Биполярный транзистор

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.

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

Источник: http://popayaem.ru/bipolyarnyj-tranzistor-princip-raboty-dlya-chajnikov.html

Биполярные транзисторы. For dummies

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

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

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru) Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs.

И это была, без преувеличения, революция в электронике. Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры.

И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

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

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

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

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

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой.

Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам. Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему? Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК).

В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу.

Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его.

Обратите внимание

Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно.

Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

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

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор. Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21.

Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току.

Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора.

Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений.

Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц.

Важно

Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается.

Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е.

транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

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

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

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

  1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт.

    Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.

  2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями.

    Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.

  3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е.

    ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.

  4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением.

    Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников.

И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки.

Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно.

А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора.

Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора.

Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления.

Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

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

Схема включения с общим коллектором

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

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала.

Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц. В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода. Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов. Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам.

Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.

Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется.

Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы.

Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

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

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей.

Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала.

Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл .xls (35 кб) .

Список источников:

http://ru.wikipedia.org
http://www.physics.ru
http://radiocon-net.narod.ru
http://radio.cybernet.name
http://dvo.sut.ru

Полезные комментарии:

Источник: https://habr.com/post/133136/

Биполярный транзистор

Биполярный
транзистор.

Биполярный
транзистор
 –
электронный полупроводниковый прибор,
один из типов транзисторов, предназначенный
для усиления, генерирования и преобразования
электрических сигналов.

Транзистор
называется биполярный,
поскольку в работе прибора одновременно
участвуют два типа носителей заряда
– электроны и дырки.

Этим он отличается от униполярного(полевого)
транзистора, в работе которого участвует
только один тип носителей заряда.

Принцип
работы обоих типов транзисторов похож
на работу водяного крана, который
регулирует водяной поток, только через
транзистор проходит поток электронов.

У биполярных транзисторов через прибор
проходят два тока – основной “большой”
ток, и управляющий “маленький” ток.
Мощность основного тока зависит от
мощности управляющего.

У полевых
транзисторов через прибор проходит
только один ток, мощность которого
зависит от электромагнитного поля. В
данной статье рассмотрим подробнее
работу биполярного транзистора.

Устройство
биполярного транзистора.

Биполярный
транзистор состоит из трех слоев
полупроводника и двух PN-переходов.
Различают PNP и NPN транзисторы по типу
чередования дырочной
и электронной проводимостей.
Это похоже на два диода,
соединенных лицом к лицу или наоборот.

У
биполярного транзистора три контакта
(электрода). Контакт, выходящий из
центрального слоя, называется база
(base).
 Крайние
электроды носят
названия коллектор и эмиттер (collector иemitter).

Совет

Прослойка базы очень тонкая относительно
коллектора и эмиттера. В дополнение к
этому, области полупроводников по краям
транзистора несимметричны. Слой
полупроводника со стороны коллектора
немного толще, чем со стороны эмиттера.

Это необходимо для правильной работы
транзистора.

Работа
биполярного транзистора.

Рассмотрим
физические процессы, происходящие во
время работы биполярного транзистора.
Для примера возьмем модель NPN. Принцип
работы транзистора PNP аналогичен, только
полярность напряжения между коллектором
и эмиттером будет противоположной.

Как
уже говорилось в статье
о типах проводимости в полупроводниках,
в веществе P-типа находятся положительно
заряженные ионы – дырки. Вещество N-типа
насыщено отрицательно заряженными
электронами. В транзисторе концентрация
электронов в области N значительно
превышает концентрацию дырок в области
P.

Подключим
источник напряжения между коллектором
и эмиттером VКЭ (VCE).
Под его действием, электроны из верхней
N части начнут притягиваться к плюсу и
собираться возле коллектора. Однако
ток не сможет идти, потому что электрическое
поле источника напряжения не достигает
эмиттера. Этому мешает толстая прослойка
полупроводника коллектора плюс прослойка
полупроводника базы.

Теперь
подключим напряжение между базой и
эмиттером VBE,
но значительно ниже чем VCE (для
кремниевых транзисторов минимальное
необходимое VBE –
0.6V).

Поскольку прослойка P очень тонкая,
плюс источника напряжения подключенного
к базе, сможет “дотянуться” своим
электрическим полем до N области эмиттера.
Под его действием электроны направятся
к базе. Часть из них начнет заполнять
находящиеся там дырки (рекомбинировать).

Другая часть не найдет себе свободную
дырку, потому что концентрация дырок в
базе гораздо ниже концентрации электронов
в эмиттере.

В
результате центральный слой базы
обогащается свободными электронами.
Большинство из них направится в сторону
коллектора, поскольку там напряжение
намного выше. Так же этому способствует
очень маленькая толщина центрального
слоя. Какая-то часть электронов, хоть
гораздо меньшая, все равно потечет в
сторону плюса базы.

В
итоге мы получаем два тока: маленький
– от базы к эмиттеру IBE,
и большой – от коллектора к эмиттеру
ICE.

Если
увеличить напряжение на базе, то в
прослойке P собереться еще больше
электронов. В результате немного усилится
ток базы, и значительно усилится ток
коллектора.

Обратите внимание

Таким образом,при
небольшом изменении тока базы I
B,
сильно меняеться ток коллектора I
С.
Так и происходитусиление
сигнала в биполярном транзисторе
.
Cоотношение тока коллектора IС к
току базы IBназывается
коэффициентом усиления по току.

Обозначается βhfe или h21e,
в зависимости от специфики расчетов,
проводимых с транзистором.

β
= IC /
IB

Простейший
усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим
детальнее принцип усиления сигнала в
электрической плоскости на примере
схемы. Заранее оговорюсь, что такая
схема не совсем правильная.

Никто не
подключает источник постоянного
напряжения напрямую к источнику
переменного. Но в данном случае, так
будет проще и нагляднее для понимания
самого механизма усиления с помощью
биполярного транзистора.

Так же, сама
техника расчетов в приведенном ниже
примере носит несколько упрощенный
характер.

1.Описание
основных элементов цепи

Итак,
допустим в нашем распоряжении транзистор
с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со
стороны коллектора подключим относительно
мощный источник питания в 20V, за счет
энергии которого будет происходить
усиление. Со стороны базы транзистора
подсоединим слабый источник питания в
2V.

К нему последовательно подсоединим
источник переменного напряжения в форме
синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это
будет сигнал, который нужно усилить.
Резистор Rb возле базы необходим для
того, чтобы ограничить ток, идущий от
источника сигнала, обычно обладающего
слабой мощностью.

2.
Расчет входного тока базы I
b

Теперь
посчитаем ток базы Ib.
Поскольку мы имеем дело с переменным
напряжением, нужно посчитать два значения
тока – при максимальном напряжении
(Vmax)
и минимальном (Vmin).
Назовем эти значения тока соответственно
– Ibmax и
Ibmin.

Также,
для того чтобы посчитать ток базы,
необходимо знать напряжение база-эмиттер
VBE.
Между базой и эмиттером располагается
один PN-переход. Получается, что ток базы
«встречает» на своем пути полупроводниковый
диод. Напряжение, при котором
полупроводниковый диод начинает
проводить – около 0.6V.

Не будем вдаваться
в подробности вольт-амперных
характеристик диода,
и для простоты расчетов возьмем
приближенную модель, согласно которой
напряжение на проводящем ток диоде
всегда 0.6V. Значит, напряжение между
базой и эмиттером VBE =
0.6V.

А поскольку эмиттер подключен к
земле (VE =
0), то напряжение от базы до земли тоже
0.6V (VB =
0.6V).

Посчитаем
Ibmax и
Ibmin с
помощью закона Ома:

2.
Расчет выходного тока коллектора I
С

Важно

Теперь,
зная коэффициент усиления (β = 200), можно
с легкостью посчитать максимальное и
минимальное значения тока коллектора
( Icmax и
Icmin).

3.
Расчет выходного напряжения V
out

Осталось
посчитать напряжение на выходе нашего
усилителя Vout.
В данной цепи – это напряжение на
коллекторе VC.

Через
резистор Rc течет ток коллектора, который
мы уже посчитали. Осталось подставить
значения:

4.
Анализ результатов

Как
видно из результатов, VCmax получился
меньше чем VCmin.
Это произошло из-за того, что напряжение
на резисторе VRc отнимается
от напряжения питания VCC.

Однако в
большинстве случаев это не имеет
значения, поскольку нас интересует
переменная составляющая сигнала –
амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до
1V. Частота и синусоидальная форма сигнала
не изменились.

Конечно же, соотношение
Vout/Vin в
десять раз – далеко на самый лучший
показатель для усилителя, однако для
иллюстрации процесса усиления вполне
подойдет.

Итак,
подытожим принцип работы усилителя на
биполярном транзисторе. Через базу
течет ток Ib,
несущий в себе постоянную и переменную
составляющие. Постоянная составляющая
нужна для того чтобы PN-переход между
базой и эмиттером начал проводить –
«открылся».

Переменная составляющая –
это, собственно, сам сигнал (полезная
информация). Сила тока коллектор-эмиттер
внутри транзистора – это результат
умножения тока базы на коэффициент
усиления β.

Совет

В свою очередь, напряжение
на резисторе Rc над коллектором –
результат умножения усиленного тока
коллектора на значение резистора.

Таким
образом, на вывод Vout поступает
сигнал с увеличенной амплитудой
колебаний, но с сохранившейся формой и
частотой. Важно подчеркнуть, что энергию
для усиления транзистор берет у источника
питания VCC. Если напряжения питания
будет недостаточно, транзистор не сможет
полноценно работать, и выходной сигнал
может получится с искажениями.

Режимы
работы биполярного транзистора

В
соответствии уровням напряжения на
электродах транзистора, различают
четыре режима его работы:

  • Режим отсечки (cut off mode).
  • Активный режим (active mode).
  • Режим насыщения (saturation mode).
  • Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим
отсечки

Когда
напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V –
0.7V, PN-переход между базой и эмиттером
закрыт. В таком состоянии у транзистора
отсутствует ток базы. В результате тока
коллектора тоже не будет, поскольку в
базе нет свободных электронов, готовых
двигаться в сторону напряжения на
коллекторе. Получается, что транзистор
как бы заперт, и говорят, что он находится
в режиме
отсечки
.

Активный
режим

В активном
режиме
 напряжение
на базе достаточное, для того чтобы
PN-переход между базой и эмиттером
открылся. В этом состоянии у транзистора
присутствуют токи базы и коллектора.
Ток коллектора равняется току базы,
умноженном на коэффициент усиления.
Т.е активным режимом называют нормальный
рабочий режим транзистора, который
используют для усиления.

Режим
насыщения

Иногда
ток базы может оказаться слишком большим.
В результате мощности питания просто
не хватит для обеспечения такой величины
тока коллектора, которая бы соответствовала
коэффициенту усиления транзистора.

В
режиме насыщения ток коллектора будет
максимальным, который может обеспечить
источник питания, и не будет зависеть
от тока базы.

В таком состоянии транзистор
не способен усиливать сигнал, поскольку
ток коллектора не реагирует на изменения
тока базы.

В
режиме насыщения проводимость транзистора
максимальна, и он больше подходит для
функции переключателя (ключа) в состоянии
«включен». Аналогично, в режиме отсечки
проводимость транзистора минимальна,
и это соответствует переключателю в
состоянии «выключен».

Инверсный
режим

В
данном режиме коллектор и эмиттер
меняются ролями: коллекторный PN-переход
смещен в прямом направлении, а эмиттерный
– в обратном. В результате ток из базы
течет в коллектор.

Область полупроводника
коллектора несимметрична эмиттеру, и
коэффициент усиления в инверсном режиме
получается ниже, чем в нормальном
активном режиме.

Обратите внимание

Конструкция транзистора
выполнена таким образом, чтобы он
максимально эффективно работал в
активном режиме. Поэтому в инверсном
режиме транзистор практически не
используют.

Основные
параметры биполярного транзистора.

Коэффициент
усиления по току
 –
соотношение тока коллектора IС к
току базы IB.
Обозначаетсяβhfe или h21e,
в зависимости от специфики расчетов,
проводимых с транзисторов.

β
– величина постоянная для одного
транзистора, и зависит от физического
строения прибора. Высокий коэффициент
усиления исчисляется в сотнях единиц,
низкий – в десятках.

Для двух отдельных
транзисторов одного типа, даже если во
время производства они были “соседями
по конвейеру”, β может немного отличаться.
Эта характеристика биполярного
транзистора является, пожалуй, самой
важной.

Если другими параметрами прибора
довольно часто можно пренебречь в
расчетах, то коэффициентом усиления по
току практически невозможно.

Входное
сопротивление
 –
сопротивление в транзисторе, которое
«встречает» ток базы. Обозначается Rin (Rвх).

Чем оно больше – тем лучше для усилительных
характеристик прибора, поскольку со
стороны базы обычно находиться источник
слабого сигнала, у которого нужно
потреблять как можно меньше тока.

Идеальный вариант – это когда входное
сопротивление равняется бесконечность.

Rвх для
среднестатистического биполярного
транзистора составляет несколько сотен
КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор
очень сильно проигрывает полевому
транзистору, где входное сопротивление
доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная
проводимость
 –
проводимость транзистора между
коллектором и эмиттером. Чем больше
выходная проводимость, тем больше тока
коллектор-эмиттер сможет проходить
через транзистор при меньшей мощности.

Также
с увеличением выходной проводимости
(или уменьшением выходного сопротивления)
увеличивается максимальная нагрузка,
которую может выдержать усилитель при
незначительных потерях общего коэффициента
усиления.

Например, если транзистор с
низкой выходной проводимостью усиливает
сигнал в 100 раз без нагрузки, то при
подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже
будет усиливать всего в 50 раз. У
транзистора, с таким же коэффициентом
усиления, но с большей выходной
проводимостью, падение усиления будет
меньше.

Идеальный вариант – это когда
выходная проводимость равняется
бесконечность (или выходное сопротивление
Rout =
0 (Rвых =
0)).

Частотная
характеристика
 –
зависимость коэффициента усиления
транзистора от частоты входящего
сигнала. С повышением частоты, способность
транзистора усиливать сигнал постепенно
падает. Причиной тому являются паразитные
емкости, образовавшиеся в PN-переходах.

Важно

На изменения входного сигнала в базе
транзистор реагирует не мгновенно, а с
определенным замедлением, обусловленным
затратой времени на наполнение зарядом
этих емкостей.

Поэтому, при очень высоких
частотах, транзистор просто не успевает
среагировать и полностью усилить сигнал.

Источник: https://StudFiles.net/preview/2806732/

Биполярные транзисторы.Виды и характеристики.Работа и устройство

Биполярные транзисторы это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подключенными к трем последовательно находящимся слоям, с различной проводимости. В отличие от других транзисторов, которые переносят один тип заряда, он способен переносить сразу два типа.

Схемы подключения, использующие биполярные транзисторы, зависят от производимой работы и типа проводимости. Проводимость может быть электронной, дырочной.

Разновидности биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы разделяют по различным признакам на виды по:

  • Материалу изготовления: кремний или арсенид галлия.
  • Величине частоты: до 3 МГц – низкая, до 30 МГц – средняя, до 300 МГц – высокая, более 300 МГц – сверхвысокая.

  • Наибольшей рассеиваемой мощности: 0-0,3 Вт, 0,3-3 Вт, свыше 3 Вт.
  • Типу прибора: 3 слоя полупроводника с последовательной очередностью типа проводимости.

Устройство и работа

Слои транзистора, как внутренний, так и наружный, объединены с встроенными электродами, которые имеют свои названия в виде базы, эмиттера и коллектора.

Особых отличий по видам проводимости у коллектора и эмиттера не наблюдается, однако процент включения примесей у коллектора намного меньше, что позволяет повысить допустимое напряжение на выходе.

Средний слой полупроводника (база) имеет большую величину сопротивления, так как выполнена из слаболегированного материала. Она контактирует с коллектором на значительной площади.

Это позволяет повысить теплоотвод, который необходим вследствие выделения тепла от смещения перехода в другую сторону.

Хороший контакт базы с коллектором дает возможность легко проходить электронам, которые являются неосновными носителями.

Слои перехода выполнены по одному принципу. Однако биполярные транзисторы считаются несимметричными приборами. При чередовании крайних слоев местами с одной проводимостью нельзя образовать подобные параметры полупроводника

Схемы подключения транзисторов выполнены таким образом, что могут обеспечить ему как закрытое, так и открытое состояние. При активной работе, когда полупроводник открыт, смещение эмиттера выполнено в прямом направлении. Для полного понимания этой конструкции, нужно подключить напряжение питания по изображенной схеме.

При этом граница на 2-м переходе коллектора закрыта, ток через нее не идет. Практически возникает обратное явление ввиду рядом расположенных переходов, их влияния друг на друга.

Так как к эмиттеру подсоединен минусовой полюс батареи, то переход открытого вида дает возможность электронам проходить на базу, в которой осуществляется их рекомбинация с дырками, являющимися главными носителями. Появляется ток базы Iб.

Совет

Чем выше базовый ток, тем больше выходной ток. В этом заключается принцип действия усилителей.

По базе протекает только диффузионное движение электронов, так как нет работы электрического поля.

Из-за малой толщины этого слоя и значительном градиенте частиц, практически все они поступают на коллектор, хотя база имеет большое сопротивление. На переходе имеется электрическое поле, которое способствует переносу и втягивает их.

Токи эмиттера и коллектора одинаковые, если не считать малой потери заряда от перераспределения на базе: I э = I б + I к.

Характеристики

  • Коэффициент усиления тока β = Iк / Iб.
  • Коэффициент усиления напряжения Uэк / Uбэ.
  • Сопротивление на входе.
  • Характеристика частоты – возможность работы транзистора до определенной частоты, при выходе за границы которой процессы перехода опаздывают за изменением сигнала.

Режимы работ и схемы

Вид схемы влияет на режим действия биполярного транзистора. Сигнал может сниматься и отдаваться в двух местах для разных случаев, а электродов имеется три штуки. Следовательно, что один произвольный электрод должен быть сразу выходом и входом. По такому принципу подключаются все биполярные транзисторы, и имеют три вида схем, которые мы рассмотрим ниже.

Схема с общим коллектором

Сигнал проходит на сопротивление RL, которое также включено в цепь коллектора.

Такая схема подключения дает возможность создать всего лишь усилитель по току. Достоинством такого эмиттерного повторителя можно назвать образование значительного сопротивления на входе. Это дает возможность для согласования каскадов усиления.

Схема с общей базой

Сигнал входа проходит через С1, далее снимается в цепи выхода коллектора, где базовый электрод общий. В итоге образуется усиление напряжения по подобию с общим эмиттером.

В схеме можно найти недостаток в виде малого входного сопротивления. Схема с общей базой используется чаще всего в качестве генератора колебаний.

Схема с общим эмиттером

Чаще всего при использовании биполярных транзисторов выполняют схему с общим эмиттером. Напряжение проходит по сопротивлению нагрузки RL, к эмиттеру питание подключается отрицательным полюсом.

Сигнал переменного значения приходит на базу и эмиттер. В цепи коллектора он становится по значению больше. Главными элементами схемы являются резистор, транзистор и выходная цепь усилителя с источником питания. Дополнительными элементами стали: емкость С1, которая не дает пройти току на вход, сопротивление R1, благодаря которому открывается транзистор.

В цепи коллектора напряжение транзистора и сопротивления равны значению ЭДС: E= Ik Rk+Vke.

Отсюда следует, что малым сигналом Ec определяется правило изменения разности потенциалов в переменное выходное транзисторного преобразователя. Такая схема дает возможность увеличению тока входа во много раз, так же, как напряжению и мощности.

Из недостатков такой схемы можно назвать малое сопротивление на входе (до 1 кОм). Как следствие, возникают проблемы в образовании каскадов. Сопротивление выхода равно от 2 до 20 кОм.

Рассмотренные схемы показывают действие биполярного транзистора. На его работу влияет частота сигнала и перегрев. Для решения этого вопроса применяют дополнительные отдельные меры. Эмиттерное заземление образует на выходе искажения. Для создания надежности схемы, выполняют подключение фильтров, обратных связей и т.д. После таких мер, схема работает лучше, но уменьшается усиление.

Режимы работы

На быстродействие транзистора оказывает влияние величина подключаемого напряжения. Рассмотрим разные режимы работы на примере схемы, в которой биполярные транзисторы подключаются с общим эмиттером.

Отсечка

Этот режим образуется при снижении напряжения VБЭ до 0,7 вольта. В таком случае переход эмиттера закрывается, и ток на коллекторе отсутствует, так как в базе отсутствуют электроны, и транзистор остается закрытым.

Активный режим

При подаче напряжения, достаточного для открытия транзистора, на базу, возникает малый ток входа и большой выходной ток. Это зависит от размера коэффициента усиления. В этом случае транзистор работает усилителем.

Режим насыщения

Эта работа имеет свои отличия от активного режима. Полупроводник открывается до конца, коллекторный ток достигает наибольшего значения. Его повышения можно добиться только путем изменения нагрузки, либо ЭДС выходной схемы.

При корректировке тока базы ток коллектора не изменяется. Режим насыщения имеет особенности в том, что транзистор открыт полностью и работает переключателем.

Если объединить режимы насыщения и отсечки биполярных транзисторов, то можно создать ключи.

Свойства характеристик выхода влияют на режимы. Это изображено на графике.

Обратите внимание

При отложении на осях координат отрезков, соответствующих наибольшему току коллектора и размеру напряжения, и далее, объединения концов друг с другом, образуется красная линия нагрузки. По графику видно: точка тока и напряжения сместится по линии нагрузки вверх при повышении базового тока.

Участок между заштрихованной характеристикой выхода и осью Vke является работа отсечки. В этом случае транзистор закрыт, а обратная величина тока мала. Характеристика в точке А вверху пересекается с нагрузкой, после которой при последующем повышении IВ ток коллектора уже не меняется. На графике участком насыщения является закрашенная часть между осью Ik и наиболее крутым графиком.

Биполярные транзисторы в различных режимах

Транзистор взаимодействует с сигналами разных видов во входной цепи. В основном транзистор применяется в усилителях. Входной переменный сигнал изменяет ток на выходе. В этом случае используются схемы с общим эмиттером или коллектором. В цепи выхода для сигнала необходима нагрузка.

Чаще всего для этого применяют сопротивление, установленное в цепи выхода коллектора. При его правильном выборе, значение напряжения на выходе будет намного больше, чем на входе.

Во время преобразования сигнала импульсов режим сохраняется таким же, как для синусоидальных сигналов. Качество изменения гармоник определяется характеристиками частоты полупроводников.

Режим переключения

Транзисторные ключи служат для бесконтактных переключений в электрических цепях. Эта работа заключается в прерывистой регулировке величины сопротивления полупроводника. Биполярные транзисторы наиболее применимы в устройствах переключения.

Полупроводники применяются в схемах изменения сигналов. Их универсальная работа и широкая классификация дает возможность использовать транзисторы в различных цепях, которые определяют их возможности работы. Основными применяемыми схемами являются усиливающие, а также переключающие цепи.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/bipoliarnye-tranzistory/

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector