Основы электроники для чайников: что такое транзистор и как он работает

Транзисторные пары в усилительных каскадах

Вы можете задаться вопросом, что за причина использовать PNP-транзисторы, когда есть много доступных NPN-транзисторов, которые могут быть использованы в качестве усилителей или твердотельных коммутаторов? Однако наличие двух различных типов транзисторов — NPN и PNP — дает большие преимущества при проектировании схем усилителей мощности. Такие усилители используют «комплементарные», или «согласованные” пары транзисторов (представляющие собой один PNP-транзистор и один NPN, соединенные вместе, как показано на рис. ниже) в выходном каскаде.

Два соответствующих NPN и PNP-транзистора с близкими характеристиками, идентичными друг другу, называются комплементарными. Например, TIP3055 (NPN-тип) и TIP2955 (PNP-тип) являются хорошим примером комплементарных кремниевых силовых транзисторов. Они оба имеют коэффициент усиления постоянного тока β=I_C/I_B согласованный в пределах 10% и большой ток коллектора около 15А, что делает их идеальными для устройств управления двигателями или роботизированных приложений.

Кроме того, усилители класса B используют согласованные пары транзисторов и в своих выходной мощных каскадах. В них NPN-транзистор проводит только положительную полуволну сигнала, а PNP-транзистор – только его отрицательную половину.

Это позволяет усилителю проводить требуемую мощность через громкоговоритель в обоих направлениях при заданной номинальной мощности и импедансе. В результате выходной ток, который обычно бывает порядка нескольких ампер, равномерно распределяется между двумя комплементарными транзисторами.

Транзисторы

Транзисторы подразделяются на биполярные и полевые. Каждый из этих типов имеет свой принцип работы и конструктивное исполнение, однако, общим для них является наличие полупроводниковых p-n структур.

Условные графические обозначения (УГО) транзисторов приведены в таблице:

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.

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».

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.

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.

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

Устройство биполярного транзистора

Согласно типовых схем, буквой «Б» называется «База» — внутренний слой аппарата, его фундамент, который приводит преобразование или изменение токового сигнала. Стрелка в кругу показывает движение токовых зарядов в «Э».

«Э» — «Эмиттер» — внутренняя основная составляющая транзистора, предназначенный для переноса заряженных элементарных частиц в «Б».

«К» — «Коллектор» — вторая составляющая транзисторного устройства, которая производит сбор тех же зарядов, которые проходят через «Б».

Пласт «Базы» конструктивно выполняют очень тоненьким в связи с рекомбинированием заряженных частиц, которые идут через базовый слой, с составными частицами данного пласта. В то же время пласт «Коллектора» конструируют как можно шире для качественного сбора зарядов.

Устройство биполярного транзистора

Транзисторы — это довольно сложные устройства. Для лучшего понимания рассмотрим только наиболее простой тип радиоэлектронного компонента, с которыми радиолюбителям приходится сталкиваться чаще всего.

В устройство биполярного транзистора входит монокристалл, разделенный на три зоны, имеющие свой вывод:

Расшифруем все эти определения и более детально погрузимся в мир транзисторов, изготовленных из полупроводника кремния (Si):

Каждый атом кремния образует связи с четырьмя соседними атомами кремния. Кремний имеет 4 электрона в своей валентной оболочке. И каждый электрон становится общим с соседним атомом кремния. Рассмотренная связь называется ковалентной.

Чистый кремний характеризуется низкой электропроводностью. И чтобы кремний смог проводить электричество, электроны должны поглотить некоторое количество энергии и стать свободными электронами.

Легирование кремниевой пластины

Метод легирования применяется для улучшения электропроводности полупроводников. Например вводится пяти валентный фосфор (P) или сурьма (Sb) — один электрон окажется свободным и сможет перемещаться в системе. Данный метод называется легирование донорной примесью или примесью n типа. Если ввести трех валентный бор (B), образуется свободное место (дырка), которое может занять электрон. Соседний электрон может занять дырку в любой момент. Такое движение электронов может быть представлено в виде движения дыр в противоположном направлении. Это называется легированием акцепторной примесью или примесью p типа.

Выполнив легирование кремниевой пластины данными способами получается транзистор, у которого имеются следующие типы проводимости:

• n тип — носителями зарядов являются электроны.
• p тип — носителями зарядов являются положительно заряженные дыры.

Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p:

Разобравшись с легированием кремниевой пластины и определившись с типами проводимости, можно переходить к рассмотрению принципа работы транзистора.

Конструкция и принцип работы

Ранее вместо транзисторов в электрических схемах использовались специальные малошумящие электронные лампы, но они были больших габаритов и работали за счет накаливания. Биполярный транзистор ГОСТ 18604.11-88 – это полупроводниковый электрический прибор, который является управляемым элементом и характеризуется трехслойной структурой, применяется для управления СВЧ. Может находиться в корпусе и без него. Они бывают p-n-p и n–p–n типа. В зависимости от порядка расположения слоев, базой может быть пластина p или n, на которую наплавляется определенный материал. За счет диффузии во время изготовления получается очень тонкий, но прочный слой покрытия.

Фото — мпринципиальные схемы включения

Чтобы определить, какой перед Вами транзистор, нужно найти стрелку эммитерного перехода. Если её направление идет в сторону базы, то структура pnp, если от неё – то npn. Некоторые полярные импортные аналоги (IGBT и прочие) могут иметь буквенное обозначение перехода. Помимо этого бывают еще биполярные комплементарные транзисторы. Это устройства, у которых одинаковые характеристики, но разные типы проводимости. Такая пара нашла применение в различных радиосхемах. Данную особенность нужно учитывать, если необходима замена отдельных элементов схемы.

Фото — конструкция

Область, которая находится в центре, называется базой, с двух сторон от неё располагаются эммитер и коллектор. База очень тонкая, зачастую её толщина не превышает пары 2 микрон. В теории существует такое понятие, как идеальный биполярный транзистор. Это модель, у которой расстояние между эммитерной и коллекторной областями одинаковое. Но, зачастую, эммиторный переход (область между базой и эммитером) в два раза больше коллекторного (участок между основой и коллектором).

Фото — виды биполярных триодов

По виду подключения и уровню пропускаемого питания, они делятся на:

1. Высокочастотные;
2. Низкочастотные.

По мощности на:

1. Маломощные;
2. Средней мощности;
3. Силовые (для управления необходим транзисторный драйвер).

Принцип работы биполярных транзисторов основан на том, что два срединных перехода расположены по отношению друг к другу в непосредственной близости. Это позволяет существенно усиливать проходящие через них электрические импульсы. Если приложить к разным участкам (областям) электрическую энергию разных потенциалов, то определенная область транзистора сместится. Этим они очень похожи на диоды.

Фото — пример

Например, при положительном открывается область p-n, а при отрицательном она закрывается. Главной особенностью действия транзисторов является то, что при смещении любой области база насыщается электронами или вакансиями (дырками), это позволяет снизить потенциал и увеличить проводимость элемента.

Существуют следующие ключевые виды работы:

1. Активный режим;
2. Отсечка;
3. Двойной или насыщения;
4. Инверсионный.

Перед тем, как определить режим работы в биполярных триодах, нужно разобраться, чем они отличаются друг от друга. Высоковольтные чаще всего работают в активном режиме (он же ключевой режим), здесь во время включения питания смещается переход эмиттера, а на коллекторном участке присутствует обратное напряжение. Инверсионный режим – это антипод активного, здесь все смещено прямо-пропорционально. Благодаря этому, электронные сигналы значительно усиливаются.

Во время отсечки исключены все типы напряжения, уровень тока транзистора сведен к нулю. В этом режиме размыкается транзисторный ключ или полевой триод с изолированным затвором, и устройство отключается. Есть еще также двойной режим или работа в насыщении, при таком виде работы транзистор не может выступать как усилитель. На основании такого принципа подключения работают схемы, где нужно не усиление сигналов, а размыкание и замыкание контактов.

Из-за разности уровней напряжения и тока в различных режимах, для их определения можно проверить биполярный транзистор мультиметром, так, например, в режиме усиления исправный транзистор n-p-n должен показывать изменение каскадов от 500 до 1200 Ом. Принцип измерения описан ниже.

Основное назначение транзисторов – это изменение определенных сигналов электрической сети в зависимости от показателей тока и напряжения. Их свойства позволяют управлять усилением посредством изменения частоты тока. Иными словами, это преобразователь сопротивления и усилитель сигналов. Используется в различной аудио- и видеоаппаратуре для управления маломощными потоками электроэнергии и в качестве УМЗЧ, трансформаторах, контроля двигателей станочного оборудования и т. д.

Видео: как работает биполярные транзисторы

Предупреждение об использовании файлов cookies на сайте Info KS

В соответствии с законами ЕС, поставщики цифрового контента обязаны предоставлять пользователям своих сайтов информацию о правилах в отношении файлов cookie и других данных. Администрация сайта должна получить согласие конечных пользователей из ЕС на хранение и доступ к файлам cookie и другой информации, а также на сбор, хранение и применение данных при использовании продуктов Google.

Файл cookie – файл, состоящий из цифр и букв. Он хранится на устройстве, с которого Вы посещаете сайт Info KS. Файлы cookie необходимы для обеспечения работоспособности сайтов, увеличения скорости загрузки, получения необходимой аналитической информации.

Сайт использует следующие cookie:

Необходимые для работы сайта: навигация, скачивание файлов. Происходит отличие человека от робота.

Файлы cookie для увеличения быстродействия и сбора аналитической информации. Они помогают администрации сайта понять взаимодействие посетителей сайтом, дают информацию о страницах, которые были посещены. Эта информация помогает улучшать работу сайта.

Рекламные cookie. В эти файлы предоставляют сведения о посещении наших страниц, данные о ссылках и рекламных блоках, которые Вас заинтересовали. Цель — отражать на страницах контент, наиболее ориентированный на Вас.

Если Вы не согласны с использованием нами файлов cookie Вашего устройства, пожалуйста покиньте сайт.

Продолжением просмотра сайта Info KS Вы даёте своё согласие на использование файлов cookie.

Типы транзисторов

В настоящее время находят применение транзисторы двух видов — биполярные и полевые. Биполярные транзисторы появились первыми и получили наибольшее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Полевые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных.

В таблице ниже представлена цветовая маркировка транзисторов:

Цветовая маркировка транзисторов

Биполярные транзисторы

Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицательные заряды переносятся электронами.

В биполярном транзисторе используют кристалл из германия или кремния — основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов. Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми, другие — германиевыми. Для обоих разновидностей биполярных транзисторов характерны свои особенности, которые обычно учитывают при проектировании устройств.

Слово “транзистор” составлено из слов TRANSfer и resISTOR – преобразователь сопротивления. Он пришел на смену лампам в начале 1950-х. Это прибор с тремя выводами, используется для усиления и переключения в электронных схемах.

Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появление в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость).

Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой. Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близколежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзистор.

Классификация биполярных транзисторов.

Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей заряда, а вторую — коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмиттером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваивают названия, аналогичные его электродам. Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электрическое напряжение — входной сигнал, то в цепи коллектор — эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмиттером, но во много раз больший по значению.

Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относительно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) должно быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера — несколько вольт.

Включение в цепь n-р-n и р-n-р транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещения. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой лишь значением напряжения смещения. У кремниевых оно примерно на 0,45 В больше, чем у герма ниевых.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током между двумя электродами, образованным направленным движением носителей заряда дырок или электронов, осуществляется электрическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде. Электроды, между которыми протекает управляемый ток, носят название истока и стока, причем истоком считают тот электрод, из которого выходят (истекают) носители заряда. 

Третий, управляющий, электрод называют затвором. Токопроводящий участок полупроводникового материала между истоком и стоком принято называть каналом, отсюда еще одно название этих транзисторов — канальные. Под действием напряжения на затворе» относительно истока меняется сопротивление канала» а значит, и ток через него.

В зависимости от типа носителей заряда различают транзисторы с n-каналом или р-каналом. В n-канальных ток канала обусловлен направленным движением электронов, а р-канальных — дырок. В связи с этой особенностью полевых транзисторов их иногда называют также униполярными.

Это название подчеркивает, что ток в них образуют носители только одного знака, что и отличает полевые транзисторы от биполярных. Для изготовления полевых транзисторов используют главным образом кремний, что связано с особенностями технологии их производства.

Основные параметры полевых транзисторов

Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y₂₁ указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение крутизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна характеристики радиоламп. Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала. 

Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, достигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая экономичность в расходе тока. Частотные свойства полевого транзистора, так же как и биполярного, характеризуются значением предельной частоты.

Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты транзистора. Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

Транзисторы в заводской упаковке.

Эмиттер

Эмиттер и коллектор по размерам не совсем одинаковы. Поэтому, если поменять их местами, характеристики могут измениться.
 

Эмиттер А делается в виде острия, к которому прикладывается сильное электростатическое поле, вызывающее холодную эмиссию электронов с уровня Ферми эмиттера А. Ускоряющий электрод, анод, изготовляется в виде сетки, через которую электроны проходят в область между анодом и коллектором В. В этой области они замедляются и их кинетическая энергия переходит в потенциальную. Если поле между электродами и коллектором очень слабое, то потенциальный поверхностный барьер вблизи В не уменьшается. Из-за этого барьера ( он равен рв) электроны холодной эмиссии не могут попасть на коллектор В.
 

Эмиттеры представляют собой высоколегированные п — слои малых размеров, под эмиттерными переходами расположен общий базовый р-слой.
 

Эмиттер и коллектор делаются в виде двух тонких вольфрамовых проволочек, прижатых на очень близком расстоянии ( несколько сотых миллиметра) к поверхности маленькой пластинки — полупроводника. В качестве полупроводника используется германий, который после специальной обработки и введения примесей обладает электронной и дырочной проводимостью.
 

Эмиттер, приготовленный по указанному способу, по своим характеристикам не отличается от пленок магния, полученных испарением в атмосфере кислорода. Наблюденные большие значения коэффициента вторичной электронной эмиссии у данного катода обусловлены зарядкой поверхности ( автоэлектронная эмиссия; см. предыдущий параграф); иногда имеет место даже явление пробоя. В последнем случае в местах пробоя происходит сплавление никелевой подкладки с окисью магния.
 

Эмиттеры, полученные на основе сплавов магния с серебром, алюминием или медью, представляют собой по существу тот же кислородно-магниевый эмиттер, но изготовленный иным технологическим путем. Некоторые из этих сплавов после окисления их поверхности обладают высоким коэффициентом вторично-электронной эмиссии; к их числу относятся сплавы серебра и магния, приготовленные определенным образом.
 

Эмиттеры в них выполнены в виде густых сеток, покрытых эмиттирующим слоем, либо в виде пластинок, имеющих форму жалюзи. Вторичные электроны, покидающие какой-либо каскад, попадают под действием межкаскадного напряжения непосредственно на следующий каскад. При малых расстояниях между эмиттерами число электронов, выпадающих из процесса умножения вследствие поперечного рассеивания, очень мало. Сетки перед каждым эмиттером предохраняют его от запирающего влияния электрического поля предыдущего эмиттера.
 

Эмиттер, полученный на сплаве Си-Be, не только обеспечивает большие значения а, чем эмиттер на испаренной пленке бериллия, но оказывается технологически более удобным. Это удобство заключается в том, что из сплава Си-Be непосредственно могут быть получены листы для электродов умножителя и, кроме того, поверхность Си — Be легко поддается полировке. Поверхность сплава необходимо полировать непосредственно перед монтажем электродов, так как при соприкосновении с воздухом она окисляется и медленно темнеет.
 

Эмиттеры, изготовленные из металлических сплавов, при плотностях тока до нескольких десятых миллиампера на квадратный сантиметр утомляются в значительно меньшей степени, чем сурь-мяно-цезиевый и кислородно-цезиевый эмиттеры.
 

Эмиттер и коллектор по размерам не совсем одинаковы. Поэтому, если поменять их местами, характеристики могут измениться.
 

Эмиттер инжектирует дырки в n — область, называемую базой, коллектор экстрагирует их из базы. При токе эмиттера / э0 в цепи коллектора течет ток обратно смещенного р-п перехода.
 

Эмиттер Э является общей точкой как для нагрузочной цепи, так и для цепи управления, поэтому такая схема включения называется схемой с общим эмиттером. В отличие от электронной лампы, которая управляется напряжением, транзистор управляется током базы.
 

Похожие записи:

Активное, емкостное и индуктивное сопротивление. закон ома для цепей переменного тока Ретро проводка в современном доме Где используется фидерный кабель Маркировка smd компонентов: кодовые обозначения Как сделать веб-приложение для вашего собственного bluetooth low energy девайса? Как подключить усилитель в машине