Схема, принцип работы, характеристики биполярных транзисторов

Особенности устройства биполярного транзистора

Биполярный транзистор состоит из трех частей:

• эмиттер;
• основа очень тонкая, состоящая из слаболегированного полупроводника, сопротивление этой области высокое;
• коллектор — его площадь больше площади эмиттера.

К каждой области припаяны металлические контакты, которые служат для подключения устройства к электрической цепи.

Электропроводность коллектора и эмиттера одинакова и противоположна электропроводности базы. В зависимости от типа проводимости областей различают устройства pnp или npn. Устройства разбалансированы из-за разницы в площади контакта: между эмиттером и базой она намного меньше, чем между базой и коллектором. Следовательно, K и E нельзя поменять местами путем изменения полярности.

Виды транзисторов

По принципу действия и устройству полупроводниковые триоды различают:

• поле;
• биполярный;
• комбинированный.

Эти транзисторы выполняют ту же функцию, но есть различия в том, как они работают.

Полевые

Этот тип триода также называют униполярным из-за его электрических свойств: они имеют ток только одной полярности. По структуре и типу управления эти устройства делятся на 3 типа:

1. Управляющий транзистор pn переход (рис. 6).
2. С изолированным затвором (доступен со встроенным или с индуцированным каналом).
3. МДП, строение: металл-диэлектрик-проводник.

Отличительной особенностью изолированного затвора является наличие диэлектрика между ним и каналом.

Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

Цепи полевого триода показаны на рисунке 5.

Обратите внимание на название электродов — сток, исток и затвор.

Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут проработать более года от небольшой батареи или перезаряжаемой батареи. Поэтому они широко используются в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные гаджеты и т.д.

Биполярные

Об этом типе транзисторов много сказано в подразделе «Принцип работы». Отметим только, что название устройства «Биполярный» было получено из-за способности пропускать по каналу заряды разного знака. Их характеристика — низкий выходной импеданс.

Транзисторы усиливают сигналы, функционируют как коммутационные устройства. В коллекторную цепь можно подключить достаточно мощную нагрузку. Из-за высокого тока коллектора сопротивление нагрузки может быть уменьшено.

Более подробно устройство и принцип работы мы рассмотрим ниже.

Комбинированные

Чтобы получить определенные электрические параметры от использования дискретного элемента, разработчики транзисторов придумывают комбинированные конструкции. Среди них:

• биполярные транзисторы со встроенными резисторами и их схемы;
• комбинации двух триодов (одинаковой или разной конструкции) в одном корпусе;
• лямбда-диоды — комбинация двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением;
• проекты, в которых триод с изолированным полем затвора управляет биполярным триодом (используется для управления электродвигателями).

Комбинированные транзисторы представляют собой, по сути, элементарную микросхему в едином корпусе.

Принцип работы биполярного транзистора

Этот тип транзистора имеет два перехода:

• электронный зазор между эмиттером и базой — эмиттером;
• между коллектором и цоколем — коллектор.

Расстояние между переходами небольшое. Для высокочастотных деталей он составляет менее 10 мкм, для низкочастотных деталей — до 50 мкм. Для активации устройства на него подается питание от стороннего IP-адреса. Принцип работы биполярных транзисторов с pnp- и npn-переходами одинаков. Переходы могут работать в прямом и обратном направлении, что определяется полярностью приложенного напряжения.

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим подробнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что эта схема не совсем верна. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного тока. Но в этом случае будет проще и понятнее понять сам механизм усиления с помощью биполярного транзистора. Кроме того, тот же метод расчета в следующем примере несколько упрощен.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, предположим, что у нас есть транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключаем относительно мощный блок питания на 20В, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подключите слабый источник питания 2 В. К нему последовательно подключаем источник синусоидального переменного напряжения с амплитудой колебаний 0,1В. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы нужен для ограничения тока от источника сигнала, который обычно слабый.

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь давайте рассчитаем базовый ток Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, мы должны рассчитать два значения тока: при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Эти значения тока мы называем соответственно Ibmax и Ibmin.

Также для расчета тока базы необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером имеется PN переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить, составляет примерно 0,6 В. Мы не будем вдаваться в подробности вольт-амперной характеристики диода и для простоты расчета возьмем примерную модель, согласно которой напряжение на токоведущем диоде всегда равно 0,6 В. Это означает, что напряжение между базой а эмиттер VBE = 0,6V. А поскольку эмиттер заземлен (VE = 0), напряжение база-земля также составляет 0,6 В (VB = 0,6 В).

Мы рассчитываем Ibmax и Ibmin по закону Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора IС

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно легко рассчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора (Icmax и Icmin).

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось рассчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В этой схеме это напряжение коллектора VC.

Коллекторный ток протекает через резистор Rc, который мы уже рассчитали. Осталось заменить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax меньше VCmin. Это связано с тем, что напряжение на резисторе VRc вычитается из напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала — амплитуда, которая увеличилась с 0,1 В до 1 В. Частота и форма синусоиды не изменились. Конечно, десятикратное соотношение Vout / Vin — далеко не лучшее значение для усилителя, но можно проиллюстрировать процесс усиления.

Итак, резюмируем принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу протекает ток Ib, несущий постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая требуется для того, чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал «открываться». Фактически, переменная составляющая — это сам сигнал (полезная информация). Ток коллектор-эмиттер внутри транзистора является результатом умножения тока базы на коэффициент усиления. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором является результатом умножения усиленного тока коллектора на номинал резистора.

Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с большей амплитудой колебаний, но с той же формой и частотой. Важно отметить, что транзистор получает питание для усиления от источника питания VCC. При недостаточном питающем напряжении транзистор не сможет полноценно функционировать и выходной сигнал может быть искажен.

Режимы работы биполярных транзисторов

Режим отсечки

Ступени закрыты, устройство не работает. Этот режим достигается повторным подключением к внешним источникам. Через оба перехода протекают небольшие обратные коллекторные и эмиттерные токи. Часто предполагается, что в этом режиме устройство разрывает цепь.

Активный инверсный режим

это промежуточное звено. Переход БК открыт, а база эмиттера закрыта. Базовый ток в этом случае намного меньше токов E и K. Усилительные характеристики биполярного транзистора в этом случае отсутствуют. Этот режим мало востребован.

Режим насыщения

Устройство полностью открыто. Оба перехода подключены к источникам тока в прямом направлении. Это снижает потенциальный барьер, ограничивающий проникновение носителей заряда. Токи, называемые «токами насыщения», начинают течь через эмиттер и коллектор».

Схемы включения биполярных транзисторов

В зависимости от контакта, на который подается источник питания, различают 3 схемы включения устройств.

С общим эмиттером

Эта схема включения биполярных транзисторов обеспечивает наибольший прирост вольт-амперных характеристик (ВАХ), поэтому является наиболее востребованной. Недостатком этого варианта является ухудшение усилительных свойств устройства при повышении частоты и температуры. Это означает, что для высокочастотных транзисторов рекомендуется использовать другую схему.

С общей базой

Используется для работы на высоких частотах. Уровень шума небольшой, усиление не очень высокое. В антенных усилителях требуются каскады устройств, собранные по этой схеме. Недостатком этого варианта является необходимость использования двух блоков питания.

С общим коллектором

Для этого варианта характерна передача входного сигнала на вход, что значительно снижает его уровень. Коэффициент усиления по току большой, а коэффициент усиления по напряжению небольшой, что является недостатком этого метода. Схема подходит для каскадных устройств в тех случаях, когда входной источник имеет высокое входное сопротивление.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

Работа биполярных транзисторов основана на свойствах полупроводников и их комбинаций. Чтобы понять принцип работы триодов, попробуем разобраться в поведении полупроводников в электрических цепях.

Полупроводники.

Некоторые кристаллы, например кремний, германий и другие, являются диэлектриками. Но у них есть одна особенность — если добавить какие-то примеси, они станут проводниками с особыми свойствами.

Одни добавки (доноры) приводят к появлению свободных электронов, другие (акцепторы) образуют «дырки».

Если, например, кремний легирован фосфором (донор), мы получим полупроводник с избытком электронов (структура n-Si). При добавлении бора (акцептора) легированный кремний станет полупроводником с дырочной проводимостью (p-Si), то есть в его структуре будут преобладать положительно заряженные ионы.

Односторонняя проводимость.

Мы проводим мысленный эксперимент: мы подключаем два разных типа полупроводников к источнику питания и даем энергию нашей структуре. Произойдет что-то неожиданное. Если подключить отрицательный провод к кристаллу n-типа, цепь замкнется. Однако, когда мы изменим полярность, в цепи не будет электричества. Почему так происходит?

В результате соединения кристаллов с разным типом проводимости между ними образуется область с pn переходом. Часть электронов (носителей заряда) из кристалла n-типа будет течь в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинировать дырки в зоне контакта.

В результате возникают нескомпенсированные заряды: в области n-типа от отрицательных ионов и в области p-типа от положительных ионов. Разность потенциалов достигает значений от 0,3 до 0,6 В.

Связь между напряжением и концентрацией примесей можно выразить формулой:

φ = VT * ln (Nn * Np) / n2i, где

VT — величина термодинамического напряжения, Nn и Np — концентрация электронов и дырок соответственно, а ni — собственная концентрация.

Когда плюс подключен к p-проводнику, а минус — к полупроводнику n-типа, электрические заряды преодолеют барьер, поскольку их движение будет направлено против электрического поля внутри pn-перехода. В этом случае переход открыт. Но если полюса поменять местами, переход закроется. Отсюда вывод: pn переход образует одностороннюю проводимость. Это свойство используется в конструкции диодов.

От диода к транзистору.

Усложняем эксперимент. Давайте добавим еще один слой между двумя полупроводниками с одноименными структурами. Например, между кремниевыми пластинами p-типа мы вставляем проводящий слой (n-Si). Что будет в контактных зонах, догадаться несложно. По аналогии с описанным выше процессом формируются области с pn переходами, которые будут блокировать движение электрических зарядов между эмиттером и коллектором, независимо от полярности тока.

Самое интересное происходит, когда мы слегка натягиваем прослойку (основу). В нашем случае мы подаем ток с отрицательным знаком. Как и в случае с диодом, формируется цепь эмиттер-база, по которой будет течь ток. При этом прослойка начнет насыщаться дырками, что приведет к проводимости дырок между эмиттером и коллектором.

Посмотрите на рис. 7. Он показывает, что положительные ионы заполнили все пространство нашей обычной конструкции, и теперь ничто не мешает прохождению тока. У нас есть визуальная модель биполярного pnp-транзистора.

При обесточивании базы транзистор очень быстро возвращается в исходное состояние и коллекторный переход закрывается.

Устройство также может работать в режиме усиления.

Ток коллектора прямо пропорционален току базы: Ik = ß * IB, где ß — коэффициент усиления по току, IB — ток базы.

Если изменить значение управляющего тока, изменится интенсивность образования дырок на основании, что приведет к пропорциональному изменению амплитуды выходного напряжения при сохранении частоты сигнала. Этот принцип используется для усиления сигналов.

Подавая слабые импульсы на базу, на выходе мы получаем ту же частоту усиления, но с гораздо большей амплитудой (устанавливается величиной напряжения, приложенного к цепи коллектор-эмиттер).

Транзисторы NPN работают аналогично. Меняется только полярность напряжений. Устройства со структурой npn имеют прямую проводимость. Обратной проводимости являются транзисторы типа pnp.

Остается добавить, что полупроводниковый кристалл аналогично реагирует на ультрафиолетовый спектр света. Включая и выключая поток фотонов или регулируя его интенсивность, вы можете проверить работу триода или изменить сопротивление полупроводникового резистора.

Схемы включения биполярного транзистора

Схемы подключения схемотехники следующие: с общей базой, с общими эмиттерными электродами и розжиг с общим коллектором (рис. 8).

Усилители с общей базой характеризуются:

• низкий входной импеданс, не превышающий 100 Ом;
• хорошие температурные свойства и частотные характеристики триода;
• высокое допустимое напряжение;
• требуется два разных источника питания.

Схемы с общим эмиттером имеют:

• высокие коэффициенты усиления по току и напряжению;
• низкие коэффициенты усиления мощности;
• инверсия выходного напряжения по отношению к входному.

При таком подключении достаточно источника питания.

Схема подключения по принципу «общий коллектор» предусматривает:

• высокий входной импеданс и низкий выход;
• низкий коэффициент усиления по напряжению (<1).

Как работает полевой транзистор? Пояснение для чайников

Конструкция полевого транзистора отличается от биполярного тем, что ток в нем не проходит через области pn перехода. Заряды движутся по регулируемой области, называемой воротами. Емкость затвора регулируется напряжением.

Пространство pn-зоны уменьшается или увеличивается под действием электрического поля (см. Рис. 9). В результате количество свободных векторов изменяется от полного разрушения до окончательного насыщения. В результате этого воздействия на затвор регулируется ток на электродах стока (контактах, излучающих обработанный ток). Входящий ток протекает через контакты источника.

Полевые триоды с интегрированным и индуцированным каналами работают по схожему принципу. Вы видели их схемы на рисунке 5.

Схемы включения полевого транзистора

На практике схемы подключения используются по аналогии с биполярным триодом:

• с общим источником — дает большое усиление тока и мощности;
• общие схемы затвора, обеспечивающие низкий входной импеданс и низкий коэффициент усиления (ограниченное использование);
• общий сток, который работает так же, как и схемы с общим эмиттером.

На рисунке 10 показаны различные схемы подключения.

Большинство схем способны работать при очень низких входных напряжениях.

Какие параметры учитывают при выборе биполярного транзистора?

• Материал, из которого он сделан, — арсенид галлия или кремний.
• Частота. Это может быть — сверхвысокий (более 300 МГц), высокий (30–300 МГц), средний — (3–30 МГц), низкий (менее 3 МГц).
• Максимальная рассеиваемая мощность.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току — это отношение тока коллектора IC к току базы IB. Обозначается буквами β, hfe или h21e, в зависимости от специфики вычислений, проводимых с транзисторами.

является постоянным значением для транзистора и зависит от физической структуры устройства. Высокий коэффициент усиления исчисляется сотнями единиц, низкий — десятками. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если они были «конвейерными соседями» во время производства, это может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора, пожалуй, самая важная. В то время как другие параметры устройства часто могут быть упущены из виду при расчетах, реальный выигрыш практически невозможен.

Входное сопротивление — это сопротивление транзистора, которое «встречает» ток базы. Его называют Рин (Рин). Чем он больше, тем лучше для усилительных характеристик устройства, так как обычно на стороне базы находится источник слабого сигнала, от которого необходимо потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант — когда входное сопротивление бесконечно.

Rin для среднего биполярного транзистора составляет несколько сотен кОм (килоом). Здесь биполярный транзистор сильно проигрывает по сравнению с полевым транзистором, у которого входное сопротивление достигает сотен ГОм (гигаом).

Выходная проводимость — это проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем выше выходная проводимость, тем больше ток коллектор-эмиттер, который может пройти через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую усилитель может выдержать с незначительными потерями в общем усилении. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подключении нагрузки 1 кОм он уже усилится только в 50 раз. Транзистор с таким же усилением, но с более высокой выходной проводимостью будет иметь меньшее падение усиления. Идеальный вариант — когда выходная проводимость бесконечна (или выходное сопротивление Rout = 0 (Rout = 0)).

Амплитудно-частотная характеристика — зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входного сигнала. По мере увеличения частоты способность транзистора усиливать сигнал постепенно уменьшается. Причина тому — паразитные емкости, образующиеся в PN-переходах. Транзистор реагирует не мгновенно на изменения входного сигнала в базе, а с некоторым замедлением из-за времени, необходимого для заполнения этих зарядных емкостей. Поэтому на очень высоких частотах транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.