Как работает транзистор в схеме

Транзисторы: ​принцип работы, схема включения, чем отличаются ​биполярные и полевые

Транзистор — повсеместный и важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.

В частноти, его можно использовать как управляемую «заслонку»: отсутствием сигнала на «воротах» блокировать течение тока, подачей — разрешать. Иными словами: это кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения. В цифровой электронике такое применение наиболее распространено.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах: один и тот же транзистор может внешне выглядеть совершенно по разному. В прототипировании чаще остальных встречаются корпусы:

Обозначение на схемах также варьируется в зависимости от типа транзистора и стандарта обозначений, который использовался при составлении. Но вне зависимости от вариации, его символ остаётся узнаваемым.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:

Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель h_fe также известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.

Например, если h_fe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропустит через себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент, который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас». Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные 10 мА.

Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.

NPN и PNP

Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплав кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive — с избытком положительных (p-doped).

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N. PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется, когда через неё идёт ток.

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.

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.

Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:

Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.

Обратите внимание на токоограничивающий резистор R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля. Главное — не превысить допустимый ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:

это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.

Биполярные транзисторы

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

Биполярные транзисторы имеют два основных типа структуры:

• n-p-n;
• p-n-p.

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

Области использования биполярных транзисторов:

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

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

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

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

Классификация биполярных транзисторов

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

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

Основные схемы включения биполярного транзистора

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

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

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

Схема с общим эмиттером

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

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

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

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

Схема с общей базой

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

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

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

Коэффициент передачи тока рассчитывается исходя из соотношения:

1

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

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

V_BE – напряжение база-эмиттер

Соответственно ток базы мал и равен:

Эмиттерный повторитель

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

Рисунок BJT.5 — Эмиттерный повторитель

Усиление достигается только по току:

Соответственно входное сопротивление повторителя равно:

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

R_load – сопротивление нагрузки.

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

Вольт-амперная характеристика биполярного транзистора

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

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

Основные параметры биполярного транзистора

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

Комплементарность транзисторов

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

Таблица BJT.1 — Некоторые комплементарные пары биполярных транзисторов

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

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

Измерение коэффициента усиления по току

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

Составной транзистор

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

Рисунок BJT.7 — Составные транзисторы Дарлингтона и Шиклаи

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

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

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

Расчет схемы Дарлингтона

1. Выбираем ток коллектора силового транзистора I_C2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип;
2. Определяем по справочному листу коэффициент передачи тока h_FE2 выбранного силового транзистора в соответствии с выбранным током коллектора;
3. В соответствии с током коллектора I_C2 и коэффициентом передачи тока силового транзистора h_FE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора I_B2:
4. В соответствии с рабочим током базы силового транзистора I_B2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер V_BE2.
5. Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона I_C2/I_B1.

Выведем выражение для расчета:

Сопротивление резистора следует из выражения:

Ток эмиттера первого транзистора:

Проводим ряд преобразований:

h_FE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;

h_FE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;

V_BE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;

R – сопротивление резистора;

I_C2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);

I_B1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).

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

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

Расчет схемы Шиклаи

1. Выбираем ток коллектора силового транзистора I_C2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип.
2. В соответствии с током коллектора I_C2 и коэффициентом передачи тока выбранного силового транзистора h_FE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора I_B2:
3. В соответствии с рабочим током базы силового транзистора IB2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер V_BE2.
4. Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона I_C2/I_B1.

Выведем выражение для расчета:

Сопротивление резистора следует из выражения:

Ток коллектора первого транзистора:

h_FE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;

h_FE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;

V_BE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;

R – сопротивление резистора;

I_C2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);

I_B1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).

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

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

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

Как работает транзистор: принцип и устройство

Транзистор – прибор, предназначенный для управления током в электрической цепи. Применяется практически во всех моделях видео- и аудио аппаратуры. Полупроводниковые транзисторы пришли на смену морально устаревшим ламповым, которые устанавливались в старые телевизоры. Для изготовления полупроводниковых моделей ранее использовался германий, но сферы его применения ограничены из-за чувствительности к температурным колебаниям. На смену германию пришел кремний, т.к. кремниевые детали стоят дешевле германиевых и более устойчивы к скачкам температуры. Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических цилиндрических. В этой статье мы постараемся простыми словами изложить, что такое транзистор, как он устроен и что делает.

Устройство транзисторов

Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный. В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), каждая из которых имеет свой вывод.

• Б – база, очень тонкий внутренний слой;
• Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;
• К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

• n-типа — носителями зарядов являются электроны.
• p-типа — носители зарядов – положительно заряженные «дырки».

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:

• Подключение к зажимам одноименного напряжения к эмиттеру и базе (p подсоединяется к «+», а n – к «-») приводит к появлению тока между эмиттером и базой. В базе образуются носители зарядов. Чем выше напряжение, тем больше количество носителей зарядов появляется в базе. Ток, подаваемый на базу, называется управляющим.
• Если к коллектору подключить обратное напряжение (n-коллектор подключается к плюсу, p-коллектор – к минусу), то между эмиттером и коллектором появится разница потенциалов, и между ними потечет ток. Чем больше носителей заряда скапливается в базе, тем сильнее будет ток между коллектором и эмиттером.
• При увеличении управляющего напряжения на базе растет ток «эмиттер-коллектор». Причем несущественный рост напряжения приводит к значительному усилению тока «эмиттер-коллектор». Этот принцип используется при производстве усилителей.

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.

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

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. 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. 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.

• 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

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.