Все о биполярных транзисторах: принцип действия и режим их работы, схемы включения и способы проверки на работоспособность

Биполярные транзисторы

Транзисторы можно рассматривать как переключатели, как и многие электронные компоненты, такие как реле или электронные лампы. Транзисторы используются в различных схемах, и даже сейчас, когда микросхемы широко используются, схема обходится без них. Есть два основных типа биполярных транзисторов: npn и pnp, они различаются проводимостью.

Два близких по параметрам транзистора разной проводимости называются комплементарной парой. Если в схеме, например, в усилителе, один тип транзистора заменяется транзисторами другого типа с аналогичными параметрами (не забывая менять полярность питающих напряжений, электролитических конденсаторов и полупроводниковых диодов), в схеме он будет работать точно так же, за исключением микроволнового диапазона, поскольку npn-транзисторы имеют более высокую частоту, чем pnp, и здесь может быть невозможно выбрать дополнительную пару.

Биполярный транзистор — это трехэлектродный полупроводниковый прибор, разновидность транзистора. Электроды соединены с тремя последовательно расположенными полупроводниковыми слоями с чередующимся типом примесной проводимости.

Чаще всего в схемах используются транзисторы структуры npn. Это связано с тем, что в схемах эмиттеры транзисторов подключены к отрицательному источнику питания.

В результате общий провод схемы также будет подключен к отрицательной клемме источника питания, что является общепринятым стандартом.

Транзисторы бывают разных корпусов, но все они имеют три вывода (у высокочастотных транзисторов иногда четвертый вывод прикреплен к металлическому корпусу — экрану):

• База — это управляющий выход;
• Коллектор имеет положительный потенциал (для NPN-транзистора);
• Эмиттер имеет отрицательный потенциал (для NPN-транзистора).

это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

Основные параметры биполярных транзисторов.

Давайте теперь рассмотрим, какие параметры существуют у биполярных транзисторов и какие предельные значения они могут принимать.

I_ {CBO} (I_ {CBO}) — обратный ток коллектора — ток через коллекторный переход при некотором обратном напряжении на стыке коллектор-база и обрыв цепи эмиттера.

I_ {EBO} (I_ {EBO}) — обратный ток эмиттера — ток через переход эмиттера при некотором обратном напряжении на переходе базы эмиттера и на выводе открытого коллектора.

I_ {KEO} (I_ {CEO}). Точно так же обратный ток коллектор-эмиттер — это ток в цепи коллектор-эмиттер при определенном обратном напряжении коллектор-эмиттер и на клемме разомкнутой базы.

U_ {BE} (V_ {BE}) — напряжение на переходе база-эмиттер при определенном напряжении коллектор-эмиттер и токе коллектора.

U_ {KB medspace of probe} (V _ {(BR) CBO}) — напряжение пробоя коллектор-база при определенном обратном токе коллектора и цепи разомкнутого эмиттера. Например, для того же BC847:

U_ {EB medspace of probes} (V _ {(BR) EBO}) — напряжение пробоя базы эмиттера при определенном обратном токе цепи эмиттера и открытого коллектора.

U_ {CE medspace of samples} (V _ {(BR) CES}) — напряжение пробоя коллектор-эмиттер при определенном прямом токе коллектора и разомкнутой цепи базы.

Напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер равны U_ {CE medspace us} (V_ {CEsat}) и U_ {BE medspace us} (V_ {BEsat}).

Конечно, наиболее важным параметром является статический коэффициент передачи тока для схемы с общим эмиттером — h_ {21e} (h_ {FE}). Для этого параметра обычно предоставляется диапазон возможных значений, то есть минимальное и максимальное значения.

f_ {gr} (f_ {T}) — частота среза коэффициента передачи тока транзистора для схемы с общим эмиттером. При использовании сигнала более высокой частоты транзистор нельзя использовать в качестве элемента усилителя.

И еще один параметр, который следует отнести к самому главному — I_ {K} (I_ {C}) — максимально допустимый постоянный ток коллектора.

Статические характеристики биполярного транзистора с ОБ.

Для снятия входных и выходных характеристик биполярного транзистора с ОВ используется схема как на рис. 7. В ней с помощью потенциометров R1 и R2 подаются необходимые напряжения с определенным током в цепи базы и коллектора.

Входные характеристики биполярного транзистора

Входные характеристики биполярного транзистора с OB показывают, как ток эмиттера Ie зависит от напряжения между эмиттером и базой Ueb при выбранном напряжении Ucb (рис. 8) для транзисторов с разной проводимостью.
Сравнивая входную характеристику биполярного транзистора с оригинальным, мы видим, что они похожи, но имеют и отличия.
Это, во-первых, при повышении напряжения на коллекторе ветви характеристик германиевых и кремниевых транзисторов смещаются влево миллиампер.
Исходя из входных характеристик биполярного транзистора с OB, можно определить те же параметры, что и OE: зависимость Ie от Ueb, входные сопротивления Rin_ и Rin~.
Используя параметры входной характеристики (рис.9), находим входные сопротивления в точке A:
Ueb = 0,225-0,175 = 0,05 В,
Т.е = 16-6 = 10 мА.
Rin_ = Ube / Ie = 0,2 / 10 • 10ˉ³ = 20 Ом,
Rin ~ = ∆Ueb / ∆Ie = 0,05 / 10 • 10ˉ³ = 5 Ом.
Вывод: входные сопротивления в цепи с ОВ намного ниже, чем с ОЭ, и обычно не превышают 100 Ом.

Выходные характеристики биполярного транзистора

На рисунке 10 показано семейство выходных характеристик биполярного транзистора MP42B, которые выражают зависимость тока коллектора Ic от выходного напряжения Ubc при определенном токе эмиттера Ie. Они чем-то похожи по выходным характеристикам с оригинальным комплектом, но также имеют большие отличия.
Одно из отличий состоит в том, что ток коллектора течет, даже когда напряжение коллектора равно нулю. Причина — наличие источника тока в цепи эмиттера.
Второе отличие состоит в том, что выходные характеристики в цепи с OB практически горизонтальны, а это значит, что выходное сопротивление больше, чем у OE, и может достигать до 2 МОм на переменном токе.

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.

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы транзистор включен так, что его эмиттерный переход смещен в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход — в противоположном направлении. Для наглядности рассмотрим транзистор npn, все рассуждения повторяются абсолютно аналогичным образом для случая транзистора pnp, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений с противоположными знаками.

В NPN-транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы. Некоторые из этих электронов рекомбинируют с большинством носителей заряда в базе (дырках), другие диффундируют в эмиттер.

Однако из-за того, что база очень тонкая и слегка легированная, большая часть электронов, инжектированных эмиттером, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле коллекторного перехода с обратным смещением захватывает электроны (помните, что они являются неосновными носителями в базе, поэтому переход открыт для них) и переносит их к коллектору. Следовательно, ток коллектора практически равен току эмиттера, за исключением небольших потерь из-за рекомбинации в базе, которая составляет базовый ток (Ie = Ib + Ik).

Коэффициент α, который связывает ток эмиттера и ток коллектора (Ik = α Ie), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Числовое значение коэффициента α 0,9 — 0,999, чем выше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжений база-коллектор и база-эмиттер.
В широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности β = α / (1-α) = (10-1000). То есть, изменяя небольшой базовый ток, можно управлять гораздо более высоким током коллектора.

Биполярный транзистор — это полупроводниковое устройство с электропреобразованием с одним или несколькими электрическими переходами, предназначенное для усиления, преобразования и генерации электрических сигналов. Вся конструкция выполнена на пластине из кремния, германия или другого полупроводника, в которой созданы три области с разными типами электропроводности.

Центральная область называется базой, одна из внешних областей — эмиттером, другая — коллектором. Следовательно, в транзисторе имеется два pn перехода: эмиттер — между базой и эмиттером и коллектор — между базой и коллектором.

Область базы должна быть очень тонкой, намного тоньше, чем области эмиттера и коллектора (это непропорционально показано на рисунке). От этого зависит условие хорошей работы транзистора. Транзистор работает в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах.

При работе в активном режиме напряжение направляется на эмиттерный переход и наоборот — на коллекторный переход. В режиме прерывания на оба перехода подается обратное напряжение. Если к этим переходам приложить прямое напряжение, транзистор будет работать в режиме насыщения.

Типы биполярных транзисторов.

Физические процессы

Возьмите транзистор NPN в режиме холостого хода, когда подключены только два постоянных напряжения питания E1 и E2. На стыке эмиттера напряжение прямое, на стыке коллектора — противоположное. Следовательно, сопротивление эмиттерного перехода невелико, и напряжения E1 в десятых долях вольта достаточно для получения нормального тока. Сопротивление коллекторного перехода высокое, а напряжение E2 обычно составляет десятки вольт.

Следовательно, как и раньше, маленькие темные кружки со стрелками — электроны, красные — дырки, большие кружки — положительно и отрицательно заряженные атомы доноров и акцепторов. Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода является характеристикой полупроводникового диода постоянного тока, а вольт-амперная характеристика коллекторного перехода аналогична вольт-амперной характеристике диода обратного тока.

Принцип работы транзистора следующий. Прямое напряжение перехода ub-эмиттер влияет на токи эмиттера и коллектора, и чем оно выше, тем больше эти токи. Изменения тока коллектора лишь немного меньше, чем изменения тока эмиттера. Оказывается, напряжение на переходе база-эмиттер, то есть входное напряжение, контролирует ток коллектора. На этом явлении основано усиление электрических колебаний с помощью транзистора. Основные биполярные транзисторы показаны в таблице ниже.

Таблица характеристик биполярных транзисторов.

С увеличением прямого входного напряжения ub-e потенциальный барьер в эмиттерном переходе уменьшается и, как следствие, ток через этот переход i и увеличивается. Электроны этого тока инжектируются эмиттером в базу и за счет диффузии проникают через базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Поскольку коллекторный переход работает при обратном напряжении, в этом переходном пространстве появляются заряды (большие кружки на рисунке). Между ними возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (извлечению) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда от эмиттера, то есть они притягивают электроны в область коллекторного перехода.

Схема работы и устройство биполярного транзистора.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней мала, то большая часть электронов, проходя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками в базе и достигать коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в дырочной основе. Это приводит к базовому току.

Базовый ток бесполезен и даже вреден. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Поэтому основная область очень тонкая и концентрация дырок в ней мала. Тогда меньше электронов снова начнется с дырками и, опять же, базовый ток будет незначительным.

Когда на эмиттерный переход не подается напряжение, можно предположить, что в этом переходе нет тока. Следовательно, область коллекторного перехода имеет значительное сопротивление постоянному току, поскольку большинство носителей заряда удаляются от этого перехода, и обедненные области этих носителей создаются вдоль обеих границ. Через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток, вызванный движением неосновных носителей заряда друг к другу.

Если под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, электроны инжектируются в базу со стороны эмиттера, для этой области они являются неосновными носителями. Они достигают стыка коллектора, не успевая воссоединиться с отверстиями при прохождении через основание.

Чем выше ток эмиттера, тем больше электронов попадает в коллектор, тем меньше становится его сопротивление, поэтому ток коллектора увеличивается. Подобные явления происходят и в транзисторе pnp-типа, необходимо только поменять местами электроны и дырки, а также полярность источников E1 и E2.

Как работает транзистор.

Помимо рассмотренных процессов, существует ряд других явлений. Рассмотрим модуляцию толщины базы: по мере увеличения напряжения на коллекторном переходе происходит умножение лавинного заряда, что в основном связано с ударной ионизацией.

Это явление и туннельный эффект могут вызывать электрические сбои, которые по мере увеличения тока могут переходить в тепловые сбои. Все происходит так же, как и с диодами, но в транзисторе с чрезмерным током коллектора возможен тепловой пробой без предварительного электрического пробоя.

Тепловой пробой может происходить без повышения напряжения коллектора до напряжения пробоя. При изменении напряжений на переходах коллектора и эмиттера изменяется их толщина, в результате чего изменяется толщина базы.

особенно важно учитывать напряжение базы коллектора, так как с увеличением толщины коллектора толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может возникнуть эффект замыкания (так называемое «просверливание» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным переходом. В этом случае область базы пропадает и транзистор перестает нормально работать.

По мере того, как инжекция носителей из эмиттера в базу увеличивается, неосновные носители заряда накапливаются в базе, то есть увеличивается концентрация и общий заряд этих носителей. Но с уменьшением инжекции концентрация и общий заряд этих же носителей в базе уменьшаются, и этот процесс получил название резорбции неосновных носителей заряда в базе.

И наконец, правило: при использовании транзисторов запрещается разрыв цепи базы, если цепь коллектора не запитана. Также необходимо включить цепь базы и, следовательно, цепь коллектора, но не наоборот.

Схема транзисторного устройства.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, состоящий из трех чередующихся полупроводниковых областей с разными типами проводимости (ppp или ppp) с одним проводником от каждой области. Рассмотрим работу транзистора типа npn. Чередующиеся области образуют два pn перехода база-эмиттер (BE) и база-коллектор (BC).

На переход BE подается прямое напряжение EBE, под действием которого электроны из n-области эмиттера устремляются к базе, создавая ток эмиттера. Концентрация примесей в эмиттере сделана во много раз больше базы, а сама база максимально тонкая. Следовательно, только небольшая часть (1-5%) электронов, испускаемых эмиттером, рекомбинирует с дырками в базе.

Большинство электронов, прошедших узкую базовую область (доли микрон), «улавливаются» коллекторным напряжением Ek, которое представляет собой обратное напряжение для BC-перехода, и, бегая к плюсу внешнего источника Eк, создает коллекторный ток, протекающий через нагрузку Rн. Электроны, которые рекомбинируют с дырками в базе, составляют базовый ток IB.

В этом случае ток коллектора определяется током эмиттера за вычетом тока базы. Транзистор типа pnp работает аналогичным образом, отличаясь только тем, что его эмиттер испускает дыры в базе, а не электроны, поэтому полярности прямого и обратного напряжения Ek UEB, приложенного к нему, должны быть противоположны транзистору типа ppn.

На символе транзистора стрелка расположена на эмиттере и всегда направлена ​​от области p к области n. На рис. 1.8, б показано условное обозначение транзистора ppp, а на рис. 1.9, б — ppp. Кружок вокруг транзистора означает, что транзистор выполнен в независимом корпусе, а отсутствие кружка означает, что транзистор выполнен за одно целое с другими элементами на полупроводниковой пластине интегральной микросхемы.

стрелку эмиттера удобно рассматривать как индикатор полярности прямого напряжения, приложенного между базой и эмиттером, которое «открывает» (как выпрямительный диод) транзистор. При использовании транзистора в электронных устройствах требуются два контакта для входного сигнала и два для выходного сигнала.

Поскольку у транзистора всего три контакта, один из них должен быть общим, принадлежащим как входной, так и выходной цепи. Возможны три варианта коммутации транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором.

Переход в биполярном транзисторе.

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».

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.

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.