Как работает биполярный транзистор
Перейти к содержимому

Как работает биполярный транзистор

  • автор:

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующимивыпрямляющими электронно-дырочными переходами, тремя (или более выводами). Усилительные свойства биполярных транзисторов обусловлены явлениямиинжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Структура биполярных итранзисторов приведена на рисунках.

Взаимодействиемеждупереходами осуществляется при малой толщине области между переходами. В этом случае носители заряда,инжектированные через переход, смещенный в прямомнаправлении, могут преодолеть малую базовую область и дойти до второго перехода.

Второй переход смещен в обратном направлении. При отсутствии инжекции носителей в область базы ток второго (обратно смещенного перехода) мал. При наличии инжекции носителей в базовую область, достигшие второго перехода носители изменяют ток, протекающий через обратно смещенный переход. То есть, ток первого перехода управляет током второго перехода.

Область транзистора, используемая в режиме инжекции, называется эмиттером.

Область транзистора, осуществляющая экстракцию (удаление) носителей заряда называется коллектором.

Средняя область транзистора называется базой.

Электронно-дырочный переход, расположенный между эмиттером и базой, называется эмиттерным переходом. Электронно-дырочный переход, расположенный между коллектором и базой, называетсяколлекторным переходом.

Для величин, относящихся к эмиттеру, коллектору и базе применяются индексы «э», «к», «б» соответственно. Например, токи в соответствующих проводниках, обозначаются . Напряжения между соответствующими электродами обозначаются двойными индексами:-напряжение между базой и эмиттером.

Электронно-дырочные переходы биполярного транзистора могут быть смещены как в прямом, так и в обратном направлении. При этом возможны три режима работы транзистора:

Режим отсечки-оба перехода смещены в обратном направлении и через транзистор проходят малые токи

Режим насыщения— оба перехода смещены в прямом направлении. Через транзистор при этом проходят сравнительно большие токи.

Активный режим— эмиттерный переход смещен с прямом направлении, коллекторный переход смещен в обратном направлении. В этом режиме наиболее эффективно осуществляется управление током.

Физика работы биполярного транзистора в активном режиме.

Активный режим является основным режимом работы транзистора. В активном режиме на эмиттерном переходе прямое напряжение внешнего источника, то есть сопротивление эмиттерного перехода низкое -несколько ом.. На коллекторном переходе обратное включение внешнего источника — сопротивление коллекторного перехода высоко — несколько мегаом. Благодаря высокому сопротивлению коллекторного перехода в цепь коллектора можно включать нагрузку с большим сопротивлением, а ток коллектора при этом останется практически неизменным, так как он все равно будет определяться очень большой величиной сопротивления обратно смещенного коллекторного перехода.

При прямом смещении эмиттерного перехода его потенциальный барьер понижается и через переход течет ток основных носителей заряда -ток эммитера . Инжектированные через эмиттерный переход в базу носители заряда, частично рекомбинируют в базе. Ввиду малой толщины базы основная часть инжектированных носителей заряда диффундирует сквозь базу и (для базы это неосновные носители) достигает коллекторного перехода.

В исходном состоянии коллекторный переход закрыт обратным включением внешнего источника. Поэтому на коллекторном переходе существует потенциальный барьер и соответствующее электрическое поле. Через коллекторный переход могут проходить только неосновные носители. Поэтому инжектированные через эмиттерный переход носители — для коллекторного перехода это неосновные носители — подхватываются полем и проходят через коллекторный переход, создавая коллекторный ток . Следовательно, коллекторный переход осуществляет удаление -экстракцию- неосновных носителей из базовой области.

Те носители, которые не принимают участия в создании коллекторного тока, а рекомбинируют в теле базы, создают тем базовый ток .

Очевидно, что ток коллектора меньше тока эмиттера. Из условия равенства токов в узле (закон Кирхгофа для токов) следует следующее равенство:.

Необходимо чтобы ток базы был по возможности ниже. Обычно ток базы составляет единицы процентов от величины тока эмиттера. Это достигается при изготовлении транзисторов уменьшением концентрации примесей в базе, уменьшением толщины базы. При выполнении этих условий можно считать, что токи эмиттера и коллектора примерно равны .

Следовательно ток коллектора может изменяться от очень малой величины (практически от нуля), определяемой обратным током электронно-дырочного перехода, до значения тока эмиттерного перехода.

Если ток коллектора возрастает при неизменном напряжении на коллекторе (-схема включения с общей базой), то физически это означает, что сопротивление коллекторного перехода снижается до величины того же порядка, что и сопротивление эмиттерного перехода. Следовательно, в результате инжекции носителей из эмиттера происходит преобразование сопротивления коллектора (transferresistor- отсюда и название транзистор).

Напряжение на эмиттерном переходе значительно меньше чем напряжение на коллекторном переходе (). Токи коллектора и эмиттера практически равны. Мощности выделяемые в эмиттерной цепии коллекторной цепиразличны, причем. Следовательно, биполярный транзистор способен усиливать мощность входного сигнала, то есть является усилительным прибором.

Биполярный транзистор

Приветствую вас дорогие друзья! Сегодня речь пойдет о биполярных транзисторах и информация будет полезна прежде всего новичкам. Так что, если вам интересно что такое транзистор, его принцип работы и вообще с чем его едят, то берем стул по удобнее и подходим поближе.

Биполярный транзистор - принцип работы для чайников

Продолжим, и у нас тут есть содержание, будет удобнее ориентироваться в статье ��

Виды транзисторов

Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы. Конечно можно было рассмотреть все виды транзисторов в одной статье, но мне не хочется варить кашу у вас в голове. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Не будем все мешать в одну кучу а уделим внимание каждому, индивидуально.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века. Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут так.

Tranzistory` (2)

Как вы можете видеть биполярные транзисторы имеют три вывода и конструктивно они могут выглядеть совершенно по разному. Но на электрических схемах они выглядят простенько и всегда одинаково. И все это графическое великолепие, выглядит как-то так.

Проводимость транзисторов

Это изображение транзисторов еще называют УГО (Условное графическое обозначение).

Причем биполярные транзисторы могут иметь различный тип проводимости. Есть транзисторы NPN типа и PNP типа.

Отличие n-p-n транзистора от p-n-p транзистора состоит лишь в том что является «переносчиком» электрического заряда (электроны или «дырки» ). Т.е. для p-n-p транзистора электроны перемещаются от эмиттера к коллектору и управляются базой. Для n-p-n транзистора электроны идут уже от коллектора к эмиттеру и управляются базой. В итоге приходим к тому, что для того чтобы в схеме заменить транзистор одного типа проводимости на другой достаточно изменить полярность приложенного напряжения. Или тупо поменять полярность источника питания.

У биполярных транзисторов есть три вывода: коллектор, эмиттер и база. Думаю, что по УГО будет сложно запутаться, а вот в реальном транзисторе запутаться проще простого.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто прозвонить транзистор мультиметром. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке (в области базы транзистора).

Слева изображена картинка для транзистора p-n-p типа, при прозвонке создается ощущение (посредством показаний мультиметра ), что перед вами два диода которые соединены в одной точке своими катодами. Для транзистора n-p-n типа диоды в точке базы соединены своими анодами. Думаю после экспериментов с мультиметром будет более понятно.

транзистор как диод

Принцип работы биполярного транзистора

Транзистор как человек

А сейчас мы попробуем разобраться как работает транзистор. Я не буду вдаваться в подробности внутреннего устройства транзисторов так как эта информация только запутывает. Лучше взгляните на этот рисунок.

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h21Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

  1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
  2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
  3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
  4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

  1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате ток базы отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
  2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора. В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
  3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
  4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Схема транзисторного ключа

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи. Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается -лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти ��

Чтобы такого эффекта не происходило делают следующее. Между базой и эмиттером подключают еще один резистор Rбэ. Этот резистор выбирают номиналом как минимум в 10 раз больше базового резистора Rб (В нашем случае мы взяли резистор 4,3кОм).

Когда база подключена к какому-либо напряжению, то транзистор работает как надо, резистор Rбэ ему не мешает. На этот резистор расходуется лишь малая часть базового тока.

В случае, когда напряжение к базе не приложено, происходит подтяжка базы к потенциалу земли, что избавляет нас от всяческих наводок.

Вот в принципе мы разобрались с работой транзистора в ключевом режиме, причем как вы могли убедиться ключевой режим работы это своего рода усиление сигнала по напряжению. Ведь мы с помощью малого напряжения в 5В управляли напряжением в 12 В.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

эмиттерный повторитель

Отличительной чертой схемы с общим коллектором от схемы с общим эмиттером (вариант с транзисторным ключем) является то, что эта схема не усиливает сигнал по напряжению. Что вошло через базу, то и вышло через эмиттер, с тем же самым напряжением.

Действительно допустим приложили к базе мы 10 вольт, при этом мы знаем что на переходе база-эмиттер высаживается где-то 0,6-0,7В. Выходит что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rн) будет напряжение базы минус 0,6В.

Получилось 9,4В, одним словом почти сколько вошло столько и вышло. Убедились, что по напряжению эта схема нам сигнал не увеличит.

«В чем же смысл тогда таком включении транзистора?»- спросите вы. А вот оказывается эта схема обладает другим очень важным свойством. Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал по мощности. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока! Ток в нагрузке складывается из тока базы плюс ток коллектора. Но если сравнивать ток базы и ток коллектора то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Получается ток нагрузки равен току коллектора. И в результате получилась вот такая формула.

Теперь я думаю понятно в чем суть схемы эмиттерного повторителя, только это еще не все.

Эмиттерный повторитель обладает еще одним очень ценным качеством — высоким входным сопротивлением. Это означает, что эта транзисторная схема почти не потребляет ток входного сигнала и не создает нагрузки для схемы -источника сигнала.

Для понимания принципа работы транзистора этих двух транзисторных схем будет вполне достаточно. А если вы еще поэкспериментируете с паяльником в руках то прозрение просто не заставит себя ждать, ведь теория теорией а практика и личный опыт ценнее в сотни раз!

Где транзисторы купить?

Как и все другие радиокомпоненты транзисторы можно купить в любом ближайшем магазине радиодеталей. Если вы живете где-нибудь на окраине и о подобных магазинах не слышали (как я раньше) то остается последний вариант — заказать транзисторы в интернет- магазине. Я сам частенько заказываю радиодетали через интернет-магазины ведь в обычном оффлайн магазине может чего-нибудь просто не оказаться.

Впрочем если вы собираете устройство чисто для себя то можно не париться а добыть из старой, отслужившей свое техники и так сказать вдохнуть в старый радиокомпонет новую жизнь.

Чтож друзья, а на этом у меня все. Все, что планировал я сегодня вам рассказал. Если остались какие-либо вопросы, то задавайте их в комментариях, если вопросов нет то все равно пишите комментарии, мне всегда важно ваше мнение. Кстати не забывайте, что каждый кто впервые оставит комментарий получит подарок.

Также обязательно подпишитесь на новые статьи, потому что дальше вас ждет много интересного и полезного.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой трехвыводной полупроводниковый пробор с тремя чередующимися слоями полупроводника разного вида проводимости, на границе раздела которых образуется два р-n перехода. В современной электронике биполярные транзисторы уже практически не используются как силовые ключевые элементы. Причиной этого является низкое быстродействие, в сравнении с MOSFET-транзисторами, сравнительно большее энерговыделение, большие мощности управления, сложности параллельного включения и т.д. Поэтому в данной работе биполярные транзисторы будут рассматриваться с целью использования в качестве функциональных элементов (систем обратной связи, усилительных каскадов и т.д.).

Биполярные транзисторы имеют два основных типа структуры:

  • n-p-n;
  • p-n-p.

Достаточно подробно про внутреннюю структуру транзисторов изложено в [Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Лань. 2002. 479 с.]. Резюмируя можно сказать, что быстродействие n-p-n транзистора существенно больше быстродействия p-n-p структуры. По этой, а также еще по нескольким причинам n-p-n транзисторов по номенклатуре существенно больше, чем p-n-p транзисторов. Вот такая ассиметрия.

Области использования биполярных транзисторов:

  • в линейных стабилизаторах напряжения;
  • в усилительных каскадах электронных схем;
  • в генераторных устройствах;
  • в качестве ключевого элемента;
  • в качестве элемента логических схем;
  • и т.д. и еще много где применяется, не зря за него Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтер Браттейну нобелевскую премию дали.

Биполярный транзистор имеет два p-n перехода – эмиттерный и коллекторный. База у переходов общая. Биполярный транзистор управляется током.

Условное обозначение биполярных транзисторов n-p-n и p-n-p структур показано на рисунке BJT.1.

Рисунок BJT.1 – Условное обозначение n-p-n и p-n-p транзистора

Классификация биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы условно подразделяются на различные типы в соответствии со следующими измерениями параметров:

  • рабочая частота;
  • рассеиваемая мощность;
  • структура (обычный транзистор или составной транзистор Дарлингтона);
  • и разумеется тип полупроводниковой структуры – n-p-n и p-n-p.
Основные схемы включения биполярного транзистора

Мы не будем вдаваться в подробности внутренней кухни транзистора в сложные хитросплетения взаимодействия мужественных электронов и женственных дырок. Просто рассмотрим транзистор как маленький черный ящик с тремя ножками. Существует три основных способа включения трех ножек транзистора:

  • схема с общим эмиттером;
  • схема с общей базой;
  • эмиттерный повторитель.

Рисунок BJT.2 — Основные способы включения биполярного транзистора: а — схема с общим эмиттером; б — схема с общей базой; в — эмиттерный повторитель

Схема с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером – самая распространённая схема включения биполярного транзистора (рисунок BJT.3). Обеспечивает усиление сигнала, как по напряжению, так и по току. Обеспечивает максимальное усиление по мощности среди всех прочих схем включения биполярного транзистора. В данной схеме протекание тока по цепи база-эмиттер IB (часто просто называемый ток базы) приводит к протеканию тока в цепи коллектор-эмиттер IC (называемый обычно просто током коллектора). Коэффициент пропорциональности между током базы и током коллектора называется коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером hFE:

Формула

Еще hFE часто обозначается как β или в советской литературе как h21э.

Важным преимуществом схемы является возможность использования только одного источника питания. Кроме этого, при проектировании схем важно учитывать то, что выходное напряжение инвертируется относительно входного.

Рисунок BJT.3 — Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Схема с общей базой

Значительно менее распространённое включение биполярного транзистора (рисунок BJT.4).

Рисунок BJT.4 — Схема включения биполярного транзистора с общей базой

Обеспечивает усиление сигнала, но только по напряжению. Ток практически не изменяется или немного уменьшается. Ток в цепи коллектора связан с током эмиттера IE коэффициентом передачи ток α близким к единице, но меньшим её:

Формула Формула

Коэффициент передачи тока рассчитывается исходя из соотношения:

1 Формула

где hFE – все тот же коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.

Фактически силовой ток течет по цепи коллектор-эмиттер, то есть ток нагрузки полностью втекает в управляющий источник E. Это определяет малое входное сопротивление схемы Rin, фактически равное дифференциального сопротивления эмиттерного перехода

Формула

VBE – напряжение база-эмиттер

Соответственно ток базы мал и равен:

Формула

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель потому и называется повторителем, что он не усиливает входной сигнал по напряжению, а «повторяет» его. Или почти повторяет. В схеме сопротивление нагрузки включено так, что напряжение не нем вычитается из приложенного напряжения, чем реализуется отрицательная обратная связь. Схема включения биполярного транзистора в режиме эмиттерного повторителя представлена на рисунке BJT.5.

Рисунок BJT.5 — Эмиттерный повторитель

Усиление достигается только по току:

Формула

Соответственно входное сопротивление повторителя равно:

Формула Формула

hFE — коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером;

Rload – сопротивление нагрузки.

В реальности выходное напряжение отстает от входного на величину падения напряжения на переходе «база-эмиттер» (приблизительно равное 0,6 В):

Формула

Вольт-амперная характеристика биполярного транзистора

Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером представлена на рисунке BJT.6. Поскольку в схемах включения транзистора присутствуют две цепи (два контура) – цепь управления и цепь нагрузки то имеют место две характеристики — входная и выходная. Входная характеристика (рисунок BJT.6, а) представляет собой зависимость тока базы от напряжения на переходе «база-эмиттер» при различных напряжениях «коллектор-эмиттер». При увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» характеристика смещается вправо – ток базы уменьшается при том же значении напряжения «база-эмиттер». Выходная характеристика представляет собой зависимость тока коллектора от напряжения «коллектор-эмиттер» при различных токах базы, что образует семейство кривых. С ростом тока базы возрастает и ток коллектора пропорционально значению hFE (справедливо для малых сигналов). При постоянном токе базы ток коллектора несколько возрастает при увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» (рисунок BJT.6, б).

Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора

Рисунок BJT.6. Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером: а) входные характеристики; б) выходные характеристики

Основные параметры биполярного транзистора
  1. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (Collector-Emitter Voltage) VCEO – максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора. Один из наиболее важных параметров транзистора.
  2. Максимальное напряжение коллектор-база (Collector-Base Voltage) VCBO – максимально допустимое напряжение между коллектором и базой транзистора. Это напряжение несколько выше (на 20-30%) чем максимальное напряжение коллектор-эмиттер.
  3. Максимальный постоянный ток коллектора (Collector Current — Continuous) IC – максимальная величина тока через коллекторный переход в стационарном режиме.
  4. Максимальное обратное напряжение эмиттер-база (Emitter-Base Voltage) VEBO — максимально допустимое напряжение между управляющего перехода база-эмиттер транзистора.
  5. Ток утечки коллекторного перехода (Collector Cut-Off Current) ICEX – ток, протекающий через закрытый коллекторный переход под действием приложенного обратного напряжения.
  6. Ток утечки эмиттерного перехода (Base Cut-Off Current) IBL – ток, протекающий через эмиттерный переход под действием приложенного обратного напряжения. При этом к коллекторному переходу также приложено напряжение.
  7. Коэффициент передачи тока (DC Current Gain) hFE – усилительная характеристика транзистора. Коэффициент равен отношению следствия — тока коллекторного перехода к причине — току эмиттерного перехода.
  8. Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером (Collector-Emitter Saturation Voltage) VCE(sat) — минимальное напряжение между коллектором и эмиттером в открытом состоянии (в «совсем открытом» состоянии при большом токе базы). Обычно составляет 0,2-0,4 В.
  9. Напряжение насыщения эмиттерного перехода (Base-Emitter Saturation Voltage) VBE(sat) – напряжение между базой и эмиттером при заданном токе базы.
  10. Максимальная частота работы транзистора (Current Gain — Bandwidth Product) fT – при этой частоте транзистор уже не усиливает сигнал, и коэффициент передачи тока становится равным единице.
  11. Выходная емкость, емкость коллектор-база (Output Capacitance, Collector-Base Capacitance) CCBO – емкость коллекторного перехода.
  12. Входная емкость, емкость эмиттер-база (Input Capacitance, Emitter-Base Capacitance) CEBO – емкость эмиттерного перехода.
  13. Уровень шумов (Noise Figure) NF — уровень собственных шумов транзистора.
  14. Время задержки включения (Delay Time) td — время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении.
  15. Время задержки выключения (Storage Time) ts — время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при выключении.
  16. Время включения (Rise Time) tr — время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время нарастания тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
  17. Время включения (Fall Time) tf — время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время спада тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
  18. Максимально выводимая тепловая мощность (Total Device Dissipation) PD – максимальное количество энергии, которую можно отвести от транзистора, выполненного в том или ином корпусе.
  19. Тепловое сопротивление кристалл-корпус (Thermal Resistance, Junction to Case) RθJC – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и его корпусом.
  20. Тепловое сопротивление кристалл-воздух (Thermal Resistance, Junction to Case) RθJA – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и воздушной средой при условии свободной конвекции.
  21. Время включения, время выключения, времена задержки включения выключения – описывают динамические свойства транзистора при тех или иных конкретных условиях.
Комплементарность транзисторов

В ряде типовых схемотехнических решений необходимо одновременное использование транзисторов n-p-n и p-n-p структуры имеющих практически идентичные параметры. Такие транзисторы называют комплементарными. Ниже приведена таблица наиболее широко используемых пар комплементарных транзисторов.

Таблица BJT.1 — Некоторые комплементарные пары биполярных транзисторов

n-p-n p-n-p
КТ3102 КТ3107
2N3904 2N3906
BC237 (238,239) BC307 (308,309)
2N4401 2N4403
2N2222A 2N2907 (* почти)
2N6016 2N6015
2N6014 2N6013
BC556
(557, 558, 559, 560)
BC546
(547,548, 549, 550)

Поиск пар комплементарных транзисторов можно осуществлять на ресурсе [http://www.semicon-data.com/transistor/tc/2n/tc_2n_208.html].

Измерение коэффициента усиления по току

Транзисторы в пределах каждого конкретного типа имеют значительный разброс по коэффициенту усиления тока. В случае необходимости точного измерения коэффициента усиления по току использую тестеры с опцией измерения hFE.

Составной транзистор

Для увеличения коэффициента усиления используется схема включения двух и более биполярных транзисторов. Существует две разновидности схем составных транзисторов: схема Дарлингтона и схема Шиклаи (рисунок BJT.7). Каждая из представленных схем включает управляющий транзистор и силовой, через который протекает основная доля тока нагрузки.

Рисунок BJT.7 — Составные транзисторы Дарлингтона и Шиклаи

В схемы может быть введен дополнительный резистор для изменения рабочих характеристик составного транзистора и улучшения динамических свойств схемы.

Функционально в схеме Дарлингтона резистор обеспечивает протекание постоянного тока через эмиттер управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового транзистора слабо зависит от тока базы.

Ниже представлены расчеты коэффициента передачи тока составного транзистора для схем Дарлингтона и Шиклаи.

Расчет схемы Дарлингтона

  1. Выбираем ток коллектора силового транзистора IC2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип;
  2. Определяем по справочному листу коэффициент передачи тока hFE2 выбранного силового транзистора в соответствии с выбранным током коллектора;
  3. В соответствии с током коллектора IC2 и коэффициентом передачи тока силового транзистора hFE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора IB2: Формула
  4. В соответствии с рабочим током базы силового транзистора IB2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер VBE2.
  5. Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона IC2/IB1.

Выведем выражение для расчета:

Сопротивление резистора следует из выражения:

Формула

Ток эмиттера первого транзистора:

Формула

Формула

Проводим ряд преобразований:

Формула Формула Формула Формула Формула Формула Формула

hFE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;

hFE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;

VBE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;

R – сопротивление резистора;

IC2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);

IB1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).

Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:

Формула

Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора фактически равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.

Расчет схемы Шиклаи

  1. Выбираем ток коллектора силового транзистора IC2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип.
  2. В соответствии с током коллектора IC2 и коэффициентом передачи тока выбранного силового транзистора hFE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора IB2: Формула
  3. В соответствии с рабочим током базы силового транзистора IB2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер VBE2.
  4. Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона IC2/IB1.

Выведем выражение для расчета:

Сопротивление резистора следует из выражения:

Формула

Ток коллектора первого транзистора:

Формула

Формула Формула Формула Формула Формула Формула

hFE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;

hFE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;

VBE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;

R – сопротивление резистора;

IC2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);

IB1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).

Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Шиклаи. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:

Формула

Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.

Функционально в схеме Шиклаи резистор обеспечивает протекание постоянного тока через коллектор управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового p-n-p транзистора слабо зависит от тока базы.

Биполярные транзисторы: принцип работы, характеристики и параметры

Биполярные транзисторы – электронные полупроводниковые приборы, отличающиеся от полевых способом переноса заряда. В полевых (однополярных) транзисторах, используемых в основном в цифровых устройствах, заряд переносится или дырками, или электронами. В биполярных же в процессе участвуют и электроны, и дырки. Биполярные транзисторы, как и другие типы транзисторов, в основном используются в качестве усилителей сигнала. Применяются в аналоговых устройствах.

Особенности устройства биполярного транзистора

Биполярный транзистор включает в себя три области:

  • эмиттер;
  • базу – очень тонкую, которая изготавливается из слаболегированного полупроводника, сопротивление этой области высокое;
  • коллектор – его область больше по размерам, чем область эмиттера.

К каждой области припаяны металлоконтакты, служащие для подсоединения прибора в электроцепь.

Электропроводность коллектора и эмиттера одинакова и противоположна электропроводности базы. В соответствии с видом проводимости областей, различают p-n-p или n-p-n приборы. Устройства являются несимметричными из-за разницы в площади контакта – между эмиттером и базой она значительно ниже, чем между базой и коллектором. Поэтому К и Э поменять местами путем смены полярности невозможно.

Принцип работы биполярного транзистора

Этот тип транзистора имеет два перехода:

  • электронно-дырочный между эмиттером и базой – эмиттерный;
  • между коллектором и базой – коллекторный.

Дистанция между переходами маленькая. Для высокочастотных деталей она составляет менее 10 мкм, для низкочастотных – до 50 мкм. Для активации прибора на него подают напряжение от стороннего ИП. Принцип действия биполярных транзисторов с p-n-p и n-p-n переходами одинаков. Переходы могут функционировать в прямом и обратном направлениях, что определяется полярностью подаваемого напряжения.

Режимы работы биполярных транзисторов

Режим отсечки

Переходы закрыты, прибор не работает. Этот режим получают при обратном подключении к внешним источникам. Через оба перехода протекают обратные малые коллекторные и эмиттерные токи. Часто считается, что прибор в этом режиме разрывает цепь.

Активный инверсный режим

Является промежуточным. Переход Б-К открыт, а эмиттер-база – закрыт. Ток базы в этом случае значительно меньше токов Э и К. Усиливающие характеристики биполярного транзистора в этом случае отсутствуют. Этот режим востребован мало.

Режим насыщения

Прибор полностью открыт. Оба перехода подключаются к источникам тока в прямом направлении. При этом снижается потенциальный барьер, ограничивающий проникновение носителей заряда. Через эмиттер и коллектор начинают проходить токи, которые называют «токами насыщения».

Схемы включения биполярных транзисторов

В зависимости от контакта, на который подается источник питания, различают 3 схемы включения приборов.

С общим эмиттером

Эта схема включения биполярных транзисторов обеспечивает наибольшее увеличение вольтамперных характеристик (ВАХ), поэтому является самой востребованной. Минус такого варианта – ухудшение усилительных свойств прибора при повышении частоты и температуры. Это означает, что для высокочастотных транзисторов рекомендуется подобрать другую схему.

С общей базой

Применяется для работы на высоких частотах. Уровень шумов снижен, усиление не очень велико. Каскады приборов, собранные по такой схеме, востребованы в антенных усилителях. Недостаток варианта – необходимость в двух источниках питания.

С общим коллектором

Для такого варианта характерна передача входного сигнала обратно на вход, что существенно уменьшает его уровень. Коэффициент усиления по току – высокий, по напряжению – небольшой, что является минусом этого способа. Схема приемлема для каскадов приборов в случаях, если источник входного сигнала обладает высоким входным сопротивлением.

Схема включения биполярных транзисторов

Какие параметры учитывают при выборе биполярного транзистора?

  • Материал, из которого он изготовлен, – арсенид галлия или кремний.
  • Частоту. Она может быть – сверхвысокая (более 300 МГц), высокая (30-300 МГц), средняя – (3-30 МГц), низкая (менее 3 МГц).
  • Максимальную рассеиваемую мощность.

Была ли статья полезна?

Другие материалы по теме

Назначение и области применения транзисторов

Как определить выводы транзистора

Как работает транзистор: принцип и устройство

Комментарии

Оптовая продажа электронных компонентов и радиодеталей с доставкой по всей России

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *