Устройство транзистора и принцип работы

У PNP-трназистора наоборот: стрелка направлена от эмиттера в сторону базы, это значит что в активном режиме дырки из эмиттера устремляются к коллектору, при этом управляющий ток должен быть направлен от эмиттера — к базе.

Практическую значимость биполярного транзистора для современной электроники и электротехники невозможно переоценить. Биполярные транзисторы применяются сегодня повсюду: для генерации и усиления сигналов, в электрических преобразователях, в приемниках и передатчиках, да и много где еще, перечислять можно очень долго.

Поэтому в рамках данной статьи мы не будем касаться всевозможных сфер применения биполярных транзисторов, а только рассмотрим устройство и общий принцип действия этого замечательного полупроводникового прибора, который начиная с 1950-х годов перевернул всю электронную промышленность, а с 70-х годов сильно способствовал ускорению технического прогресса.

Биполярный транзистор — трехэлектродный полупроводниковый прибор, включающий себя в качестве основы три слоя чередующихся по типу проводимости. Таким образом, транзисторы бывают NPN и PNP-типа. Полупроводниковые материалы, из которых делают транзисторы, это в основном: кремний, германий, арсенид галлия и другие.

Кремний, германий и другие вещества изначально являются диэлектриками, но если в них добавить примеси, то они станут полупроводниками. Добавки в кремний типа фосфора (донор электронов) сделают кремний полупроводником N-типа, а если в кремний добавить бор (акцептор электронов), то кремний станет полупроводником P-типа.

В результате полупроводники N-типа обладают электронной проводимостью, а полупроводники P-типа — дырочной проводимостью. Как вы поняли, проводимость определяется по виду рабочих носителей заряда.

Так вот, трехслойный пирог из полупроводников P-типа и N-типа — это по сути и есть биполярный транзистор. К каждому слою припаяны выводы, которые называются: эмиттер, коллектор и база.

База — это управляющий проводимостью электрод. Эмиттер — это источник носителей тока в цепи. Коллектор — это то место, в направлении которого устремляются носители тока под действием приложенной к устройству ЭДС.

Условные обозначения биполярных транзисторов типов NPN и PNP на схемах различны. Данные обозначения как раз и отражают устройство и принцип действия транзистора в электрической цепи. Стрелка всегда изображается между эмиттером и базой. Направление стрелки — это направление управляющего тока, который подается в цепь база-эмиттер.

Так, у NPN-транзистора стрелка направлена от базы в сторону эмиттера, это значит что в активном режиме именно электроны из эмиттера устремятся к коллектору, при этом управляющий ток должен быть направлен от базы — к эмиттеру.

У PNP-трназистора наоборот: стрелка направлена от эмиттера в сторону базы, это значит что в активном режиме дырки из эмиттера устремляются к коллектору, при этом управляющий ток должен быть направлен от эмиттера — к базе.

Давайте разберемся, почему так происходит. При подаче постоянного положительного напряжения на базу NPN-транзистора (в районе 0,7 вольт) относительно его эмиттера, p-n-переход база-эмиттер данного NPN-транзистора (см. рисунок) смещается в прямом направлении, и потенциальный барьер между переходами коллектор-база и база-эмиттер снижается, теперь электроны могут двигаться через него под действием ЭДС в цепи коллектор-эмиттер.

При достаточном токе базы, ток коллектор-эмиттер возникнет в данной цепи и сложится с током база-эмиттер. NPN-транзистор перейдет в открытое состояние.

Соотношение между током коллектора и управляющим током (базы) называется коэффициентом усиления транзистора по току. Данный параметр приводится в документации на транзистор, и может лежать в диапазоне от единиц до нескольких сотен.

При подаче постоянного отрицательного напряжения на базу PNP-транзистора (в районе -0,7 вольт) относительно его эмиттера, n-p-переход база-эмиттер данного PNP-транзистора смещается в прямом направлении, и потенциальный барьер между переходами коллектор-база и база-эмиттер снижается, теперь дырки могут двигаться через него под действием ЭДС в цепи коллектор-эмиттер.

Обратите внимание на полярность питания коллекторной цепи. При достаточном токе базы, ток коллектор-эмиттер возникнет в данной цепи и сложится с током база-эмиттер. PNP-транзистор перейдет в открытое состояние.

Биполярные транзисторы обычно используются в различных устройствах в усилительном, барьерном или в ключевом режиме.

В усилительном режиме ток базы никогда не опускается ниже тока удержания, при котором транзистор все время пребывает в открытом проводящем состоянии. В данном режиме колебания малого тока базы инициируют соответствующие колебания значительно большего тока коллектора.

В ключевом режиме транзистор переходит из закрытого состояния в открытое, выполняя роль быстродействующего электронного коммутатора. В барьерном режиме — путем варьирования тока базы управляют током нагрузки, включенной в цепь коллектора.

Начальный ток неуправляемый, он имеется у любого транзистора, но в то же время мало зависит от внешнего напряжения. Если его, напряжение, повысить весьма значительно (в пределах разумного, обозначенного в справочниках), начальный ток особо не изменится. Зато тепловое воздействие на этот ток влияет весьма заметно.

Здесь мы уже не будем слишком подробно останавливаться на электронах, дырках и атомах, о которых уже было рассказано в предыдущих частях статьи, но кое-что из этого, при необходимости, все же придется вспомнить.

Полупроводниковый диод состоит из одного p-n перехода, о свойствах которого было рассказано в предыдущей части статьи. Транзистор, как известно, состоит из двух переходов, поэтому полупроводниковый диод можно рассматривать как предшественник транзистора, или его половину.

Если p-n переход находится в состоянии покоя, то дырки и электроны распределяются, как показано на рисунке 1, образуя потенциальный барьер. Постараемся не забыть условные обозначения электронов, дырок и ионов, показанные на этом рисунке.

Как устроен биполярный транзистор

Устройство биполярного транзистора на первый взгляд просто. Для этого достаточно на одной пластине полупроводника, называемой базой, создать сразу два p-n перехода. Некоторые способы создания p-n перехода были описаны в предыдущих частях статьи, поэтому здесь повторяться не будем.

Если проводимость базы будет типа p, то полученный транзистор будет иметь структуру n-p-n (произносится как «эн-пэ-эн»). А когда в качестве базы используется пластина n типа, то получается транзистор структуры p-n-p («пэ-эн-пэ»).

Уж коль скоро речь зашла о базе, то следует обратить внимание на такую вещь: полупроводниковая пластина, используемая в качестве базы очень тонкая, намного тоньше, чем эмиттер и коллектор. Это утверждение следует запомнить, поскольку оно понадобится в процессе объяснения работы транзистора.

Естественно, что для соединения с «внешним миром» от каждой области p и n выходит проволочный вывод. Каждый из них имеет название области, к которой соединен: эмиттер, база, коллектор. Такой транзистор называется биполярным, поскольку в нем используются два типа носителей заряда, — дырки и электроны. Схематическое устройство транзисторов обоих типов показано на рисунке 2.

В настоящее время в большей степени применяются кремниевые транзисторы. Германиевые транзисторы почти полностью вышли из употребления, будучи вытесненными кремниевыми, поэтому дальнейший рассказ будет именно о них, хотя иногда будут упоминаться и германиевые. Большинство кремниевых транзисторов имеют структуру n-p-n, поскольку эта структура более технологична в производстве.

Комплементарные пары транзисторов

Для германиевых транзисторов, видимо, более технологичной была структура p-n-p, поэтому германиевые транзисторы большей частью имели именно эту структуру. Хотя, в составе комплементарных пар (близкие по параметрам транзисторы, которые отличались лишь типом проводимости) выпускались и германиевые транзисторы разной проводимости, например ГТ402 (p-n-p) и ГТ404 (n-p-n).

Такая пара применялась в качестве выходных транзисторов в УНЧ различной радиоаппаратуры. И если несовременные германиевые транзисторы ушли в историю, то комплементарные пары кремниевых транзисторов выпускаются до сих пор, начиная от транзисторов в SMD – корпусах и вплоть до мощных транзисторов для выходных каскадов УНЧ.

Кстати, звуковые усилители на германиевых транзисторах меломанами воспринимались почти как ламповые. Ну, может чуть и похуже, но много лучше, чем усилители на кремниевых транзисторах. Это просто для справки.

Как работает транзистор

Для того, чтобы понять, как работает транзистор нам снова придется вернуться в мир электронов, дырок, доноров и акцепторов. Правда сейчас это будет несколько проще, и даже интересней, чем в предыдущих частях статьи. Такое замечание пришлось сделать для того, чтобы не испугать читателя, позволить дочитать все это до конца.

На рисунке 3 сверху показано условное графическое обозначение транзисторов на электрических схемах, а ниже p-n переходы транзисторов представлены в виде полупроводниковых диодов, к тому же включенных встречно. Такое представление очень удобно при проверке транзистора мультиметром.

А на рисунке 4 показано внутреннее устройство транзистора.

На этом рисунке придется немного задержаться, чтобы рассмотреть его поподробнее.

Так пройдет ток или нет?

Здесь показано, как к транзистору структуры n-p-n подключен источник питания, причем именно в такой полярности, как он подключается в реальных устройствах к настоящим транзисторам. Но, если присмотреться повнимательней, то получается, что через два p-n перехода, через два потенциальных барьера ток не пройдет: как ни меняй полярность напряжения один из переходов обязательно оказывается в запертом, непроводящем, состоянии. Так что уж оставим пока все, как показано на рисунке и посмотрим, что же там происходит.

Неуправляемый ток

При включении источника тока, как показано на рисунке, переход эмиттер – база (n-p) находится в открытом состоянии и легко пропустит электроны в направлении слева – направо. После чего электроны столкнутся с закрытым переходом база эмиттер (p-n), который остановит это движение, дорога для электронов будет закрыта.

Но, как всегда и везде из всяких правил бывают исключения: некоторые особо шустрые электроны под воздействием температуры все-таки этот барьер сумеют преодолеть. Поэтому хоть и незначительный ток при таком включении все же будет. Этот незначительный ток называется начальным током или током насыщения. Последнее название вызвано тем, что в образовании этого тока участвуют всех свободные электроны, способные при данной температуре преодолеть потенциальный барьер.

Начальный ток неуправляемый, он имеется у любого транзистора, но в то же время мало зависит от внешнего напряжения. Если его, напряжение, повысить весьма значительно (в пределах разумного, обозначенного в справочниках), начальный ток особо не изменится. Зато тепловое воздействие на этот ток влияет весьма заметно.

Дальнейшее повышение температуры вызывает увеличение начального тока, что в свою очередь может привести к дополнительному нагреву p-n перехода. Такая тепловая нестабильность может привести к тепловому пробою, разрушению транзистора. Поэтому следует принимать меры по охлаждению транзисторов, и не прилагать предельных напряжений при повышенной температуре.

А теперь вспомним о базе

Описанное выше включение транзистора с оборванной базой нигде в практических схемах не применяется. Поэтому на рисунке 5 показано правильное включение транзистора. Для этого понадобилось подать на базу относительно эмиттера некоторое небольшое напряжение, причем в прямом направлении (вспомним диод, и еще раз посмотрим на рисунок 3).

Если в случае с диодом все вроде бы понятно, — открылся и через него пошел ток, то в транзисторе происходят еще и другие события. Под действием эмиттерного тока электроны устремятся в базу с проводимостью p из эмиттера с проводимостью n. При этом часть электронов заполнят дырки, находящиеся в области базы и через базовый вывод протекает незначительный ток, — ток базы Iб. Вот тут как раз и следует вспомнить, что база тонкая и дырок в ней немного.

Остальные электроны, которым не хватило дырок в тонкой базе, устремляются в коллектор и будут извлечены оттуда более высоким потенциалом коллекторной батареи Eк-э. Под этим воздействием электроны преодолеют второй потенциальный барьер и через батарею вернутся в эмиттер.

Таким образом, небольшое напряжение, приложенное к переходу база – эмиттер, способствует открыванию перехода база – коллектор, смещенному в обратном направлении. Собственно в этом и заключается транзисторный эффект.

Остается только рассмотреть, как влияет это «небольшое напряжение», приложенное к базе, на ток коллектора, каковы их величины и соотношения. Но об этом рассказ в следующей части статьи про транзисторы.

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p.

Принцип работы транзистора

Транзистор работает в режимах «Открыто» и «Закрыто». Рассмотрим, как работает транзистор биполярного типа на уровне «чайников», и на каких физических процессах основано его функционирование. В таком транзисторе коллектор и эмиттер сильно легированы, база тонкая, содержит малое количество примесей.

Простое изложение принципа работы биполярного транзистора:

Если к эмиттеру и базе подключают напряжение, противоположное по знаку, ток прекращается, и транзистор переходит в закрытое состояние.

Кратко принцип работы полупроводникового транзистора можно изложить так: при подключении к зажимам эмиттера и базы напряжения одноименного заряда прибор переходит в открытое состояние, при подключении к этим выводам обратных зарядов транзистор закрывается.

В биполярных транзисторах носители зарядов двигаются от эмиттера к коллектору. База отделяется от коллектора и эмиттера p-n переходами. Протекает ток через транзистор лишь при инжектировании носителей заряда через p-n переход из эмиттера в базу. Находясь в базе, они начинают становиться неосновными носителями заряда и достаточно легко проникают через p-n переходы. Управление током между коллектором и эмиттером осуществляется за счет изменения напряжения между базой и эмиттером.

Структура транзистора

В биполярных транзисторах носители зарядов двигаются от эмиттера к коллектору. База отделяется от коллектора и эмиттера p-n переходами. Протекает ток через транзистор лишь при инжектировании носителей заряда через p-n переход из эмиттера в базу. Находясь в базе, они начинают становиться неосновными носителями заряда и достаточно легко проникают через p-n переходы. Управление током между коллектором и эмиттером осуществляется за счет изменения напряжения между базой и эмиттером.

На поворот задвижки тоже не требуется прилагать особых усилий. В данном случае внешним источником энергии является насосная станция станка. И подобных воздействий в природе и технике можно заметить великое множество. Но все-таки нас больше интересует транзистор, поэтому далее придется рассмотреть…

Первую часть статьи смотрите здесь: История транзисторов.

Что означает название «транзистор»

Транзистор не сразу получил такое привычное название. Первоначально, по аналогии с ламповой техникой его называли полупроводниковым триодом. Современное название состоит из двух слов. Первое слово – «трансфер», (тут сразу вспоминается «трансформатор») означает передатчик, преобразователь, переносчик. А вторая половина слова напоминает слово «резистор», — деталь электрических схем, основное свойство которой электрическое сопротивление.

Именно это сопротивление встречается в законе Ома и многих других формулах электротехники. Поэтому слово «транзистор» можно растолковать, как преобразователь сопротивления. Примерно так же, как в гидравлике изменение потока жидкости регулируется задвижкой. У транзистора такая «задвижка» изменяет количество электрических зарядов, создающих электрический ток. Это изменение есть не что иное, как изменение внутреннего сопротивления полупроводникового прибора.

Усиление электрических сигналов

Наиболее распространенной операцией, которую выполняют транзисторы, является усиление электрических сигналов. Но это не совсем верное выражение, ведь слабый сигнал с микрофона таковым и остается.

Усиление в других областях техники и природе

Такие примеры можно найти не только в электрических схемах. Например, при нажатии педали газа увеличивается скорость автомобиля. При этом на педаль газа нажимать приходится не очень сильно – по сравнению с мощностью двигателя мощность нажатия на педаль ничтожна. Для уменьшения скорости педаль придется несколько отпустить, ослабить входное воздействие. В этой ситуации мощным источником энергии является бензин.

Такое же воздействие можно наблюдать и в гидравлике: на открытие электромагнитного клапана, например в станке, энергии, идет совсем немного. А давление масла на поршень механизма способно создать усилие в несколько тонн. Это усилие можно регулировать, если в маслопроводе предусмотреть регулируемую задвижку, как в обычном кухонном кране. Чуть прикрыл — давление упало, усилие снизилось. Если открыл побольше, то и нажим усилился.

На поворот задвижки тоже не требуется прилагать особых усилий. В данном случае внешним источником энергии является насосная станция станка. И подобных воздействий в природе и технике можно заметить великое множество. Но все-таки нас больше интересует транзистор, поэтому далее придется рассмотреть…

Усилители электрических сигналов

В большинстве усилительных схем транзисторы или электронные лампы используются как переменный резистор, сопротивление которого изменяется под действием слабого входного сигнала. Этот «переменный резистор» является составной частью электрической цепи постоянного тока, которая получает питание, например, от гальванических элементов или аккумуляторов, поэтому в цепи начинает протекать постоянный ток. Начальное значение этого тока (входного сигнала еще нет) устанавливается при настройке схемы.

Под действием входного сигнала внутреннее сопротивление активного элемента (транзистора или лампы) изменяется в такт входному сигналу. Поэтому постоянный ток превращается в переменный, создавая на нагрузке мощную копию входного сигнала. Насколько точной будет эта копия, зависит от многих условий, но об этом разговор будет позже.

Действие входного сигнала очень напоминает упомянутые выше педаль газа или задвижку в гидросистеме. Чтобы разобраться в том, что же является такой задвижкой в транзисторе, придется рассказать, хотя бы очень упрощенно, но верно и понятно о некоторых процессах в полупроводниках.

Электропроводность и строение атома

Электрический ток создается за счет движения электронов в проводнике. Для того, чтобы разобраться, как это происходит, придется рассмотреть строение атома. Рассмотрение, конечно, будет максимально упрощенное, даже примитивное, но позволяющее вникнуть в суть процесса, не более, чем нужно для описания работы полупроводников.

В 1913 году датский физик Нильс Бор предложил планетарную модель атома, которая показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Планетарная модель атома

Согласно его теории атом состоит из ядра, которое, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Протоны являются носителями положительного электрического заряда, а нейтроны электрически нейтральны.

Вокруг ядра по орбитам вращаются электроны, электрический заряд которых отрицательный. Количество протонов и электронов в атоме одинаково, и электрический заряд ядра уравновешивается общим зарядом электронов. В таком случае говорят, что атом находится в состоянии равновесия или электрически нейтрален, то есть не несет положительного или отрицательного заряда.

Если атом потеряет электрон, то его электрический заряд становится положительным, а сам атом в этом случае становится положительным ионом. Если атом присоединяет к себе чужой электрон, то его называют отрицательным ионом.

На рисунке 2 показан фрагмент периодической таблицы Менделеева. Обратим внимание на прямоугольник, в котором находится кремний (Si).

Рисунок 2. Фрагмент периодической таблицы Менделеева

В правом нижнем углу находится столбик цифр. Они показывают, как распределены электроны по орбитам атома, — нижняя цифра самая ближняя к ядру орбита. Если внимательно приглядеться к рисунку 1, то с уверенностью можно сказать, что перед нами атом кремния с распределением электронов 2, 8, 4. Рисунок 1 объемный, на нем почти видно, что орбиты электронов сферические, но для дальнейших рассуждений можно считать, что они находятся в одной плоскости, и все электроны бегают по одной дорожке, как показано на рисунке 3.

Латинскими буквами на рисунке отмечены оболочки. В зависимости от количества электронов в атоме их количество может быть разным, но не более семи: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. На каждой орбите может находиться определенное количество электронов. Например, на последней Q целых 98, меньше можно, больше нельзя. Собственно на это распределение в плане нашего рассказа можно внимания не обращать: нас интересуют только электроны, расположенные на внешней орбите.

Конечно, на самом деле все электроны вращаются вовсе не в одной плоскости: даже 2 электрона, которые находятся на орбите с именем K, вращаются по сферическим орбитам, расположенным очень близко. А что уж говорить об орбитах с более высокими уровнями! Там такое происходит… Но для простоты рассуждений будем считать, что все происходит в одной плоскости, как показано на рисунке 3.

В этом случае даже кристаллическую решетку можно представить в плоском виде, что облегчит понимание материала, хотя на самом деле все намного сложней. Плоская решетка показана на рисунке 4.

Электроны внешнего слоя называют валентными. Именно они и показаны на рисунке (остальные электроны для нашего рассказа значения не имеют). Именно они участвуют в соединении атомов в молекулы, и при создании разных веществ определяют их свойства.

Именно они могут отрываться от атома и свободно блуждать, а при наличии некоторых условий создавать электрический ток. Кроме того, именно во внешних оболочках происходят те процессы, в результате которых получаются транзисторы – полупроводниковые усилительные приборы.

Существует 4 режима, в одном из которых может работать биполярный транзистор. В этот список входят следующие:

Основной функцией биполярного транзистора (БТ) является увеличение мощности входного электрического сигнала. Эти полупроводниковые радиокомпоненты появились, как альтернатива электровакуумных триодов, и со временем практически вытеснили их из отрасли. Справедливости ради заметим, что лампы применяются и до сих пор, но в очень и очень узком сегменте аппаратуры специального назначения. В массовой же радиотехнике используются, в основном, транзисторы – биполярные и их ближайшие «родственники» полевые.

Ключевое преимущество этих элементов состоит в миниатюрности. Электровакуумный усилитель со схожими характеристиками оказывается в несколько раз крупнее биполярного транзистора. Вследствие этого применение БТ в радиоэлектронике приводит к существенному уменьшению габаритных размеров конечной радиотехнической продукции.

Биполярным данный транзистор называется из-за того, что в физических процессах, протекающих во время его функционирования, участвуют оба типа носителей заряда – и электроны, и дырки. Это оказывает влияние на принцип управления выходным сигналом. В биполярных транзисторах выходными параметрами управляет ток, а не электрическое поле, как в полевых (униполярных).

Устройство биполярного транзистора.

Этот полупроводниковый триод состоит из 3 частей – эмиттера, коллектора и базы. Таким образом, ключевыми элементами биполярного транзистора являются два p-n-перехода, а не один, как в полевых. Эмиттер исполняет функцию генератора носителей заряда, которые формируют рабочий ток, стекающий в приёмник – коллектор. База необходима для подачи управляющего напряжения.

Если рассматривать плоскую модель БТ, то радиокомпонент представляет собой две области с p- или n-проводимостью (эмиттер и коллектор), разделённые тонким слоем полупроводника с проводимостью обратного знака (база). Полупроводниковый кристалл со стороны коллектора физически крупнее. Такое соотношение обеспечивает правильную работу биполярного транзистора.

В зависимости от типа проводимости эмиттера, коллектора и базы различают PNP- и NPN-транзисторы. В принципе, они функционируют одинаково с той лишь разницей, что к ним прикладываются напряжения разной полярности. Выбор того или иного вида БТ определяется особенностями конкретных радиотехнических устройств.

Принцип работы биполярного транзистора.

При подключении эмиттера и коллектора к источнику питания создаются почти все условия для протекания тока. Однако свободному перемещению носителей заряда препятствует база, и для устранения этой помехи на неё подаётся напряжение смещения. В базовом слое полупроводника возникают физико-химические процессы электронно-дырочной рекомбинации, в результате которой через базу начинает течь небольшой ток. В результате p-n-переходы открывают путь потоку носителей заряда от эмиттера к коллектору.

Если ток, протекающий через базу, меняется по какому-то закону, то точно так же изменяется и мощный ток между эмиттером и коллектором. Следовательно, мы получаем на выходе биполярного транзистора такой же сигнал, как и на базе, но с более высокой мощностью. В этом и состоит усилительная функция биполярного транзистора.

Режимы работы.

Существует 4 режима, в одном из которых может работать биполярный транзистор. В этот список входят следующие:

1. отсечка;
2. активный режим;
3. насыщение;
4. барьерный режим.

Существует ещё так называемый инверсный режим, но он на практике не используется и интересен только при теоретических исследованиях поведения полупроводников. Поэтому опишем подробнее только четыре первых.

1. Отсечка.

В том случае, если разность потенциалов между эмиттером и базой ниже некоторого значения (примерно 0.6 Вольт), то база-эмиттерный p-n-переход оказывается закрытым, поскольку ток базы не возникает. В связи с этим коллекторный ток не протекает по той причине, что в базовом слое отсутствуют свободные электроны. Таким образом, транзистор переходит в состояние отсечки и сигнал не усиливает. Этот режим используется в цифровых схемах, когда БТ работает как ключ в положении «разомкнуто».

2. Активный режим.

В этом режиме радиокомпонент усиливает сигнал, то есть исполняет свою основную функцию. На базу подаётся разность потенциалов, которая открывает база-эмиттерный p-n-переход. Как следствие, в транзисторе начинают протекать токи коллектора и базы. Значение коллекторного тока вычисляется как арифметическое произведение величины тока базы и коэффициента усиления.

3. Насыщение.

4. Барьерный режим.

Здесь транзистор работает как диод с последовательно включённым резистором. Для этого базу напрямую или через малоомное сопротивление соединяют с коллектором. В данном режиме триоды хорошо показывают себя в высокочастотных устройствах. Кроме того, использование транзистора в барьерном режиме целесообразно на реальном производстве для снижения общего количества комплектующих.

Схемы включения биполярных транзисторов.

Полупроводниковый триод может включаться в электрическую цепь по одной из трёх схем – с общим эмиттером, с общим коллектором и с общей базой. В зависимости от способа подключения различаются электрические параметры транзистора, что определяет выбор схемы в каждом конкретном случае.

При включении биполярного транзистора с общим эмиттером достигается максимальное усиление входного сигнала. Благодаря этому данная схема в усилительных каскадах применяется чаще всего.

Схема с общим коллектором по-другому называется эмиттерным повторителем. Это связано с тем, что разность потенциалов на коллекторе и эмиттере оказываются практически равными. При таком включении наблюдаются большое усиление по току, высокое входное сопротивление и совпадение фаз входного и выходного сигналов. Вследствие этого эмиттерные повторители используются в согласующих и буферных усилителях.

При включении БТ по схеме с общей базой отсутствует усиление по току, но значительным оказывается усиление по напряжению. Особенностью данного способа является малое влияние транзистора на сигналы высокой частоты. Это делает схему с общей базой предпочтительной для использования в устройствах СВЧ.

Основные параметры биполярных транзисторов:

Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае — это 100 мА. Допустим для используемого транзистора h_fe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Они позволяют оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах. А управление самой «заслонкой» осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов, не идёт.

Полевые транзисторы обладают тремя контактами:

N-Channel и P-Channel

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.

P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

То есть мы получаем два вида биполярных транзисторов – n-p-n и p-n-p. Давайте дальше все обсуждение строить на примере n-p-n транзисторов, суть для p-n-p будет такой же:

Устройство биполярного транзистора.

И, первым делом, мы рассмотрим устройство биполярного транзистора и химические процессы, протекающие в нем. И в этом нам очень поможет статья о p-n переходе (ссылка), поскольку ключевые понятия мы будем использовать те же самые. Ведь транзистор есть ни что иное как три полупроводниковые области, которые формируют между собой два p-n перехода.

Кстати транзистор называется биполярным, потому что в переносе заряда участвуют и дырки, и электроны.

Итак, биполярный транзистор состоит из 3-х полупроводниковых областей. Причем тип примесной проводимости у этих областей чередуется:

• p-n-p или
• n-p-n

То есть мы получаем два вида биполярных транзисторов – n-p-n и p-n-p. Давайте дальше все обсуждение строить на примере n-p-n транзисторов, суть для p-n-p будет такой же:

Называются эти три полупроводниковые области:

• эмиттер
• база
• коллектор

Тип проводимости эмиттера и коллектора одинаковый, но технологически они отличаются довольно значительно. Во-первых, общая область перехода база-эмиттер намного меньше общей области перехода база-коллектор. Зачем так сделано мы разберемся чуть позже. И, во-вторых, область коллектора содержит намного меньше примесей, чем область эмиттера.

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

Предисловие

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

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.

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.

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

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

Схемы включения биполярных транзисторов

Схема включения с общим эмиттером

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

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

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.

База транзистора всегда остается положительной по отношению к коллектору, так что дырки не могут «мигрировать» от коллектора к базе. И переход база-эмиттер поддерживает ток, благодаря чему дырки из области эмиттера входят в базу, а затем в область коллектора, пересекая область истощения.

Конструкция PNP-транзистора показана на рисунке ниже. Эмиттер-база соединены в прямом смещении, а коллектор-база соединены в обратном смещении. Эмиттер, который подключен в прямом смещении, притягивает электроны к базе и, следовательно, создается ток, протекающий по пути от эмиттера к коллектору.

База транзистора всегда остается положительной по отношению к коллектору, так что дырки не могут «мигрировать» от коллектора к базе. И переход база-эмиттер поддерживает ток, благодаря чему дырки из области эмиттера входят в базу, а затем в область коллектора, пересекая область истощения.

Фактически в работе транзистора принимают участие как электроны, так и дырки, что отличает его от униполярного или полевого транзистора.

Принцип действия биполярного транзистора

Рис. 2. Иллюстрация работы транзистора: (а) тока базы нет, (б) ток базы течет.

Фактически в работе транзистора принимают участие как электроны, так и дырки, что отличает его от униполярного или полевого транзистора.

Эффекты второго порядка. Зависимость коллекторного тока от тока базы

Рис. 3. Типичная зависимость коллекторного тока от тока базы в маломощном кремниевом транзисторе.

Для большинства практических целей можно считать, что h_FE и h_fe равны.

Ток утечки между коллектором и базой

n-p-n и p-n-p транзисторы

Рис. 4. Устройство р-n-р транзистора и его условное обозначение.