Переход коллектор эмиттер. Схемы включения биполярных транзисторов

Страница 1 из 2

Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два электронно-дырочных перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. Эти переходы образуют в полупроводнике три области с различными типами электропроводности. Одна крайняя область называется эмиттером (Э), другая — коллектором (К), средняя — базой (Б). К каждой области припаивают металлические выводы для включения транзистора в электрическую цепь.
Электропроводность эмиттера и коллектора противоположна электропроводности базы. В зависимости от порядка чередования р- и n-областей различают транзисторы со структурой р-n-р и n-р-n. Условные графические обозначения транзисторов р-n-р и n-р-n отличаются лишь направлением стрелки у электрода, обозначающего эмиттер.

Принцип работы транзисторов р-n-р и n-р-n одинаков, поэтому в дальнейшем будем рассматривать лишь работу транзистора со структурой р-n-р.
Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, а коллектором и базой — коллекторным. Расстояние между переходами очень мало: у высокочастотных транзисторов оно менее 10 микрометров (1 мкм = 0,001 мм), а у низкочастотных не превышает 50 мкм.
При работе транзистора на его переходы поступают внешние напряжения от источника питания. В зависимости от полярности этих напряжений каждый переход может быть включен как в прямом, так и в обратном направлении. Различают три режима работы транзистора: 1) режим отсечки — оба перехода и, соответственно, транзистор полностью закрыты; 2) режим насыщения — транзистор полностью открыт;3) активный режим — это режим, промежуточный между двумя первыми. Режимы отсечки и насыщения совместно применяются в ключевых каскадах, когда транзистор попеременно то полностью открыт, то полностью заперт с частотой импульсов, поступающих на его базу. Каскады, работающие в ключевом режиме, применяются в импульсных схемах (импульсные блоки питания, выходные каскады строчной развертки телевизоров и др.). Частично в режиме отсечки могут работать выходные каскады усилителей мощности.
Наиболее часто транзисторы применяются в активном режиме. Такой режим определяется подачей на базу транзистора напряжения небольшой величины, которое называется напряжением смещения (U см.) Транзистор приоткрывается и через его переходы начинает течь ток. Принцип работы транзистора основан на том, что относительно небольшой ток, текущий через эмиттерный переход (ток базы), управляет током большей величины в цепи коллектора. Ток эмиттера представляет собой сумму токов базы и коллектора.

Режимы работы биполярного транзистора

Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (I ЭБО ) И коллектора (I КБО ). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения . Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками U ЭБ и U КБ . В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (I Э.нас ) и коллектора (I К.нас ).

Для усиления сигналов применяется активный режим работы транзистора .
При работе транзистора в активном режиме его эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях.

Под действием прямого напряжения U ЭБ происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. Попав в базу n-типа, дырки становятся в ней неосновными носителями заряда и под действием сил диффузии движутся (диффундируют) к коллекторному р-n-переходу. Часть дырок в базе заполняется (рекомбинирует) имеющимися в ней свободными электронами. Однако ширина базы небольшая — от нескольких единиц до 10 мкм. Поэтому основная часть дырок достигает коллекторного р-n-перехода и его электрическим полем перебрасывается в коллектор. Очевидно, что ток коллектора I К p не может быть больше тока эмиттера, так как часть дырок рекомбинирует в базе. Поэтому I K p = h 21Б I э
Величина h 21Б называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Для современных транзисторов h 21Б = 0,90...0,998. Так как коллекторный переход включен в обратном направлении (часто говорят — смещен в обратном направлении), через него протекает также обратный ток I КБО , образованный неосновными носителями базы (дырками) и коллектора (электронами). Поэтому полный ток коллектора транзистора, включенного по схеме с общей базой

I к = h 21Б I э + I КБО
Дырки, не дошедшие до коллекторного перехода и прорекомбинировавшие (заполнившиеся) в базе, сообщают ей положительный заряд. Для восстановления электрической нейтральности базы в нее из внешней цепи поступает такое же количество электронов. Движение электронов из внешней цепи в базу создает в ней рекомбинационный ток I Б.рек. Помимо рекомбинационного через базу протекает обратный ток коллектора в противоположном направлении и полный ток базы
I Б = I Б.рек — I КБО
В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока коллектора и тока эмиттера.

Схемы включения биполярного транзистора

В предыдущей схеме электрическая цепь, образованная источником U ЭБ , эмиттером и базой транзистора, называется входной, а цепь, образованная источником U КБ , коллектором и базой этого же транзистора,— выходной. База является общим электродом транзистора для входной и выходной цепей, поэтому такое его включение называют схемой с общей базой, или сокращенно «схемой ОБ».

На следующем рисунке изображена схема, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер. Это схема включения с общим эмиттером, или сокращенно «схема ОЭ» .

В ней выходным током, как и в схеме ОБ, является ток коллектора I К , незначительно отличающийся от тока эмиттера I э , а входным — ток базы I Б , значительно меньший, чем коллекторный ток. Связь между токами I Б и I К в схеме ОЭ определяется уравнением: I К = h 21 Е I Б + I КЭО
Коэффициент пропорциональности h 21 Е называют статическим коэффициентом передачи тока базы. Его можно выразить через статический коэффициент передачи тока эмиттера h 21Б
h 21 Е = h 21Б / (1 —h 21Б )
Если h 21Б находится в пределах 0,9...0,998, соответствующие значения h 21 Е будут в пределах 9...499.
Составляющая I кэо называется обратным током коллектора в схеме ОЭ. Ее значение в 1+h 21 Е раз больше, чем I КБО , т. е.I КЭО =(1+ h 21 Е) I КБО. Обратные токи I КБО и I КЭО не зависят от входных напряжений U ЭБ и U БЭ и вследствие этого называются неуправляемыми составляющими коллекторного тока. Эти токи сильно зависят от температуры окружающей среды и определяют температурные свойства транзистора. Установлено, что значение обратного тока I КБО удваивается при повышении температуры на 10 °С для германиевых и на 8 °С для кремниевых транзисторов. В схеме ОЭ температурные изменения неуправляемого обратного тока I КЭО могут в десятки и сотни раз превысить температурные изменения неуправляемого обратного тока I КБО и полностью нарушить работу транзистора. Поэтому в транзисторных схемах применяются специальные меры термостабилизации транзисторных каскадов, способствующие уменьшению влияния температурных изменений токов на работу транзистора.
На практике часто встречаются схемы, в которых общим электродом для входной и выходной цепей транзистора является коллектор. Это схема включения с общим коллектором, или «схема ОК» (эмиттерный повторитель) .

Независимо от схемы включения транзистора для него всегда справедливо уравнение, связывающее токи его электродов:
I э = I к + I Б .

Сравнительная оценка схем включения биполярных транзисторов

K I - коэффициент усиления по току

K U - коэффициент усиления по напряжению

K P - коэффициент усиления по мощности

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с дву­мя взаимодействующими р- n -переходами и с тремя выводами (рис. 1.15). В зависимости от чередования легированных областей различают транзисторы n-p-n -типа (рис. 1.15, а ) и р- n-р -типа (рис, 1.15, б ).

На рис. 1.15, в, г даны условные обозначения транзисторов п-р-п- и р- n-р- типов, соответственно. Выводы транзисторов обозначаются: Э – эмиттер, Б – база, К – коллектор.

Эмиттерная и коллекторная области отличаются тем, что в эмиттерной об­ласти концентрация примесей много больше, чем в коллекторной об­ласти. Переход, возникающий между эмиттером и базой, называется эмиттерным переходом , а переход, возникающий между коллектором и базой – коллекторным .

На рис. 1.16 приведена схема включения транзистора с подключен­ными источниками постоянного напряжения и коллекторным рези­стором. В этой схеме с корпусом соединен вывод базы транзистора. Поэтому эту схему называют схемой включения транзистора с общей базой (ОБ).

Различают четыре режима работы биполярного транзистора :

1) активный режим – открыт эмиттерный переход и закрыт коллекторный переход (рис. 1.16);

2) режим отсечки – оба р- n -перехода закрыты, и существенного тока через транзистор нет.

Для получения этого режима необходимо в схеме (см. рис. 1.16) изменить полярность источника Е Э на противоположную;

1) режим насыщения – два р- n -перехода транзистора открыты и через них протекают прямые токи. Для получения этого ре­жима необходимо в схеме (см. рис. 1.16) изменить полярность источника Е К на противопо­ложную;

2) инверсный режим – открыт коллекторный переход и за­крыт эмиттерный переход. Для получения этого режима не­обходимо в схеме (см. рис. 1.16) изменить на противоположные полярности источников Е К и Е Э .

Для усиления и преобразования сигналов в основном используется активный режим работы. Работа биполярного транзистора в активном режиме основана на явлении диффузии, а также на эффекте дрейфа носителей заряда в электрическом поле.

Работа транзи­стора в активном режиме

Рассмотрим работу транзи­стора в активном режиме на примере транзистора р-n-р-типа (рис. 1.16). В этом режиме эмиттерный переход транзистора открыт. Откры­вающее напряжение равно Е Э = 0,4…0,7 В.

Через открытый эмиттерный переход течет ток i Э (i Э = 0,1…10 мА для маломощного транзистора). Как правило, в эмиттерной области транзистора кон­центрация акцепторных примесей во много раз больше концентрации донорных примесей в базовой n- области транзистора. Поэтому кон­центрация дырок в области эмиттера много больше концентрации электронов в области базы, и практически весь ток эмиттера – это дырочный ток.

В одиночном p-n -переходе при диффузии дырок в п -область происходит полная рекомбинация инжектированных дырок с электронами п -области. В эмиттерном переходе транзистора происходит такой же процесс. Благодаря этому процессу возникает ток базы i Б (см. рис. 1.16). Однако в транзисторе происходят более сложные процессы.

Главной особенностью конструкции транзистора является относи­тельно тонкая базовая област ь. Ширина базы (W ) в транзисторе много меньше длины свободного пробега дырок (L ). У современных кремниевых транзисторов W » 1 мкм, а диффузионная длина L = 5…10 мкм. Следовательно, подавляющее большинство дырок достигают коллекторного перехода, не успев рекомбинировать с элек­тронами базы. Попадая в обратно смещенный коллекторный переход, дырки дрейфуют (и ускоряются) в имеющемся поле перехода.

Пройдя коллекторный переход, дырки рекомбинируют с электронами, подтекающими к коллектору от источника питания (Е К ). Отметим, что этот дырочный ток во много раз превышает собственный обратный ток закрытого коллекторного перехода и практически полностью определяет ток коллектора (i К ) транзистора.

Из анализа активного режима (рис. 1.16) следует уравнение для токов транзистора:

В этом уравнении ток базы много меньше тока эмиттера и тока коллектора, а
ток коллектора практически равен току эмиттера транзистора.

Соотношения между токами в транзисторе характеризуются двумя параметрами:

коэффициентом передачи тока эмиттера

и коэффициентом передачи тока базы

Используя формулу (1.2), полу­чим формулу взаимосвязи коэффициентов передачи :

Значения коэффициентов α и β зависят от конструкции транзисто­ра. Для большинства маломощных транзисторов, используемых в уст­ройствах связи и в компьютерах, коэффициент b = 20…200, а коэф­фициент a = 0,95…0,995.

Усилительные свойства транзистора

Рассмотрим усилительные свойства транзистора. Пусть на входе транзистора имеется напряжение Е Э = 0,5 В. И пусть это напряжение создает ток i Э = 5 мА. Мощность, расходуемая на управление транзистором, равна:

Р ВХ = Е Э i Э = 0,5 × 5 ×10 -3 = 2,5 мВт.

Пусть сопротивление полезной нагрузки в коллекторной цепи транзистора (рис. 1.17) равно R К = 1 кОм. По нагрузочному резистору протекает коллекторный ток, примерно равный эмиттерному току транзистора: i K » i Э . Выходная мощность, выделяющаяся на нагрузке, равна:

Р Н = i K 2 R K = 25 мВт.

Следовательно, в схеме (см. рис. 1.17) обеспечивается десятикратное усиление по мощности. Заметим, что для обеспечения такого усиления требуется, чтобы на коллекторный переход было подано большое запирающее напряжение:

Е К > U K ,

где U K = i K R K – падение напряжения на нагрузочном сопротивлении в цепи коллектора.

Увеличенная энергия выходного сигнала обеспечивается источником питания в коллекторной цепи.

Рассмотрим другие режимы работы транзистора:

· в режиме насыщения возникает прямой ток коллекторного перехода. Его направление противоположно направлению диффузионного тока дырок. Результирующий ток коллектора резко уменьшается, и резко ухудшаются усилительные свойства транзистора;

· редко используется транзи­стор в инверсном режиме, так как инжекционные свойства коллектора много хуже инжекционных свойств эмиттера;

· в режиме отсечки все токи через транзистор практически равны нулю – оба перехода тран­зистора закрыты, и усилительные свойства транзистора не проявляют­ся.

Кроме рассмотренной схемы включения транзистора с общей базой используются две другие схемы:

1) при соединении с корпусом эмиттера транзистора получим схему с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 1.17). Схема ОЭ наиболее часто встречается на практике;

2) при соединении с корпусом коллектора транзистора получим схему с общим коллектором (ОК) . В этих схемах управляющее напряжение подается на базовый вывод транзистора.

Зависимости токов через выводы транзистора от приложенных к транзистору напряжений называют вольт-амперными характеристи­ками (ВАХ) транзистора.

Для схемы с общим эмиттером (рис. 1.17) ВАХ транзистора имеют вид (рис. 1.18, 1.19). Аналогичные графики можно получить для схемы с общей базой. Кривые (см. рис. 1.18) называются входными характеристиками транзистора , так как они показывают зависимость входного тока от управляющего входного напряжения, подаваемого между базой и эмиттером транзистора. Входные характеристики транзистора близки к характеристикам р- n -перехода.

Зависимость входных характеристик от напряжения на коллекторе объясняется увеличением ширины кол­лекторного перехода и, следовательно, уменьшением толщины базы при увеличении обратного напряжения на коллекторе транзистора (эффект Эрли).

Кривые (см. рис. 1.19) называются выходными характеристиками транзи­стора . Их используют для определения коллекторного тока транзистора. Увеличению коллекторного тока соответствует увеличе­ние управляющего напряжения на базе транзистора:

u БЭ4 > u БЭ3 > u БЭ2 > u БЭ1. .

При u КЭ £ U НАС (см. рис. 1.19) напряжение на коллекторе транзистора ста­новится меньше напряжения на базе. В этом случае открывается кол­лекторный переход транзистора, и возникает режим насыщен
ия, при котором ток коллектора резко уменьшается.

При большом напряжении на коллекторе ток коллектора начинает возрастать, так как возникает процесс лавинного (или теплового) про­боя коллекторного перехода транзистора.

Из анализа ВАХ транзистора следует, что транзистор, как и диод, относится к нелинейным элементам. Однако в активном режиме при u КЭ > U НАС ток коллектора транзистора изменяется примерно прямо пропорционально приращениям входного управляющего напряжения на базе транзистора, т.е. выходная цепь транзистора близка по свойствам к идеальному управляемому источнику тока. Ток коллектора в активном режиме практически не зависит от нагрузки, подключаемой к коллектору транзистора.

На рис. 1.20 показана простейшая линейная эквивалентное схема транзистора , полученная для активного режима работы при подаче на транзистор малых по амплитуде переменных сигналов (U m < 0,1 В). Основным элементом этой схемы является источник тока, управляемый входным напряжением:

I K = SU БЭ ,

где S – крутизна транзистора, равная для маломощных транзисторов 10…100 мА/В.

Сопротивление r КЭ характеризует потери энергии в коллекторной цепи. Его значение для маломощных транзисторов равно десяткам и сотням килоом. Сопротивление эмиттерного перехода (r БЭ ) равно сотням ом или единицам килоом. Это сопротивление характеризует потери энергии на управление транзистором. Значения параметров эквивалентной схемы можно найти, указывая рабочие точки на входных и выходных ВАХ тран­зистора и определяя соответствующие производные в этих рабочих точках (или задавая в рабочих точках приращения соответствующих токов и напряжений).

Название полупроводникового прибора транзистор образовано из двух слов: transfer – передача + resist – сопротивление. Потому что его действительно можно представить в виде некоторого сопротивления, которое будет регулироваться напряжением одного электрода. Транзистор иногда еще называют полупроводниковым триодом.

Создан первый биполярный транзистор был в 1947 году, а в 1956 году за его изобретение трое ученых были удостоены нобелевской премии по физике.

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, который состоит из трех полупроводников с чередующимся типом примесной проводимости. К каждому слою подключен и выведен электрод. В биполярном транзисторе используются одновременно заряды, носители которых электроны (n - “ negative ”) и дырки (p – “ positive ”), то есть носители двух типов, отсюда и образование приставки названия «би» - два.

Транзисторы различаются по типу чередования слоев:

P n p -транзистор (прямая проводимость);

Npn- транзистор (обратная проводимость).

База (Б) – это электрод, который подключен к центральному слою биполярного транзистора. Электроды от внешних слоев именуются эмиттер (Э) и коллектор (К).

Рисунок 1 – Устройство биполярного транзистора

На схемах обозначаются « VT », в старой русскоязычной документации можно встретить обозначения «Т», «ПП» и «ПТ». Изображаются биполярные транзисторы на электрических схемах, в зависимости от чередования проводимости полупроводников, следующим образом:

Рисунок 2 – Обозначение биполярных транзисторов

На рисунке 1, изображенном выше, отличие между коллектором и эмиттером не видны. Если посмотреть на упрощенное представление транзистора в разрезе, то видно, что площадь p - n перехода коллектора больше чем у эмиттера.

Рисунок 3 – Транзистор в разрезе

База изготовляется из полупроводника со слабой проводимостью, то есть сопротивление материала велико. Обязательное условие – тонкий слой базы для возможности возникновения транзисторного эффекта. Так как площадь контакта p - n перехода у коллектора и эмиттера разные, то менять полярность подключения нельзя. Эта характерность относит транзистор к несимметричным устройствам.

Биполярный транзистор имеет две ВАХ (вольт амперные характеристики): входную и выходную.

Входная ВАХ – это зависимость тока базы (I Б ) от напряжения база-эмиттер (U БЭ ).

Рисунок 4 – Входная вольтамперная характеристика биполярного транзистора

Выходная ВАХ – это зависимость тока коллектора (I К ) от напряжения коллектор-эмиттер (U КЭ ).

Рисунок 5 – Выходная ВАХ транзистора

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на npn типе, для pnp аналогично, только рассматриваются не электроны, а дырки. Транзистор имеет два p-n перехода . В активном режиме работы один из них подключен с прямым смещением, а другой – обратным. Когда переход ЭБ открыт, то электроны с эмиттера легко перемещаются в базу (происходит рекомбинация). Но, как говорилось ранее, слой базы тонкий и проводимость ее мала, по этому часть электронов успевает переместиться к переходу база-коллектор. Электрическое поле помогает преодолеть (усиливает) барьер перехода слоев, так как электроны здесь неосновные носители. При увеличении тока базы, переход эмиттер-база откроется больше и с эмиттера в коллектор сможет проскочить больше электронов. Ток коллектора пропорционален току базы и при малом изменении последнего (управляющий), коллекторный ток значительно меняется. Именно так происходит усиления сигнала в биполярном транзисторе.

Рисунок 6 – Активный режим работы транзистора

Смотря на рисунок можно объяснить принцип действия транзистора чуть проще. Представьте себе, что КЭ – это водопроводная труба, а Б – кран, с помощью которого Вы можете управлять потоком воды. То есть, чем больше ток вы подадите на базу, тем больше получите на выходе.

Значение коллекторного тока почти равно току эмиттера, исключая потери при рекомбинации в базе, которая и образовывает ток базы, таким образом справедлива формула:

І Э =І Б +І К.

Основные параметры транзистора:

Коэффициент усиления по току – отношение действующего значения коллекторного тока к току базы.

Входное сопротивление – следуя закону Ома оно будет равно отношению напряжения эмиттер-база U ЭБ к управляющему току I Б .

Коэффициент усиления напряжения – параметр находится отношением выходного напряжения U ЭК к входному U БЭ .

Частотная характеристика описывает способность работы транзистора до определенной, граничной частоты входного сигнала. После превышения предельной частоты физические процессы в транзисторе не будут успевать происходить и его усилительные способности сведутся на нет.

Схемы включения биполярных транзисторов

Для подключения транзистора нам доступны только его три вывода (электрода). По этому для его нормальной работы требуются два источника питания. Один электрод транзистора будет подключаться к двум источникам одновременно. Следовательно, существуют 3 схемы подключения биполярного транзистора: ОЭ – с общим эмиттером, ОБ – общей базой, ОК – общим коллектором. Каждая обладает как преимуществами, так и недостатками, в зависимости от области применения и требуемых характеристик делают выбор подключения.

Схема включения с общим эмиттером (ОЭ) характеризуется наибольшим усилением тока и напряжения, соответственно и мощности. При данном подключении происходит смещение выходного переменного напряжения на 180 электрических градусов относительно входного. Основной недостаток – это низкая частотная характеристика, то есть малое значение граничной частоты, что не дает возможность использовать при высокочастотном входном сигнале.

(ОБ) обеспечивает отличную частотную характеристику. Но не дает такого большого усиления сигнала по напряжению как с ОЭ. А усиление по току не происходит совсем, поэтому данную схему часто называют токовый повторитель, потому что она имеет свойство стабилизации тока.

Схема с общим коллектором (ОК) имеет практически такое же усиление по току как и с ОЭ, а вот усиление по напряжению почти равно 1 (чуть меньше). Смещение напряжения не характерно для данной схемы подключения. Ее еще называю эмиттерный повторитель, так как напряжение на выходе (U ЭБ ) соответствуют входному напряжению.

Применение транзисторов:

Усилительные схемы;

Генераторы сигналов;

Электронные ключи.

Добавлено 21 октября 2016 в 17:45

Глава 2 - Теория твердотельных приборов

Биполярный транзистор был назван так, потому что его работа предполагает движение двух носителей заряда: электронов и дырок в одном и том же кристалле. Первый биполярный транзистор был изобретен в Bell Labs Уильямом Шокли, Уолтером Браттейном и Джоном Бардином в конце 1947 года, и поэтому публикации о нем не появлялись до 1948 года. Таким образом, многие тексты различаются по дате изобретения. Браттейн изготовил германиевый точечный транзистор, который имел некоторое сходство с точечным диодом. В течение месяца у Шокли появился более практичный плоскостной биполярный транзистор, который мы опишем ниже. В 1956 году за изобретение транзистора они были удостоены Нобелевской премии по физики.

Биполярный транзистор, показанный на рисунке ниже (a), - это NPN трехслойный полупроводниковый сэндвич с эмиттером и коллектором на концах и базой между ними. Это как если бы к двухслойному диоду был добавлен третий слой. Но если бы это было единственным требованием, было бы достаточно иметь пару расположенных «спина к спине» диодов. Да и изготовить пару диодов, расположенных «спина к спине», гораздо проще. Но основой изготовления биполярного транзистора является создание среднего слоя, базы, такого тонкого насколько это возможно без замыкания внешних слоев, эмиттера и базы. Невозможно переоценить важность тонкой области базы.

Полупроводниковый прибор на рисунке ниже (a) имеет два перехода, между эмиттером и базой и между базой и коллектором, и две обедненные области.

(a) Биполярный NPN транзистор.
(b) Применение обратного смещения к переходу база-коллектор.

На переход база-коллектор биполярного транзистора принято подавать обратное смещение, как показано на рисунке выше (b). Обратите внимание, что это увеличивает ширину обедненной области. Напряжение обратного смещения для большинства транзисторов может находиться в диапазоне от нескольких вольт до десятков вольт. В данный момент в коллекторной цепи нет тока, кроме тока утечки.

На рисунке ниже (a) добавлен еще один источник напряжения в цепь между эмиттером и базой. Обычно мы прикладываем к переходу эмиттер-база прямое смещение, преодолевающее потенциальный барьер 0,6В. Это похоже на прямое смещение полупроводникового диода. Источник напряжения должен превышать 0,6В, чтобы основные носители (электроны для NPN) начали протекать от эмиттера в базу, становясь неосновными носителями заряда в полупроводнике P-типа.

Если бы область базы была толстой, как в паре расположенный «спина к спине» диодов, весь ток, поступающий в базу, утекал бы через вывод базы. В нашем примере NPN транзистора электроны, выходящие из эмиттера в базу, будут объединяться с дырками в базе, освобождая место для большего числа дырок, которые будут созданы на (+) выводе батареи, подключенного к базе, как только электроны уйдут.

Однако база изготавливается тонкой. Несколько основных носителей в эмиттере, введенных как неосновные носители в базу, действительно рекомбинируют. Смотрите рисунок ниже (b). Несколько электронов, введенных эмиттером в базу NPN транзистора, попадают в дырки. Также несколько электронов, вошедших в базу, потекут напрямую через базу к положительной клемме батареи. Большая часть эмиттерного потока электронов диффундирует через тонкую базу в коллектор. Кроме того, изменение небольшого тока базы приводит к большим изменениям тока коллектора. Если напряжение на базе падает ниже примерно 0,6 вольт для кремниевого транзистора, то перестает течь большой ток эмиттер-коллектор.

Биполярный NPN транзистор с обратным смещением перехода коллектор-база: (a) добавление прямого смещения к переходу база-эмиттер дает в результате (b) маленький ток базы и большие токи эмиттера и коллектора.

На рисунке ниже мы более внимательно рассмотрим механизм усиления тока. У нас есть увеличенный вид переходов биполярного NPN транзистора с акцентом на тонкую область базы. Хотя это не показано, мы предполагаем, что подключены внешние источники напряжения: (1) прямое смещение перехода эмиттер-база, (2) обратное смещение перехода база-коллектор. Электроны, основные носители, входят в эмиттер от клеммы (-) батареи. Ток базы соответствует электронам, покидающим вывод базы к выводу (+) батареи. Впрочем, это небольшой ток по сравнению с током эмиттера.

Электроны, входящие в базу:
(a) Утерянные в результате рекомбинации с дырками базы.
(b) Выходящие из вывода базы.
(c) Большинство диффундирует из эмиттера через тонкую базу в обедненную область база-коллектор,
и (d) быстро захватываются сильным электрическим полем обедненной области в коллектор.

Основными носителям внутри эмиттера N-типа являются электроны, становящиеся неосновными носителями, когда входят в базу P-типа. У этих электронов, попадающих в тонкую базу P-типа, есть четыре возможных варианта. Несколько электронов (на рисунке (a) выше) попадают в дырки в базе, что способствует протеканию тока к выводу базы от клеммы (+) батареи. Это не показано, но дырки в базе могут диффундировать в эмиттер и объединяться с электронами, способствуя протеканию тока через вывод базы. Несколько (b) протекают через базу к выводу (+) батареи, как если бы база была просто резистором. Обе группы электронов, и (a) и (b), вносят очень маленький вклад в ток базы. Для маломощных транзисторов ток базы обычно составляет 1% от тока эмиттера или коллектора. Большая часть электронов эмиттера диффундирует сквозь тонкую базу (c) в обедненную область база-коллектор. Обратите внимание на полярность обедненной области, окружающей электрон на рисунке (d). Сильное электрическое поле быстро сметает электрон в коллектор. Сила поля пропорциональна напряжению батареи коллектора. Таким образом, 99% эмиттерного тока поступает в коллектор. Он управляется током базы, который составляет 1% от тока эмиттера. Это потенциальное усиление тока в 99 раз, отношение I К /I Б, также известное как бета β.

Это потрясающе, распространение 99% носителей эмиттера через базу возможно, только если база очень тонкая. Что было бы с основными носителями эмиттера, если бы база была в 100 раз толще? Можно было бы ожидать увеличения рекомбинации, число электронов, попадающих в дырки, было бы намного больше. Может быть 99%, а не 1%, попало бы в дырки, никогда не достигнув коллектора. Второй момент состоит в том, что ток базы может управлять 99% тока эмиттера, только если 99% тока эмиттера диффундирует в коллектор. Если бы весь ток вытекал из базы, никакое управление не было бы возможно.

Еще одна особенность, необходимая для передачи 99% электронов из эмиттера в коллектор, заключается в том, что реальные биполярные транзисторы используют небольшой сильно легированный эмиттер. Высокая концентрация электронов эмиттера заставляет больше электронов диффундировать в базу. Более низкая концентрация легирующей примеси в базе означает, что меньшее количество дырок диффундирует в эмиттер, которые могли бы увеличить ток базы. Распространение носителей заряда от эмиттера к базе пользуется большим преимуществом.

Тонкая база и сильно легированный эмиттер помогают сохранить высокую эффективность эмиттера, например, 99%. Это соответствует тому, что 100% тока эмиттера разделяется между базой (1%) и коллектором (99%). Эффективность эмиттера известна, как α = I К /I Э.

Биполярные транзисторы могут иметь структуру как NPN, так и PNP. Мы приведем сравнение этих двух структур на рисунке ниже. Разница заключается в полярности PN-переходов база-эмиттер, что и обозначено направлением стрелки эмиттера на условном графическом обозначении. Она указывает в том же направлении, как и стрелка анода диода, противоположно направлению движения электронов.

Смотрите условное обозначение на изображении в P-N переход . Начало стрелки и ее конец соответствуют полупроводникам P-типа и N-типа, соответственно. Для эмиттеров NPN и PNP транзисторов стрелка указывает по направлениям от базы и к базе, соответственно. На условном обозначении нет стрелки на коллекторе. Тем не менее, переход база-коллектор имеет ту же полярность, как диод, что и переход база-эмиттер. Обратите внимание, что мы говорим о полярности диода, а не источника питания.

Сравните NPN транзистор (a) с PNP транзистором (b). Обратите внимание на стрелку эмиттера и полярности источника питания.

Источники напряжения для PNP транзисторов перевернуты по сравнению с NPN транзисторами, как показано на рисунке выше. Переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении в обоих случаях. На базу PNP транзистора подается отрицательное смещение (b), по сравнению с положительным (a) для NPN транзистора. В обоих случаях переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Источник питания коллектора PNP транзистора имеет отрицательную полярность, по сравнению с положительной для NPN транзистора.

Биполярный плоскостной транзистор (BJT): (a) поперечное сечение отдельного прибора, (b) условное графическое обозначение, (c) поперечное сечение интегральной микросхемы.

Обратите внимание, что биполярный транзистор (BJT) на рисунке (a) выше имеет сильное легирование в эмиттере, обозначенное N + . База обладает нормальным уровнем P-легирования. База намного тоньше, чем показано на рисунке поперечного сечения не в масштабе. Коллектор легирован слабо, что обозначено с помощью N - . Коллектор должен быть легирован так слабо, чтобы переход коллектор-база обладал высоким напряжением пробоя. Это приводит к высокому допустимому напряжению источника питания коллектора. Напряжение пробоя у маломощных кремниевых транзисторов составляет 60-80 вольт. Для высоковольтных транзисторов оно может достигать сотен вольт. Коллектор также должен быть сильно легирован для уменьшения резистивных потерь, если транзистор должен работать с большими токами. Эти противоречивые требования удовлетворяются за счет более сильного легирования коллектора в области металлического контакта. Коллектор около базы легирован слабо по сравнению с эмиттером. Сильное легирование в эмиттере дает низкое напряжение пробоя перехода эмиттер-база, которое составляет примерно 7 вольт для маломощных транзисторов. Сильнолегированный эмиттер делает переход эмиттер-база при обратном смещении, похожим по характеристикам на стабилитрон.

Основание биполярного плоскостного транзистора, пластина из полупроводника, - это коллектор, установленный (в случае мощных транзисторов) на металлическом корпусе. То есть, металлический корпус электрически соединен с коллектором. Основание маломощных транзисторов может быть заключено в эпоксидную смолу. В мощных транзисторах алюминиевые соединительные провода подключаются к базе и эмиттеру и соединяются с выводами корпуса. Основания маломощных транзисторов могут устанавливаться непосредственно на выводящих проводниках. На одном кристалле может быть изготовлено несколько транзисторов, что будет называться интегральной схемой. Коллектор даже может быть установлен не на корпусе, а на выводе. Интегральная схема может содержать внутренние проводники, соединяющие транзисторы и другие интегрированные компоненты. Встроенный биполярный транзистор, показанный на рисунке (c) выше, намного тоньше, чем показано на рисунке «не в масштабе». Область P + изолирует несколько транзисторов в одном кристалле. Алюминиевый слой металлизации (не показан) соединяет между собой несколько транзисторов и другие компоненты. Область эмиттера сильно легирована N + по сравнению с базой и коллектором для того, чтобы повысить эффективность эмиттера.

Дискретные PNP транзисторы почти столь же высокого качества, как и NPN транзисторы. Тем не менее, интегрированные PNP транзисторы не так хороши, как NPN в аналогичном кристалле интегральной схемы. Таким образом, интегральные схемы по максимуму используют NPN транзисторы.

Подведем итоги

• Биполярные транзисторы проводят ток, используя и электроны, и дырки в одном приборе.
• Функционирование биполярного транзистора, как усилителя тока, требует, чтобы на переход коллектор-база было подано обратное смещение, а на переход эмиттер-база - прямое.
• Транзистор отличается от пары соединенных «спина к спине» диодов тем, что база (центральный слой) очень тонкая. Это позволяет основным носителям заряд из эмиттера диффундировать, как неосновные носители, через базу в обедненную область перехода база-коллектор, где их подбирает сильное электрическое поле.
• Эффективность эмиттера улучшается более сильным легированием по сравнению с коллектором. Эффективность эмиттера: α = I C /I E , составляет 0,99 для маломощных транзисторов.
• Усиление по току: β=I C /I B , для маломощных транзисторов лежит в диапазоне от 100 до 300.

Транзистор

Транзистор - полупроводниковый прибор позволяющий с помощью слабого сигнала управлять более сильным сигналом. Из-за такого свойства часто говорят о способности транзистора усиливать сигнал. Хотя фактически, он ничего не усиливает, а просто позволяет включать и выключать большой ток гораздо более слабыми токами. Транзисторы весьма распространены в электронике, ведь вывод любого контроллера редко может выдавать ток более 40 мА, поэтому, даже 2-3 маломощных светодиода уже не получится питать напрямую от микроконтроллера. Тут на помощь и приходят транзисторы. В статье рассматриваются основные типы транзисторов, отличия P-N-P от N-P-N биполярных транзисторов, P-channel от N-channel полевых транзисторов, рассматриваются основные тонкости подключения транзисторов и раскрываются сферы их применения.

Не стоит путать транзистор с реле. Реле — простой выключатель. Суть его работы в замыкании и размыкании металлических контактов. Транзистор устроен сложнее и в основе его работы лежит электронно-дырочный переход. Если вам интересно узнать об этом больше, вы можете посмотреть прекрасное видео, которое описывает работу транзистора от простого к сложному. Пусть вас не смущает год производства ролика — законы физики с тех пор не изменились, а более нового видео, в котором так качественно преподносится материал, найти не удалось:

Типы транзисторов

Биполярный транзистор

Биполярный транзисто предназначен для управления слабыми нагрузками (например, маломощные моторы и сервоприводы). У него всегда есть три вывода:

Коллектор (англ. collector) - подаётся высокое напряжение, которым транзистор управляет

• База (англ. base) - подаётся или отключается ток для открытия или закрытия транзистора

Эмиттер (англ. emitter) - «выпускной» вывод транзистоа. Через него вытекает ток от коллектора и базы.

Биполярный транзистор управляется током. Чем больший ток подаётся на базу, тем больший ток потечёт от коллектора к эмиттеру. Отношение тока, проходящего от эмиттера к коллектору к току на базе транзистора называется коэффициент усиления. Обозначается как h fe (в английской литературе называется gain ).

Например, если h fe = 150, и через базу проходит 0.2 мА, то транзистор пропустит через себя максимум 30 мА. Если подключен компонент, который потребляет 25 мА (например, светодиод), ему будет предоставлено 25 мА. Если же подключен компонент, который потребляет 150 мА, ему будут предоставлены только максимальные 30 мА. В документации к контакту указываются предельно допустимые значени токов и напряжений база->эмиттер и коллектор-> эмиттер . Превышение этих значений ведёт к перегреву и выходу из строя транзистора.

Весёлые картинки:

NPN и PNP биполярные транзисторы

Различают 2 типа полярных транзисторов: NPN и PNP . Отличаются они чередованием слоёв. N (от negative — отрицательный) - это слой с избытком отрицательных переносчиков заряда (электронов), P (от positive — положительный) - слой с избытком положительных переносчиков заряда (дырок). Подробнее о электронах и дырках рассказано в видео, приведённом выше.

От чередования слоёв зависит поведение транзисторов. На анимации выше представлен NPN транзистор. В PNP управление транзистором устроено наоборот — ток через транзистор течёт, когда база заземлена и блокируется, когда через базу пропускают ток. В отображении на схеме PNP и NPN отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает на переход от N к P :

Обозначение NPN (слева) и PNP (справа) транзисторов на схеме

NPN транзисторы более распространены в электронике, потому что являются более эффективными.

Полевый транзистор

Полевые транзисторы отличаются от биполярных внутренним устройством. Наиболее распространены в любительской электронике МОП транзисторы. МОП - это аббревиатура от металл-оксид-проводник. То-же самое по английски: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor сокращённо MOSFET. МОП транзисторы позволяют управлять большими мощностями при сравнительно небольших размерах самого транзистора. Управление транзистором обеспечивается напряжением, а не током. Поскольку транзистором управляет электрическое поле , транзистор и получил своё название - поле вой.

Полевые транзисторы имеют как минимум 3 вывода:

Сток (англ. drain) - на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять

Затвор (англ. gate) - на него подаётся напряжение для управления транзистором

Исток (англ. source) - через него проходит ток со стока, когда транзистор «открыт»

Здесь должна быть анимация с полевым транзистором, но она ничем не будет отличаться от биполярного за исключением схематического отображения самих транзисторов, поэтому анимации не будет.

N канальные и P канальные полевые транзисторы

Полевые транзисторы тоже делятся на 2 типа в зависимости от устройства и поведения. N канальный (N channel) открывается, когда на затвор подаётся напряжение и закрывается. когда напряжения нет. P канальный (P channel) работает наоборот: пока напряжения на затворе нет, через транзистор протекает ток. При подаче напряжения на затвор, ток прекращается. На схеме полевые транзисторы изображаются несколько иначе:

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.

Существует заблуждение, согласно которому полевой транзистор может управлять переменным током. Это не так. Для управления переменным током, используйте реле.

Транзистор Дарлингтона

Транзистора Дарлингтона не совсем корректно относить к отдельному типу транзисторов. Однако, не упомянуть из в этой статье нельзя. Транзистор Дарлингтона чаще всего встречается в виде микросхемы, включающей в себя несколько транзисторов. Например, ULN2003. Транзистора Дарлингтона характеризуется возможность быстро открываться и закрывать (а значит, позволяет работать с ) и при этом выдерживает большие токи. Он является разновидностью составного транзистора и представляет собой каскадное соединение двух или, редко, более транзисторов, включённых таким образом, что нагрузкой в эмиттере предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора следующего каскада, то есть транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер входного транзистора соединяется с базой выходного. Кроме того, в составе схемы для ускорения закрывания может использоваться резистивная нагрузка эмиттера предыдущего транзистора. Такое соединение в целом рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления по току которого, при работе транзисторов в активном режиме, приблизительно равен произведению коэффициентов усиления всех транзисторов.

Подключение транзистора

Не секрет, что плата Ардуино способна подать на вывод напряжение 5 В с максимальным током до 40 мА. Этого тока не хватит для подключения мощной нагрузки. Например, при попытке подключить к выводу напрямую светодиодную ленту или моторчик, вы гарантированно повредите вывод Ардуино. Не исключено, что выйдет из строя всё плата. Кроме того, некоторые подключаемые компоненты могут требовать напряжения более 5 В для работы. Обе эти проблемы решает транзистор. Он поможет с помощью небольшого тока с вывода Ардуино управлять мощным током от отдельного блока питания или с помощью напряжения в 5 В управлять бОльшим напряжением (даже самые слабые транзисторы редко имеют предельное напряжение ниже 50 В). В качестве примера рассмотрим подключение мотора:

На приведённой схеме мотор подключается к отдельному источнику питания. Между контактом мотора и источником питания для мотора мы поместили транзистора, который будет управляться с помощью любого цифрового пина Arduino. При подаче на вывод контроллера сигнала HIGH с вывода контроллера мы возьмём совсем небольшой ток для открытия транзистора, а большой ток потечёт через транзистор и не повредит контроллер. Обратите внимание на резистор, установленный между выводом Ардуино и базой транзистора. Он нужен для ограничения тока, протекающего по маршруту микроконтроллер - транзистор - земля и предотвращения короткого замыкания. Как упоминалось ранее, максимальный ток, который можно взять с вывода Arduino - 40 мА. Поэтому, нам понадобится резистор не менее 125 Ом (5В/0,04А=125Ом). Можно без опаски использовать резистор на 220 Ом. На самом деле, резистор стоит подбирать с учётом тока, который необходимо подать на базу для получения необходимого тока через транзистор. Для правильного подбора резистора нужно учитывать коэффициент усиления (h fe ).

ВАЖНО!! Если вы подключаете мощную нагрузку от отдельного блока питания, то необходимо физически соединить между собой землю («минус») блока питания нагрузки и землю (пин «GND») Ардуино. Иначе управлять транзистором не получится.

При использовании полевого транзистора, токоограничительный резистор на затворе не нужен. Транзистор управляется исключительно напряжением и ток через затвор не течёт.