Вы находитесь здесь: Главная > Транзисторы > Биполярные транзисторы for dummies хабрахабр

Биполярные транзисторы for dummies хабрахабр

Биполярные транзисторы for dummies хабрахабрВступление

Так как тема транзисторов очень и очень пространна, то посвященных им статей будет две: раздельно о биполярных и раздельно о полевых транзисторах.

Биполярные транзисторы for dummies хабрахабрТранзистор, как и диодик, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов тут либо тут.

Нужные пояснения даны, перебегаем к сущности.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электрический полупроводниковый прибор, в каком ток в цепи 2-ух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors. ru)

Первыми были придуманы полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень стремительно транзисторы поменяли вакуумные лампы в разных электрических устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И до настоящего времени, как бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит внутри себя огромное количество транзисторов (также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень малеханьких.

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

Биполярные транзисторы for dummies хабрахабрВ чем все-таки отличие меж полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их заглавиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — два раза). А в полевом (он же униполярный) — либо электроны, либо дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям внедрения. Биполярные употребляются в главном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, в итоге: основная область внедрения всех транзисторов — усиление слабенького сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Механизм работы. Главные свойства

Биполярный транзистор состоит из 3-х областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. Зависимо от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора обширнее, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет огромное сопротивление) и делают очень узкой. Так как площадь контакта эмиттер-база выходит существенно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами при помощи смены полярности подключения нельзя. Таким макаром, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Биполярные транзисторы for dummies хабрахабрДо этого, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачку.

Она заключаются в последующем: меж эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а меж эмиттером и базой — слабенький управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет изменяться зависимо от конфигурации тока базы. Почему?

Разглядим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора 1-ый из их подключается с прямым, а 2-ой — с оборотным смещениями. Что все-таки при всем этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» необходимо поменять на «дырки».

Биполярные транзисторы for dummies хабрахабрТак как переход ЭБ открыт, то электроны просто «перебегают» в базу. Там они отчасти рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабенькой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с оборотным смещением. А так как в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким макаром, ток коллетора выходит только малость меньше тока эмиттера. А сейчас смотрите за руками. Если прирастить ток базы, то переход ЭБ раскроется посильнее, и меж эмиттером и коллектором сумеет перескочить больше электронов. А так как ток коллектора вначале больше тока базы, то это изменение будет очень и очень приметно. Таким макаром, произойдет усиление слабенького сигнала, поступившего на базу. Снова: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабенького конфигурации тока базы.

Помню, моей одногрупнице механизм работы биполярного транзистора разъясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, как мы поворачиваем ручку. Довольно маленького усилия (управляющего воздействия), чтоб поток воды из крана возрос.

Кроме рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. К примеру, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вместе с туннельным эффектом это даст поначалу электронный, а потом (с возрастанием тока) и термический пробой. Но, термический пробой в транзисторе может наступить и без электронного (т. е. без увеличения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет довольно 1-го лишнего тока через коллектор.

Очередное явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах изменяется их толщина. И если база черезчур узкая, то может появиться эффект смыкания (так именуемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При всем этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в обычном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число именуется коэффициентом усиления по току и является одним из главных характеристик транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор врубается без нагрузки на коллектор, то при неизменном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может приравниваться десяткам либо соткам единиц, но стоит учесть тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно миниатюризируется.

Вторым важным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения меж базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

3-ий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных либо действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Так как 1-ая величина обычно очень большая (единицы и 10-ки вольт), а 2-ая — очень малая (десятые толики вольт), то этот коэффициент может достигать 10-ов тыщ единиц. Необходимо отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет собственный коэффициент усиления по напряжению.

Биполярные транзисторы for dummies хабрахабрТакже транзисторы имеют частотную характеристику, которая охарактеризовывает способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с повышением частоты входного сигнала коэффициент усиления понижается. Это происходит из-за того, что время протекания главных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом конфигурации входного сигнала. Т. е. транзистор просто не успевает реагировать на конфигурации входного сигнала и в некий момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и именуется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

оборотный ток коллектор-эмиттер

Биполярные транзисторы for dummies хабрахабрвремя включения

оборотный ток колектора

очень допустимый ток

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

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой обычный активный режим работы транзистора. Но, еще есть несколько композиций открытости/закрытости p-n переходов, любая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

Биполярные транзисторы for dummies хабрахабрИнверсный активный режим. Тут открыт переход БК, а ЭБ напротив закрыт. Усилительные характеристики в этом режиме, естественно, ужаснее некуда, потому транзисторы в этом режиме употребляются очень изредка.

Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, главные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где интенсивно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов миниатюризируется. Потому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.

Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т. е. ток главных носителей заряда меж эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда делают только малые и неуправляемые термические токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление очень растет. Потому нередко считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.

Барьерный режим В этом режиме база впрямую либо через маленькое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную либо эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким макаром выходит эквивалент схемы диодика с поочередно включенным сопротивлением. Этот режим очень нужный, потому что позволяет схеме работать фактически на хоть какой частоте, в большенном спектре температур и нетребователен к характеристикам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Так как контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него необходимо подавать от 2-ух источников, у каких совместно выходит четыре вывода. Потому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение схожего знака от обоих источников. И зависимо от того, что же это все-таки за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из их есть как плюсы, так и недочеты. Выбор меж ними делается зависимо от того, какие характеристики 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 10-ов тыщ единиц), в связи с чем является более всераспространенной. Тут переход эмиттер-база врубается прямо, а переход база-коллектор — назад. А так как и на базу, и на коллектор подается напряжение 1-го знака, то схему можно запитать от 1-го источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения изменяется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и значимый недочет. Он состоит в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных параметров транзистора. Таким макаром, если транзистор должен работать на больших частотах, то лучше использовать другую схему включения. К примеру, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значимого усиления сигнала, зато хороша на больших частотах, так как позволяет более много использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить поначалу по схеме с общим эмиттером, а позже с общей базой, то во 2-м случае будет наблюдаться существенное повышение его граничной частоты усиления. Так как при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень огромное, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов используют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превосходит 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на больших частотах понижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда малость меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению тут таковой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недочетам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования 2-ух источников питания.

Биполярные транзисторы for dummies хабрахабрСхема включения с общим коллектором

Биполярные транзисторы for dummies хабрахабрОсобенность этой схемы в том, что входное напряжение стопроцентно передается назад на вход, т. е. очень сильна отрицательная оборотная связь.

Напомню, что отрицательной именуют такую оборотную связь, при которой выходной сигнал подается назад на вход, чем понижает уровень входного сигнала. Таким макаром происходит автоматическая корректировка при случайном изменении характеристик входного сигнала

Коэффициент усиления по току практически таковой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению небольшой (основной недочет этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким макаром, коэффициент усиления по мощности выходит равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг меж входным и выходным напряжением отсутствует. Так как коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Вот поэтому такая схема именуется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — поэтому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение употребляют для согласования транзисторных каскадов либо когда источник входного сигнала имеет высочайшее входное сопротивление (к примеру, пьезоэлектрический звукосниматель либо конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что необходимо прирастить выходную мощность (т. е. прирастить коллекторный ток). В данном случае употребляют параллельное включение нужного числа транзисторов.

Естественно, они должны быть приблизительно схожими по чертам. Но нужно держать в голове, что наибольший суммарный коллекторный ток не должен превосходить 1,6-1,7 от предельного тока коллектора хоть какого из транзисторов каскада.

Все же (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Так как два транзистора даже 1-го типономинала хоть малость, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через их будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтоб падение напряжения на их в интервале рабочих токов было более 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также появиться необходимость в транзисторе с неплохой чувствительностью и при всем этом с неплохим коэффициентом усиления. В таких случаях употребляют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более массивного собрата (на рисунке — VT2).

Биполярные транзисторы for dummies хабрахабрДругие области внедрения биполярных транзисторов

Транзисторы можно использовать не только лишь схемах усиления сигнала. К примеру, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их употребляют в качестве электрических ключей. Также может быть внедрение транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в главном режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал случайной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Так как статья уже разрослась до неблагопристойно огромного объема, то в этом пт я просто дам две отличные ссылки, по которым тщательно расписаны главные системы маркировки полупроводниковых устройств (в том числе и транзисторов): http://kazus. ru/guide/transistors/mark_all. html и файл. xls (35 кб) .

Перечень источников:

http://ru. wikipedia. org

http://www. physics. ru

http://radiocon-net. narod. ru

http://radio. cybernet. name

http://dvo. sut. ru

Полезные комменты:

http://habrahabr. ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

  • Digg
  • Del.icio.us
  • StumbleUpon
  • Reddit
  • Twitter
  • RSS

Оставить комментарий

Подтвердите, что Вы не бот — выберите самый большой кружок: