вона використовує силовий транзистордля керування світінням лампочки. Вам також знадобиться батарейка, невелика лампочка від ліхтарика приблизно 4,5 В/0,3 А, потенціометр у вигляді змінного резистора (5К) та резистор 470 Ом. Ці компоненти мають бути з'єднані, як показано на малюнку праворуч від схеми.

Поверніть двигун потенціометра у крайнє нижнє положення. Це знизить напругу з урахуванням (між базою і землею) до нуля вольт (U BE = 0). Лампа не світиться, що означає відсутність струму через транзистор.

Якщо тепер повертати ручку від її нижньої позиції, то U BE поступово збільшується. Коли воно досягає 0,6, струм починає втікати в базу транзистора, і лампа починає світитися. Коли рукоятка зсувається далі, напруга U BE залишається на рівні 0,6, але струм бази збільшується і це збільшує струм через ланцюг колектор-емітер. Якщо рукоятка зсунута у верхнє положення, напруга на базі буде трохи збільшена до 0,75 В, але струм значно зросте і лампа світиться яскраво.

А якщо виміряти струми транзистора?

Якщо ми включимо амперметр між колектором (C) та лампою (для вимірювання IC), інший амперметр між базою (B) та потенціометром (для вимірювання IB), а також вольтметр між загальним проводом та базою та повторимо весь експеримент, ми зможемо отримати деякі цікаві дані. Коли рукоятка потенціометра знаходиться в його нижчій позиції, U BE дорівнює 0, так само як і струми I C і I B . Коли рукоятку зсувають, ці значення зростають до тих пір, поки лампочка не починає світитися, коли вони рівні: U BE = 0.6, I B = 0,8 мА і I C = 36 мА.

У результаті ми отримуємо від цього експерименту такі принципи роботи транзистора: за відсутності позитивного (для npn-типу) напруги зміщення на основі струму через його висновки дорівнюють нулю, а за наявності напруги і струму бази їх зміни впливають на струм в ланцюзі колектор - емітер.

Що відбувається при включенні живлення транзистора

Під час нормальної роботи, напруга, прикладена до переходу база-емітер, розподіляється так, що потенціал бази (p-типу) приблизно на 0,6 вище, ніж у емітера (n-типу). При цьому до цього переходу додано пряма напруга, він зміщений у прямому напрямку і відкритий для протікання струму з бази на емітер.

Набагато більше висока напругаприкладено до переходу база-колектор, причому потенціал колектора (n-типу) виявляється вищим, ніж у бази (p-типу). Так що до переходу прикладено зворотну напругу і він зміщений у зворотному напрямку. Це призводить до утворення досить товстого збідненого електронами шару в колекторі поблизу бази, коли до транзистора прикладається напруга живлення. В результаті струм через ланцюг колектор-емітер не проходить. Розподіл зарядів у зонах переходів npn-транзистора показаний малюнку нижче.

Яка роль струму основи?

Як змусити працювати наш електронний прилад? Принцип дії транзистора полягає у впливі струму бази стан закритого переходу база-колектор. Коли перехід база-емітер зміщений у прямому напрямку, невеликий струм надходитиме до бази. Тут його носіями є позитивно заряджені дірки. Вони комбінуються з електронами, що надходять з емітера, забезпечуючи струм I BE . Однак внаслідок того, що емітер дуже легований, набагато більше електронів надходить з нього в базу, ніж здатне з'єднатися з дірками. Це означає, що виникає велика концентрація електронів в базі, і більшість з них перетинає її і потрапляє до збідненого електронами шару колектора. Тут вони потрапляють під вплив сильного електричного поля, прикладеного до переходу база-колектор, проходять через збіднений електронами шар та основний обсяг колектора для його виведення.

Зміни струму, що входить у основу, впливають кількість залучених від емітера електронів. Таким чином, принципи роботи транзистора можуть бути доповнені наступним твердженням: дуже невеликі зміни базовому струмівикликають дуже великі зміни струмі, що протікає від емітера до колектора, тобто. відбувається посилення струму.

Типи польових транзисторів

Англійською мовою вони позначаються FETs - Field Effect Transistors, що можна перекласти як «транзистори з польовим ефектом». Хоча є багато плутанини в назвах для них, але зустрічаються в основному два основні їх типи:

1. З керуючим pn-переходом. В англомовній літературі вони позначаються JFET або Junction FET, що можна перекласти як «перехідний польовий транзистор». Інакше вони називаються JUGFET або Junction Unipolar Gate FET.

2. З ізольованим затвором (інакше МОП або МДП-транзистори). Англійською мовою вони позначаються IGFET або Insulated Gate FET.

Зовні вони дуже схожі на біполярні, що підтверджує фото нижче.

Влаштування польового транзистора

Всі польові транзистори можуть бути названі УНІПОЛЯРНИМИ приладами, тому що носії заряду, які утворюють струм через них, відносяться до єдиного для даного транзистори типу - або електрони, або "дірки", але не обидва одночасно. Це відрізняє принцип роботи польового транзистора від біполярного, в якому струм утворюється одночасно обома цими типами носіїв.

Носії струму протікають у польових транзисторах з управляючим pn-переходом по шару кремнію без pn-переходів, званому каналом, з провідністю або n-, або p-типу між двома висновками, іменованими «витоком» і «стоком» - аналогами емітера і колектора або , Точніше, катода і анода вакуумного тріода. Третій висновок – затвор (аналог сітки тріода) – приєднаний до шару кремнію з іншим типом провідності, ніж у каналу виток-стік. Структура такого приладу показана нижче.

Як же працює польовий транзистор? Принцип роботи його полягає в управлінні поперечним перерізом каналу шляхом застосування напруги до переходу затвор-канал. Його завжди зміщують у зворотному напрямку, тому транзистор практично не споживає струму ланцюга затвора, тоді як біполярному приладу для роботи потрібен певний струм бази. При зміні вхідної напруги область затвора може розширюватися, перекриваючи канал стік-стік аж до повного закриття, керуючи таким чином струмом стоку.

Сторінка 1 з 2

Пристрій та принцип дії біполярного транзистора

Біполярний транзистор являє собою напівпровідниковий прилад, що має два електронно-діркові переходи, утворених в одному монокристалі напівпровідника. Ці переходи утворюють у напівпровіднику три області з різними типами електропровідності. Одна крайня область називається емітером (Е), інша – колектором (К), середня – базою (Б). До кожної області припаюють металеві висновки включення транзистора в електричний ланцюг.
Електропровідність емітера та колектора протилежна електропровідності бази. Залежно від порядку чергування р- та n-областей розрізняють транзистори з структурою р-n-рта n-р-n. Умовні графічні позначення транзисторів р-n-рі n-р-n відрізняються лише напрямком стрілки у електрода, що позначає емітер.

Принцип роботи транзисторів р-n-р та n-р-n однаковий, тому надалі розглядатимемо лише роботу транзистора зі структурою р-n-р.
Електронно-дірковий перехід, утворений емітером та базою, називається емітерним, а колектором та базою – колекторним. Відстань між переходами дуже мала: у високочастотних транзисторіввоно менше 10 мікрометрів (1 мкм = 0,001 мм), а у низькочастотних не перевищує 50 мкм.
Працюючи транзистора з його переходи надходять зовнішні напруги від джерела питания. Залежно від полярності цих напруг кожен перехід може бути включений як у прямому, так і у зворотному напрямку. Розрізняють три режими роботи транзистора: 1) режим відсікання - обидва переходи і, відповідно, транзистор повністю закриті; 2) режим насичення – транзистор повністю відкритий; 3) активний режим – це режим, проміжний між двома першими. Режими відсічення і насичення разом застосовуються в ключових каскадах, коли транзистор поперемінно повністю відкритий, то повністю замкнений з частотою імпульсів, що надходять на його базу. Каскади, що працюють у ключовому режимі, застосовуються в імпульсних схемах (імпульсні блокиживлення, вихідні каскади малої розгортки телевізорів та ін.). Частково в режимі відсікання можуть працювати вихідні каскади підсилювачів потужності.
Найчастіше транзистори використовуються в активному режимі. Такий режим визначається подачею на базу транзистора напруги невеликої величини, яка називається напругою зміщення (U см.). Транзистор відкривається і через його переходи починає текти струм. Принцип роботи транзистора заснований на тому, що відносно невеликий струм, що тече через емітерний перехід (струм бази), управляє струмом більшої величинив колі колектора. Струм емітера є сумою струмів бази і колектора.

Режими роботи біполярного транзистора

Режим відсічення транзистора виходить тоді, коли емітерний та колекторний р-n-переходи підключені до зовнішніх джерел у зворотному напрямку. В цьому випадку через обидва р-n-переходи протікають дуже малі зворотні струми емітера ( I ЕБО) І колектора ( I КБО). Струм бази дорівнює суміцих струмів і в залежності від типу транзистора знаходиться в межах від одиниць мікроампер - мкА (у кремнієвих транзисторів) до одиниць міліампер - мА (у германієвих транзисторів).

Якщо емітерний і колекторний р-n-переходи підключити до зовнішніх джерел у прямому напрямку, транзистор перебуватиме в режимі насичення . Дифузійне електричне полеемітерного та колекторного переходів частково послаблюватиметься електричним полем, створюваним зовнішніми джерелами U ЕБі U КБ. В результаті зменшиться потенційний бар'єр, що обмежував дифузію основних носіїв заряду, і почнеться проникнення (інжекція) дірок з емітера та колектора в базу, тобто через емітер і колектор транзистора потечуть струми, які називаються струмами насичення емітера ( I Е. нас) та колектора ( I К. нас).

Для посилення сигналів застосовується активний режим роботи транзистора .
Працюючи транзистора в активному режимі його емітерний перехід входить у прямому, а колекторний — у напрямах.

Під дією прямої напруги UЕБвідбувається інжекція дірок з емітера в основу. Потрапивши в основу n-типу, дірки стають у ній неосновними носіями заряду і під дією сил дифузії рухаються (дифундують) до колекторного р-n-переходу. Частина дірок у основі заповнюється (рекомбінує) наявними у ній вільними електронами. Проте ширина бази невелика – від кількох одиниць до 10 мкм. Тому основна частина дірок досягає колекторного р-n-переходу та його електричним полем перекидається в колектор. Очевидно, що струм колектора I До pне може бути більше струму емітера, тому що частина дірок рекомбінує в основі. Тому I K p = h 21Б Iе
Величина h 21Бназивається статичним коефіцієнтом передачі струму емітера. Для сучасних транзисторів h 21Б= 0,90 ... 0,998. Оскільки колекторний перехід включений у зворотному напрямку (часто кажуть - зміщений у зворотному напрямку), через нього протікає зворотний струм. I КБО , утворений неосновними носіями бази (дірками) та колектора (електронами). Тому повний струмколектора транзистора, включеного за схемою із загальною базою

Iдо = h 21Б Iе + IКБО
Дірки, що не дійшли до колекторного переходу і прорекомбінували (заповнені) в основі, повідомляють їй позитивний заряд. Для відновлення електричної нейтральності бази до неї із зовнішнього ланцюга надходить таку ж кількість електронів. Рух електронів із зовнішнього ланцюга в базу створює в ньому рекомбінаційний струм. I Б.Рік.Крім рекомбінаційного через базу протікає зворотний струм колектора в протилежному напрямку та повний струм бази
I Б = I Б. Рік - I КБО
В активному режимі струм бази в десятки і сотні разів менше струму колектора та струму емітера.

Схеми включення біполярного транзистора

У попередній схемі електричний ланцюг, утворена джерелом U ЕБ, емітером і базою транзистора, називається вхідний, а ланцюг, утворений джерелом U КБ, Колектором і базою цього ж транзистора, - вихідний. База є загальним електродом транзистора для вхідного та вихідного ланцюгів, тому таке його включення називають схемою із загальною базою, або скорочено "схемою ПРО".

На наступному малюнку зображена схема, в якій загальним електродом для вхідного та вихідного ланцюгів є емітер. Це схема включення із загальним емітером, або скорочено "схема ОЕ".

У ній вихідним струмом, як і у схемі ОБ, є струм колектора I До, що незначно відрізняється від струму емітера I е, а вхідним - струм бази I Бзначно менший, ніж колекторний струм. Зв'язок між струмами I Бі I Доу схемі ОЕ визначається рівнянням: I До= h 21 Е I Б + IКЕО
Коефіцієнт пропорційності h 21 Е називають статичним коефіцієнтом передачі струму бази. Його можна виразити через статичний коефіцієнт передачі струму емітера h 21Б
h 21 Е = h 21Б / (1 —h 21Б )
Якщо h 21Бзнаходиться в межах 0,9...0,998, відповідні значення h 21 Є будуть у межах 9...499.
Складова Iкео називається зворотним струмом колектора у схемі ОЕ. Її значення 1+ h 21 Є разів більше, ніж IКБО, тобто. IКЕО = (1+ h 21 Е ) IКБВ. Зворотні струми IКБО та IКЕО не залежать від вхідної напруги U ЕБі U БЕі внаслідок цього називаються некерованими складовими колекторного струму. Ці струми сильно залежать від температури довкіллята визначають температурні властивості транзистора. Встановлено, що значення зворотного струму IКБО подвоюється при підвищенні температури на 10 ° С для германієвих та на 8 ° С для кремнієвих транзисторів. У схемі ОЕ температурні зміни некерованого зворотного струму IКЕО можуть у десятки та сотні разів перевищити температурні зміни некерованого зворотного струму IКБО і повністю порушити роботу транзистора. Тому в транзисторних схемахзастосовуються спеціальні заходи термостабілізації транзисторних каскадів, сприяють зменшенню впливу температурних змін струмів працювати транзистора.
Насправді часто зустрічаються схеми, у яких загальним електродом для вхідний і вихідний ланцюгів транзистора є колектор. Це схема включення із загальним колектором, або "схема ОК" (емітерний повторювач) .

Незалежно від схеми включення транзистора йому завжди справедливе рівняння, що зв'язує струми його електродів:
I е = I до + I Б.

Порівняльна оцінка схем увімкнення біполярних транзисторів

K I- коефіцієнт посилення струму

K U- коефіцієнт посилення за напругою

K P- Коефіцієнт посилення за потужністю

Біполярний транзистор – це напівпровідниковий прилад із двома взаємодіючими р-n-переходами та з трьома висновками (рис. 1.15). Залежно від чергування легованих областей розрізняють транзистори n-p-n-типу (рис. 1.15, а) та р-n-р-типу (рис, 1.15, б).

На рис. 1.15, в, гдані умовні позначеннятранзисторів п-р-п-і р-n-р-типів, відповідно. Висновки транзисторів позначаються: Е- емітер, Б- База, До- Колектор.

Емітерна та колекторна області відрізняються тим, що в емітерній області концентрація домішок набагато більша, ніж у колекторній області. Перехід, що виникає між емітером та базою, називається емітерним переходом , а перехід, що виникає між колектором та базою – колекторним .

На рис. 1.16 наведено схему включення транзистора з підключеними джерелами постійної напругита колекторним резистором. У цій схемі з корпусом з'єднаний вихід бази транзистора. Тому цю схему називають схемою включення транзистора із загальною базою (ПРО).

Розрізняють чотири режими роботи біполярного транзистора :

1) активний режим – відкритий емітерний перехід та закритий колекторний перехід (рис. 1.16);

2) режим відсічення - Обидва р-n-Переходу закриті, і суттєвого струму через транзистор немає.

Для отримання цього режиму необхідно у схемі (див. рис. 1.16) змінити полярність джерела Е Ена протилежну;

1) режим насичення - два р-n-Переходу транзистора відкриті і через них протікають прямі струми. Для отримання цього режиму необхідно у схемі (див. рис. 1.16) змінити полярність джерела Е Дона протилежну;

2) інверсний режим - Відкритий колекторний перехід і закритий емітерний перехід. Для отримання цього режиму необхідно у схемі (див. рис. 1.16) змінити протилежні полярності джерел Е Доі Е Е.

Для посилення та перетворення сигналів в основному використовується активний режим роботи. Робота біполярного транзистора в активному режимі ґрунтується на явищі дифузії, а також на ефект дрейфу носіїв заряду в електричному полі.

Робота транзистора в активному режимі

Розглянемо роботу транзистора активному режимі з прикладу транзистора р-n-р-типа (рис. 1.16). У цьому режимі емітерний перехід транзистора є відкритим. Відкриваюча напруга дорівнює Е Е= 0,4 ... 0,7 Ст.

Через відкритий емітерний перехід тече струм i Е (i Е= 0,1 ... 10 мА для малопотужного транзистора). Як правило, в емітерній області транзистора концентрація акцепторних домішок у багато разів більша за концентрацію донорних домішок у базовій n-області транзистора. Тому концентрація дірок у сфері емітера набагато більше концентрації електронів у сфері бази, і майже весь струм емітера – це дірковий струм.

В одиночному p-n-переході при дифузії дірок у п-область відбувається повна рекомбінація інжектованих дірок з електронами п-області. В емітерному переході транзистора відбувається такий самий процес. Завдяки цьому процесу виникає струм бази i Б(Див. рис. 1.16). Однак у транзисторі відбуваються складніші процеси.

Головною особливістю конструкції транзистора є відносно тонка базова область ь.Ширина бази ( W) у транзисторі набагато менше довжини вільного пробігу дірок ( L). У сучасних кремнієвих транзисторів W 1 мкм, а дифузійна довжина L= 5 ... 10 мкм. Отже, переважна більшість дірок досягають колекторного переходу, не встигнувши рекомбінувати з електронами бази. Потрапляючи назад зміщений колекторний перехід, дірки дрейфують (і прискорюються) в полі переходу.

Пройшовши колекторний перехід, дірки рекомбінують з електронами, що підтікають до колектора від джерела живлення ( Е До). Зазначимо, що цей дірковий струм у багато разів перевищує власний зворотний струм закритого колекторного переходу і практично повністю визначає струм колектора ( i До) транзистора.

З аналізу активного режиму (рис. 1.16) випливає рівняння струмів транзистора:

У цьому рівнянні струм бази набагато менше струму емітера і струму колектора, а
Струм колектора практично дорівнює струму емітера транзистора.

Співвідношення між струмами в транзисторі характеризуються двома параметрами:

коефіцієнтом передачі струму емітера

і коефіцієнтом передачі струму бази

Використовуючи формулу (1.2), отримаємо формулу взаємозв'язку коефіцієнтів передачі :

Значення коефіцієнтів α і β залежить від конструкції транзистора. Для більшості малопотужних транзисторів, що використовуються в пристроях зв'язку та комп'ютерах, коефіцієнт b= 20 ... 200, а коефіцієнт a = 0,95…0,995.

Підсилювальні властивості транзистора

Розглянемо підсилювальні властивості транзистора. Нехай на вході транзистора є напруга Е Е= 0,5 В. І нехай ця напруга створює струм i Е= 5 мА. Потужність, витрачається управління транзистором, дорівнює:

Р ВХ= Е Еi Е= 0,5×5×10 -3 = 2,5 мВт.

Нехай опір корисного навантаження в колекторному ланцюзі транзистора (рис. 1.17) дорівнює R До= 1 ком. По навантажувальному резистору протікає колекторний струм, що дорівнює емітерному струму транзистора: i K» i Е. Вихідна потужність, що виділяється на навантаженні, дорівнює:

Р Н =i K 2R K = 25мВт .

Отже, у схемі (див. рис. 1.17) забезпечується десятикратне посилення потужності. Зауважимо, що для забезпечення такого посилення потрібно, щоб на колекторний перехід було подано велику напругу, що замикає:

Є К >U K,

де U K = i K RK- падіння напруги на навантажувальному опорі в колі колектора.

Збільшена енергія вихідного сигналу забезпечується джерелом живлення колекторного ланцюга.

Розглянемо інші режими роботи транзистора:

· в режимі насичення виникає прямий струм колекторного переходу. Його напрямок протилежний напрямку дифузійного струму дірок. Результуючий струм колектора різко зменшується і різко погіршуються підсилювальні властивості транзистора;

· Рідко використовується транзистор в інверсному режимі, так як інжекційні властивості колектора набагато гірші за інжекційні властивості емітера;

· в режимі відсічення всі струми через транзистор практично дорівнюють нулю – обидва переходи транзистора закриті, і підсилювальні властивості транзистора не виявляються.

Крім розглянутої схеми включення транзистора із загальною базою, використовуються дві інші схеми:

1) при з'єднанні з корпусом емітера транзистора отримаємо схему із загальним емітером (ОЕ) (Рис. 1.17). Схема ОЕ найчастіше зустрічається практично;

2) при з'єднанні з корпусом колектора транзистора отримаємо схему із загальним колектором (ОК) . У цих схемах керуюча напругаподається на базове виведення транзистора.

Залежності струмів через висновки транзистора від прикладених до транзистора напруги називають вольт-амперними характеристиками (ВАХ) транзистора.

Для схеми із загальним емітером (рис. 1.17) ВАХ транзистора мають вигляд (рис. 1.18, 1.19). Аналогічні графіки можна одержати для схеми із загальною базою. Криві (див. рис. 1.18) називаються вхідними характеристиками транзистора оскільки вони показують залежність вхідного струму від керуючого вхідної напруги, що подається між базою і емітером транзистора. Вхідні характеристики транзистора близькі до характеристик р-n-переходу.

Залежність вхідних параметрів від напруги на колекторі пояснюється збільшенням ширини колекторного переходу і, отже, зменшенням товщини бази зі збільшенням зворотної напруги на колекторі транзистора (ефект Ерлі).

Криві (див. рис. 1.19) називаються вихідними характеристиками транзистора . Їх використовують визначення колекторного струму транзистора. Збільшенню колекторного струму відповідає збільшення керуючої напруги на базі транзистора:

u БЕ4 > u БЕ3 > u БЕ2 > u БЕ1..

При u КЕ£ U НАС(див. рис. 1.19) напруга на колекторі транзистора стає меншою за напругу на базі. У цьому випадку відкривається колекторний перехід транзистора і виникає режим насичений
ня, при якому струм колектора різко зменшується.

При велику напрузі на колекторі струм колектора починає зростати, оскільки виникає процес лавинного (або теплового) пробою колекторного переходу транзистора.

З аналізу ВАХ транзистора випливає, що транзистор, як і діод, належить до нелінійних елементів. Однак в активному режимі при u КЕ> U НАССтрум колектора транзистора змінюється приблизно прямо пропорційно збільшенням вхідної керуючої напруги на основі транзистора, тобто. вихідний ланцюг транзистора близька за властивостями ідеального керованого джерела струму. Струм колектора в активному режимі практично не залежить від навантаження, що підключається до колектора транзистора.

На рис. 1.20 показана найпростіша лінійна еквівалентна схема транзистора , отримана для активного режиму роботи при подачі на транзистор малих за амплітудою змінних сигналів ( U m < 0,1 В). Основным элементом этой схемы является источник тока, управляемый входным напряжением:

I K =SU БЕ,

де S- крутість транзистора, рівна для малопотужних транзисторів 10 ... 100 мА/В.

Опір r КЕхарактеризує втрати енергії в колекторному ланцюзі. Його значення для малопотужних транзисторів дорівнює десяткам і сотням кілом. Опір емітерного переходу ( r БЕ) дорівнює сотням ом або одиницям кілоом. Цей опір характеризує втрати енергії управління транзистором. Значення параметрів еквівалентної схеми можна знайти, вказуючи робочі точки на вхідних та вихідних ВАХ транзистора та визначаючи відповідні похідні у цих робочих точках (або задаючи у робочих точках збільшення відповідних струмів та напруг).

Являє собою напівпровідниковий пристрійз трьома електродами, складається він із двох p-n переходів, перенесення електричних зарядів у них здійснюється двома видами носія – це електрони та дірки. Оскільки пристрій має 2 p-n переходуто воно отримало назву "біполярний".

Він знайшов широке застосування різних радіоелектронних пристроях призначених для генерації, посилення чи перемикання (наприклад у логічних схемах).

Транзистор має 3 висновки, які називаються таким чином:

• база;
• колектор;
• емітер.

Ці три електроди підключаються до послідовних шарів напівпровідника з різним типомдомішковою провідністю. Залежно від того, як відбувається це чергування, розрізняють транзистори npn і pnp типу. Скорочення n означає negative електронний тип провідності, а p означає positive дірковий.

За принципом дії біполярний транзистор відрізняється від польового тим, що перенесення заряду здійснюється носіями відразу двох типів, а саме електронами та дірками. Звідси і походить назва "біполярний" від слова "бі" - "два".

;

Електрод, який підключається до шару, розташованого в центрі називається "базою", а електроди, які підключаються до зовнішніх шарів, називають "емітером" і "колектором". За типом провідності ці емітерний та колекторний шари ні чим не відрізняються. Але в процесі виробництва транзисторів з метою покращення електричних параметрів вони помітні за ступенем легування домішками.

Еммітер легується сильно, а колекторний слабо, що сприяє зростанню допустимої напругиколектора. Значення пробійної зворотної напруги емітерного переходу нектретично, так як у схемах транзистори зазвичай включають з прямозміщеним емітерним p-n переходом.

Оскільки емітер легується сильніше, то пройде сильнішу інжекцію неосновних носіїв у шар бази. Що сприяє росту коефіцієнта передачі струму при включенні транзистора в схемі із загальною базою.

Площа колекорного переходу виробляється значно більше еммітерного, у результаті досягається найкращий приплив неосновних носіїв з шару основи і поліпшується коефіцієнти передачі.

Товщину базового шару намагаються робити якнайменше з метою підвищення частотних параметрів свого роду швидкодію біполярного транзистора. Але є інша сторона мелалі – при зниженні товщини шару бази зменшується максимальне (граничне) значення напруги колекторного переходу. Тому значення товщини бази вибирається найоптимальнішим.

Принцип дії та влаштування біполярного транзистора

Спочатку в транзисторах в основному використовувався металевий германій, а зараз їх виготовляють з монокристалічного кремнію і арсеніду галію, прилади зроблені на основі арсеніду галію мають високу швидкодію і застосовуються в схемах НВЧ-підсилювачів, швидкодіючих логічних схемах. Їхня швидкодія пояснюється високою рухливістю носіїв в арсеніді галію.

Біполярний транзистор має 3 напівпровідникових шари, які легуються по-різному: бази (Б), емітера (Е), колектора (К). Залежно від послідовності шарів провідності транзистори бувають з провідністю pnp і npn.

Базовий шар розташований між двома іншими шарами і слабо легований, внаслідок чого має великий опір. Площа контакту база-емітер менша ніж площа колектор-база. Це робиться з таких причин:

• збільшення площі переходу колектор-база сприяє тому що неосновні носії з бази з більшою ймовірністю захоплюються колектором, в робочому стані колекторний перехід включається зі зворотним зміщенням;
• також велика площасприяє більшому відводу тепла у процесі роботи;

Еммітерний перехід зазвичай включається у прямому напрямку (відкритий), а колекторний у зворотному (закритий).

Давайте розглянемо роботу транзистора типу n-p-n, транзистор типу p-n-pпрацює так само тільки в ньому основні носії із заряду не електрони, а дірки. У транзисторі npn типу електрони проходять через перехід емітер-база або іншими словами інжектуються. Частка цих "нових електронів" рекомбінує з дірками - основними носіями заряду бази. Але через те, що основа у нас тонка і слаболегована тобто. Небагато дірок то основна маса електронів переходить (дифундує) в область колектора цей перехід обумовлений тим, що електрони довго рекомбінують з дірками в основі, а також електричне поле колектора велике, тому відбувається захоплення електронів в колектор. Виходить, що струм колектора практично дорівнює струму емітера мінус невеликі втрати на рекомбінацію в базі. Iк = Iб-Iе.

База таки виконує роль вентиля, який перекриває потік електронів через транзистор. Для того щоб почати управління необхідно на виведення бази транзистора подати струм. Його називають струму бази. А напруга, прикладена до висновків емітера і основи, називають «напругою усунення». Змінюючи цей струм (бази), ми тим самим змінюємо основний струм (колекторний) через транзистор.

Нагрів транзисторів

Протікання через транзистор електронам чинять великий опір вузли кристалічної решітки напівпровідників. Що призводить до його нагрівання. У малопотужних біполярних транзисторах це нагрівання не значний, і ні як не позначається на його роботі. А ось у потужних транзисторах, через які протікають великі струми, це нагрівання може призвести до його поломки. Для того, щоб це запобігти застосовують радіатори.

Радіатори потрібні для відведення тепла від транзистора. Іноді з метою покращення тепловіддачі застосовують термопасту. Деякі радіатори мають на поверхні ребра. Ці ребра збільшують загальну поверхню. На деяких радіаторах встановлені вентилятори, що забезпечує безперервний потік повітря і як наслідок відведення теплоти збільшується.

Схеми підключення транзисторів

Транзистор можна підключити трьома різними схемами:

• емітерна схема;
• базова схема;
• колекторна схема.

Робота транзистора у цих схемах різна.

Емітерна схема включення

Найчастіше використовувана схема включення це емітерна схема. Включення транзистора за цією схемою забезпечує посилення за напругою та струмом. Вхідний опір даної схеми невеликий (порядку сотень Ом) і високий вихідний опір (десятки кОм).

Колекторна схема включення

Даний схема має пристойний опір на вході та невеликий опір на виході. Вхідний опір даної схеми залежить від навантаження, яке у нас включено на виході і більше за цей опір на підсилювальний коефіцієнт. Її доцільно застосувати джерелом вхідного сигналу з високим вихідний опір, наприклад, конденсаторний мікрофон або п'єзоелектричний звукознімач.

Базова схема включення

Ця схема використовується для посилення тільки напруги. Підсилювальний коефіцієнт струму, а точніше відношення вихідного струму до вхідного завжди менше одиниці. Застосовується посилення високих частот і має мінімальні рівні шумів вихідних сигналів, наприклад, в підсилювачах антен, де опір становить близько сотень Ом.

Робота біполярного транзистора у різних режимах

Транзистор у електричних схемахпідключається по-різному і має 4 основні режими роботи. Їх основна відмінність у напрямку струму, що протікає, через перехід або зовсім відсутності електричного струму. Під переходом тут розуміється область між двома p і n напівпровідниками.

Активний режим

На перехожий Б - Е; (База-емітер); підключено пряму напругу, а на перехід Е-К(емітер-колектор) підключено зворотну напругу. Посилення сигналу в цьому режимі максимальне. Цей режим найчастіше використовується.

Насичений режим

На перехід Б - Е та перехід Б-Кподано пряму напругу, переходи повністю відкриті.

Відсічний режим

Режим роботи закритого транзистора, коли до переходів подано зворотну напругу.; Застосовується в схемах, де потрібно два стани транзистора: "відкритий" або "закритий". Такі схеми називають ключовими.

Режим інверсії

На перехід Е-К (колекторний перехід) подяно пряме напрядіння, а Б - Е зворотне. Досить рідкісний режим роботи біполярного транзистора.

Відео з роботи біполярного транзистора

Пристрій та принцип дії

Перші транзистори були виготовлені на основі германію. В даний час їх виготовляють в основному з кремнію та арсеніду галію. Останні транзистори використовуються у схемах високочастотних підсилювачів. Біполярний транзистор складається з трьох різним чином легованих напівпровідникових зон: емітера E, бази Bта колектора C. Залежно від типу провідності цих зон розрізняють NPN (емітер - n-напівпровідник, база - p-напівпровідник, колектор - n-напівпровідник) та PNP транзистори. До кожної із зон підведені провідні контакти. База розташована між емітером та колектором і виготовлена ​​із слаболегованого напівпровідника, що володіє великим опором. Загальна площа контакту база-емітер значно менша за площу контакту колектор-база (це робиться з двох причин - велика площа переходу колектор-база збільшує ймовірність екстракції неосновних носіїв заряду в колектор і тому що в робочому режимі перехід колектор-база зазвичай включений зі зворотним зсувом, що збільшує тепловиділення, сприяє відводу тепла від колектора), тому біполярний транзистор загального виглядує несиметричним пристроєм (неможливо шляхом зміни полярності підключення поміняти місцями емітер та колектор та отримати в результаті абсолютно аналогічний вихідному біполярному транзистору).

В активному режимі роботи транзистор включений так, що його емітерний перехід зміщений у прямому напрямку (відкритий), а колекторний перехід зміщений у зворотному напрямку (закритий). Для певності розглянемо npnтранзистор, всі міркування повторюються абсолютно аналогічно випадку pnpтранзистора, із заміною слова "електрони" на "дірки", і навпаки, а також із заміною всіх напруг на протилежні за знаком. В npnтранзистор електрони, основні носії струму в емітері, проходять через відкритий перехід емітер-база (інжектуються) в область бази. Частина цих електронів рекомбінує з основними носіями заряду в основі (дірками). Однак, через те, що базу роблять дуже тонкою і порівняно слабо легованою, більшість електронів, інжектованих з емітера, дифундує в область колектора. Сильне електричне поле назад зміщеного колекторного переходу захоплює електрони і проносить їх у колектор. Струм колектора, таким чином, практично дорівнює струму емітера, за винятком невеликої втрати на рекомбінацію в базі, яка і утворює струм бази (I е = I б + I к). Коефіцієнт α, що зв'язує струм емітера і струм колектора (I к = α I е) називається коефіцієнтом передачі струму емітера. Чисельне значення коефіцієнта 0.9 - 0.999. Чим більший коефіцієнт, тим ефективніше транзистор передає струм. Цей коефіцієнт мало залежить від напруги колектор-база та база-емітер. Тому в широкому діапазоні робочих напруг струм колектора пропорційний струму бази, коефіцієнт пропорційності дорівнює β = α / (1 − α) = (10..1000). Таким чином, змінюючи малий струм бази, можна керувати значно великим струмомколектора.

Режими роботи біполярного транзистора

Нормальний активний режим

Перехід емітер-база включений у прямому напрямку (відкритий), а перехід колектор-база – у зворотному (закритий)
U ЕБ >0;U КБ<0 (для транзистора p-n-p типа, для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид U ЭБ <0;U КБ >0);

Інверсний активний режим

Емітерний перехід має зворотне включення, а колекторний перехід – пряме.

Режим насичення

Обидва p-n переходи зміщені у прямому напрямку (обидва відкриті). Якщо емітерний та колекторний р-n-переходи підключити до зовнішніх джерел у прямому напрямку, транзистор перебуватиме в режимі насичення. Дифузійне електричне поле емітерного та колекторного переходів частково послаблюватиметься електричним полем, створюваним зовнішніми джерелами Uеб та Uкб. В результаті зменшиться потенційний бар'єр, що обмежував дифузію основних носіїв заряду, і почнеться проникнення (інжекція) дірок з емітера і колектора в базу, тобто через емітер і колектор транзистора потечуть струми, які називаються струмами насичення емітера (IЕ.нас) і колектора. нас).

Режим відсічення

В даному режимі обидва p-n переходи приладу зміщені у зворотному напрямку (обидва закриті). Режим відсічення транзистора виходить тоді, коли емітерний та колекторний р-n-переходи підключені до зовнішніх джерел у зворотному напрямку. У цьому випадку через обидва р-n-переходи протікають дуже малі зворотні струми емітера (IЕБО) та колектора (IКБО). Струм бази дорівнює сумі цих струмів і в залежності від типу транзистора знаходиться в межах від одиниць мікроампер - мкА (у кремнієвих транзисторів) до одиниць міліампер - мА (у германієвих транзисторів).

Бар'єрний режим

У цьому режимі базатранзистора по постійному струму з'єднана коротко або через невеликий резистор з його колектором, а в колекторнуабо в емітернуланцюг транзистора включається резистор, що задає струм через транзистор. У такому включенні транзистор є своєрідним діодом, включеним послідовно з токозадавальним резистором. Подібні схеми каскадів відрізняються малою кількістю комплектуючих, гарною розв'язкою високої частоти, великим робочим діапазоном температур, нечутливістю до параметрів транзисторів.

Схеми включення

Будь-яка схема включення транзистора характеризується двома основними показниками:

• Коефіцієнт посилення струму I вих /I вх.
• Вхідний опір R вх = U вх / I вх

Схема включення із загальною базою

Підсилювач із загальною базою.

• Серед усіх трьох конфігурацій має найменший вхідний і найбільший вихідний опір. Має коефіцієнт посилення струму, близький до одиниці, і великий коефіцієнт посилення по напрузі. Фаза сигналу не інвертується.
• Коефіцієнт посилення струму: I вих /I вх =I до /I э =α [α<1]
• Вхідний опір R вх = U вх / I вх = U б / е.

Вхідний опір для схеми із загальною базою мало і не перевищує 100 Ом для малопотужних транзисторів, так як вхідний ланцюг транзистора при цьому є відкритим емітерним переходом транзистора.

Переваги:

• Хороші температурні та частотні властивості.
• Висока допустима напруга

Недоліки схеми із загальною базою:

• Мале посилення струму, оскільки α< 1
• Малий вхідний опір
• Два різні джерела напруги для живлення.

Схема включення із загальним емітером

• Коефіцієнт посилення за струмом: I вих /I вх =I до /I б =I до /(I е -I к) = α/(1-α) = β [β>>1]
• Вхідний опір: R вх = U вх / I вх = U бе / I б

Переваги:

• Великий коефіцієнт посилення струму
• Великий коефіцієнт посилення за напругою
• Найбільше посилення потужності
• Можна обійтися одним джерелом живлення
• Вихідна змінна напруга інвертується щодо вхідної.

Недоліки:

• Найгірші температурні та частотні властивості порівняно зі схемою із загальною базою

Схема із загальним колектором

• Коефіцієнт посилення за струмом: I вих /I вх =I э /I б =I э /(I э -I к) = 1/(1-α) = β [β>>1]
• Вхідний опір: R вх = U вх / I вх = (U бе + U ке) / I б

Переваги:

• Великий вхідний опір
• Малий вихідний опір

Недоліки:

• Коефіцієнт посилення по напрузі менше 1.

Схему з таким включенням називають «емітерним повторювачем»

Основні параметри

• Коефіцієнт передачі струму
• Вхідний опір
• Вихідна провідність
• Зворотний струм колектор-емітер
• Час увімкнення
• Гранична частота коефіцієнта передачі струму бази
• Зворотний струм колектора
• Максимально допустимий струм
• Гранична частота коефіцієнта передачі струму у схемі із загальним емітером

Параметри транзистора поділяються на власні (первинні) та вторинні. Власні параметри характеризують характеристики транзистора, незалежно від схеми його включення. Як основні власні параметри приймають:

• коефіцієнт посилення струму α;
• опору емітера, колектора та бази змінного струму r е, r до, r б, які є:
  • r е - суму опорів емітерної області та емітерного переходу;
  • r до - суму опорів колекторної області та колекторного переходу;
  • r б – поперечний опір бази.

Еквівалентна схема біполярного транзистора з використанням h-параметрів

Вторинні параметри різні для різних схем включення транзистора і внаслідок його нелінійності справедливі тільки для низьких частотта малих амплітуд сигналів. Для вторинних параметрів запропоновано кілька систем параметрів та відповідних їм еквівалентних схем. Основними вважаються змішані (гібридні) параметри, що позначаються літерою h.

Вхідний опір- опір транзистора вхідному змінному струму при короткому замиканніна виході. Зміна вхідного струму є результатом зміни вхідної напруги, без впливу зворотнього зв'язкувід вихідної напруги.

H 11 = U m1 / I m1 за U m2 = 0.

Коефіцієнт зворотного зв'язку за напругоюпоказує, яка частка вихідного змінної напругипередається на вхід транзистора внаслідок зворотного зв'язку у ньому. У вхідному ланцюзі транзистора немає змінного струму, і зміна напруги на вході відбувається лише внаслідок зміни вихідної напруги.

H 12 = U m1 / U m2 за I m1 = 0.

Коефіцієнт передачі струму(Коефіцієнт посилення по струму) показує посилення змінного струму при нульовому опорі навантаження. Вихідний струм залежить від вхідного струму без впливу вихідної напруги.

H 21 = I m2 / I m1 за U m2 = 0.

Вихідна провідність- внутрішня провідність змінного струму між вихідними затискачами. Вихідний струм змінюється під впливом вихідної напруги.

H 22 = I m2 / U m2 за I m1 = 0.

Залежність між змінними струмамиі напругою транзистора виражається рівняннями:

U m1 = h 11 I m1 + h 12 U m2;
I m2 = h 21 I m1 + h 22 U m2.

Залежно від схеми включення транзистора до цифрових індексів h-параметрів додаються літери: е - для схеми ОЕ, б - для схеми ПРО, до - для схеми ОК.

Для схеми ОЕ: I m1 = I mб, I m2 = I mк, U m1 = U mб-е, U m2 = U mк-е. Наприклад, для цієї схеми:

H 21е = I mк / I mб = β.

Для схеми ОБ: I m1 = I mе, I m2 = I mк, U m1 = U mе-б, U m2 = U mк-б.

Власні параметри транзистора пов'язані з h-параметрами, наприклад, для схеми ОЕ:

;

;

;

.

З підвищенням частоти шкідливе впливом геть роботу транзистора починає надавати ємність колекторного переходу C к. Опір ємності зменшується, знижується струм через опір навантаження і, отже, коефіцієнти посилення α і β. Опір ємності емітерного переходу C е також знижується, проте вона шунтується малим опором переходу r е і в більшості випадків може не враховуватися. Крім того, при підвищенні частоти відбувається додаткове зниження коефіцієнта в результаті відставання фази струму колектора від фази струму емітера, яке викликане інерційність процесу переміщення носіїв через базу від еммітерного переходу до колекторного та інерційністю процесів накопичення і розсмоктування заряду в базі. Частоти, на яких відбувається зниження коефіцієнтів α та β на 3 дБ, називаються граничними частотами коефіцієнта передачі струмудля схем ПРО та ОЕ відповідно.

В імпульсному режимі імпульс струму колектора починається із запізненням на час затримки з відносно імпульсу вхідного струму, що викликано кінцевим часом пробігу носіїв через базу. У міру накопичення носіїв у основі струм колектора наростає протягом тривалості фронту ф. Часом увімкненнятранзистора називається τ вкл = τ з + τ ф.