Устройство и принцип работы транзистора
Практическую значимость биполярного транзистора для современной электроники и электротехники невозможно переоценить. Биполярные транзисторы применяются сегодня повсюду: для генерации и усиления сигналов, в электрических преобразователях, в приемниках и передатчиках, да и много где еще, перечислять можно очень долго.
Поэтому в рамках данной статьи мы не будем касаться всевозможных сфер применения биполярных транзисторов, а только рассмотрим устройство и общий принцип действия этого замечательного полупроводникового прибора, который начиная с 1950-х годов перевернул всю электронную промышленность, а с 70-х годов сильно способствовал ускорению технического прогресса.
Биполярный транзистор — трехэлектродный полупроводниковый прибор, включающий себя в качестве основы три слоя чередующихся по типу проводимости. Таким образом, транзисторы бывают NPN и PNP-типа. Полупроводниковые материалы, из которых делают транзисторы, это в основном: кремний, германий, арсенид галлия и другие.
Кремний, германий и другие вещества изначально являются диэлектриками, но если в них добавить примеси, то они станут полупроводниками. Добавки в кремний типа фосфора (донор электронов) сделают кремний полупроводником N-типа, а если в кремний добавить бор (акцептор электронов), то кремний станет полупроводником P-типа.
В результате полупроводники N-типа обладают электронной проводимостью, а полупроводники P-типа — дырочной проводимостью. Как вы поняли, проводимость определяется по виду рабочих носителей заряда.
Так вот, трехслойный пирог из полупроводников P-типа и N-типа — это по сути и есть биполярный транзистор. К каждому слою припаяны выводы, которые называются: эмиттер, коллектор и база.
База — это управляющий проводимостью электрод. Эмиттер — это источник носителей тока в цепи. Коллектор — это то место, в направлении которого устремляются носители тока под действием приложенной к устройству ЭДС.
Условные обозначения биполярных транзисторов типов NPN и PNP на схемах различны. Данные обозначения как раз и отражают устройство и принцип действия транзистора в электрической цепи. Стрелка всегда изображается между эмиттером и базой. Направление стрелки — это направление управляющего тока, который подается в цепь база-эмиттер.
Так, у NPN-транзистора стрелка направлена от базы в сторону эмиттера, это значит что в активном режиме именно электроны из эмиттера устремятся к коллектору, при этом управляющий ток должен быть направлен от базы — к эмиттеру.
У PNP-трназистора наоборот: стрелка направлена от эмиттера в сторону базы, это значит что в активном режиме дырки из эмиттера устремляются к коллектору, при этом управляющий ток должен быть направлен от эмиттера — к базе.
Давайте разберемся, почему так происходит. При подаче постоянного положительного напряжения на базу NPN-транзистора (в районе 0,7 вольт) относительно его эмиттера, p-n-переход база-эмиттер данного NPN-транзистора (см. рисунок) смещается в прямом направлении, и потенциальный барьер между переходами коллектор-база и база-эмиттер снижается, теперь электроны могут двигаться через него под действием ЭДС в цепи коллектор-эмиттер.
При достаточном токе базы, ток коллектор-эмиттер возникнет в данной цепи и сложится с током база-эмиттер. NPN-транзистор перейдет в открытое состояние.
Соотношение между током коллектора и управляющим током (базы) называется коэффициентом усиления транзистора по току. Данный параметр приводится в документации на транзистор, и может лежать в диапазоне от единиц до нескольких сотен.
При подаче постоянного отрицательного напряжения на базу PNP-транзистора (в районе -0,7 вольт) относительно его эмиттера, n-p-переход база-эмиттер данного PNP-транзистора смещается в прямом направлении, и потенциальный барьер между переходами коллектор-база и база-эмиттер снижается, теперь дырки могут двигаться через него под действием ЭДС в цепи коллектор-эмиттер.
Обратите внимание на полярность питания коллекторной цепи. При достаточном токе базы, ток коллектор-эмиттер возникнет в данной цепи и сложится с током база-эмиттер. PNP-транзистор перейдет в открытое состояние.
Биполярные транзисторы обычно используются в различных устройствах в усилительном, барьерном или в ключевом режиме.
В усилительном режиме ток базы никогда не опускается ниже тока удержания, при котором транзистор все время пребывает в открытом проводящем состоянии. В данном режиме колебания малого тока базы инициируют соответствующие колебания значительно большего тока коллектора.
В ключевом режиме транзистор переходит из закрытого состояния в открытое, выполняя роль быстродействующего электронного коммутатора. В барьерном режиме — путем варьирования тока базы управляют током нагрузки, включенной в цепь коллектора.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Транзистор
Первый транзистор
На фото справа вы видите первый работающий транзистор, который был создан в 1947 году тремя учёными – Уолтером Браттейном, Джоном Бардином и Уильямом Шокли.
Несмотря на то, что первый транзистор имел не очень презентабельный вид, это не помешало ему произвести революцию в радиоэлектронике.
Трудно предположить, какой бы была нынешняя цивилизация, если бы транзистор не был изобретён.
Транзистор является первым твёрдотельным устройством, способным усиливать, генерировать и преобразовывать электрический сигнал. Он не имеет подверженных вибрации частей, обладает компактными размерами. Это делает его очень привлекательным для применения в электронике.
Это было маленькое вступление, а теперь давайте разберёмся более подробно в том, что же представляет собой транзистор.
Сперва стоит напомнить о том, что транзисторы делятся на два больших класса. К первому относятся так называемые биполярные, а ко второму – полевые (они же униполярные). Основой как полевых, так и биполярных транзисторов является полупроводник. Основной же материал для производства полупроводников — это германий и кремний, а также соединение галлия и мышьяка — арсенид галлия (GaAs).
Стоит отметить, что наибольшее распространение получили транзисторы на основе кремния, хотя и этот факт может вскоре пошатнуться, так как развитие технологий идёт непрерывно.
Так уж случилось, но вначале развития полупроводниковой технологии лидирующее место занял биполярный транзистор. Но не многие знают, что первоначально ставка делалась на создание полевого транзистора. Он был доведён до ума уже позднее. О полевых MOSFET-транзисторах читайте здесь.
Не будем вдаваться в подробное описание устройства транзистора на физическом уровне, а сперва узнаем, как же он обозначается на принципиальных схемах. Для новичков в электронике это очень важно.
Для начала, нужно сказать, что биполярные транзисторы могут быть двух разных структур. Это структура P-N-P и N-P-N. Пока не будем вдаваться в теорию, просто запомните, что биполярный транзистор может иметь либо структуру P-N-P, либо N-P-N.
На принципиальных схемах биполярные транзисторы обозначаются вот так.
Как видим, на рисунке изображены два условных графических обозначения. Если стрелка внутри круга направлена к центральной черте, то это транзистор с P-N-P структурой. Если же стрелка направлена наружу – то он имеет структуру N-P-N.
Маленький совет.
Чтобы не запоминать условное обозначение, и сходу определять тип проводимости (p-n-p или n-p-n) биполярного транзистора, можно применять такую аналогию.
Сначала смотрим, куда указывает стрелка на условном изображении. Далее представляем, что мы идём по направлению стрелки, и, если упираемся в «стенку» – вертикальную черту – то, значит, «Прохода Нет»! «Нет» – значит p-n-p (П-Н-П ).
Ну, а если идём, и не упираемся в «стенку», то на схеме показан транзистор структуры n-p-n. Похожую аналогию можно использовать и в отношении полевых транзисторов при определении типа канала (n или p). Про обозначение разных полевых транзисторов на схеме читайте тут.
Обычно, дискретный, то есть отдельный транзистор имеет три вывода. Раньше его даже называли полупроводниковым триодом. Иногда у него может быть и четыре вывода, но четвёртый служит для подключения металлического корпуса к общему проводу. Он является экранирующим и не связан с другими выводами. Также один из выводов, обычно это коллектор (о нём речь пойдёт далее), может иметь форму фланца для крепления к охлаждающему радиатору или быть частью металлического корпуса.
Вот взгляните. На фото показаны различные транзисторы ещё советского производства, а также начала 90-ых.
А вот это уже современный импорт.
Каждый из выводов транзистора имеет своё назначение и название: база, эмиттер и коллектор. Обычно эти названия сокращают и пишут просто Б (База), Э (Эмиттер), К (Коллектор). На зарубежных схемах вывод коллектора помечают буквой C, это от слова Collector — «сборщик» (глагол Collect — «собирать»). Вывод базы помечают как B, от слова Base (от англ. Base — «основной»). Это управляющий электрод. Ну, а вывод эмиттера обозначают буквой E, от слова Emitter — «эмитент» или «источник выбросов». В данном случае эмиттер служит источником электронов, так сказать, поставщиком.
В электронную схему выводы транзисторов нужно впаивать, строго соблюдая цоколёвку. То есть вывод коллектора запаивается именно в ту часть схемы, куда он должен быть подключен. Нельзя вместо вывода базы впаять вывод коллектора или эмиттера. Иначе не будет работать схема.
Как узнать, где на принципиальной схеме у транзистора коллектор, а где эмиттер? Всё просто. Тот вывод, который со стрелкой – это всегда эмиттер. Тот, что нарисован перпендикулярно (под углом в 90°) к центральной черте – это вывод базы. А тот, что остался – это коллектор.
Также на принципиальных схемах транзистор помечается символом VT или Q. В старых советских книгах по электронике можно встретить обозначение в виде буквы V или T. Далее указывается порядковый номер транзистора в схеме, например, Q505 или VT33. Стоит учитывать, что буквами VT и Q обозначаются не только биполярные транзисторы, но и полевые в том числе.
Далее узнаем, как найти транзисторы на печатной плате электронного прибора.
В реальной электронике транзисторы легко спутать с другими электронными компонентами, например, симисторами, тиристорами, интегральными стабилизаторами, так как те имеют такие же корпуса. Особенно легко запутаться, когда на электронном компоненте нанесена неизвестная маркировка.
В таком случае нужно знать, что на многих печатных платах производится разметка позиционирования и указывается тип элемента. Это так называемая шелкография. Так на печатной плате рядом с деталью может быть написано Q305. Это значит, что этот элемент транзистор и его порядковый номер в принципиальной схеме – 305. Также бывает, что рядом с выводами указывается название электрода транзистора. Так, если рядом с выводом есть буква E, то это эмиттерный электрод транзистора. Таким образом, можно чисто визуально определить, что же установлено на плате – транзистор или совсем другой элемент.
Как уже говорилось, это утверждение справедливо не только для биполярных транзисторов, но и для полевых. Поэтому, после определения типа элемента, необходимо уточнять класс транзистора (биполярный или полевой) по маркировке, нанесённой на его корпус.
Полевой транзистор FR5305 на печатной плате прибора. Рядом указан тип элемента — VT
Любой транзистор имеет свой типономинал или маркировку. Пример маркировки: КТ814. По ней можно узнать все параметры элемента. Как правило, они указаны в даташите (datasheet). Он же справочный лист или техническая документация. Также могут быть транзисторы этой же серии, но чуть с другими электрическими параметрами. Тогда название содержит дополнительные символы в конце, или, реже, в начале маркировки. (например, букву А или Г).
Зачем так заморачиваться со всякими дополнительными обозначениями? Дело в том, что в процессе производства очень сложно достичь одинаковых характеристик у всех транзисторов. Всегда есть определённое, пусть и, небольшое, но отличие в параметрах. Поэтому их делят на группы (или модификации).
Строго говоря, параметры транзисторов разных партий могут довольно существенно различаться. Особенно это было заметно ранее, когда технология их массового производства только оттачивалась.
Биполярный транзистор:
устройство и схемы включения
Транзисторы являются полупроводниковыми приборами, основной задачей которых — усиление электрических сигналов. Они бывают биполярные и полевые. Наиболее распространенные — это биполярные транзисторы.
Типы биполярных транзисторов
Биполярные транзисторы классифицируются по следующим типам:
1. По исходному материалу — германий или кремний.
2. По технологии производства — сплавные, эпитаксиально-планарные, конверсионные и пр.
3. По механизму движения носителей зарядов — дрейфовые и диффузионные.
4. По рассеиваемой мощности — маломощные (до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 3 Вт) и мощные (больше 3 Вт).
5. По диапазону рабочих частот — низкой частоты (до 3 МГц), средней (от 3 до 30 МГц), высокой (от 30 до 300 МГЦ), сверх высокой частоты (более 300 МГц).
Устройство биполярного транзистора
Основой биполярного транзистора является небольшой кристалл, называемый базой ( Б ). На нем с противоположных сторон кристалла находятся две спайки (области) из индия, сплава олова с фосфором и др., которые называются эмиттером ( Э ) и коллектором ( К ). При образовании спаек, между базой с эмиттером и коллектором, образуются два p-n перехода. Эти области всегда имеют одинаковый тип проводимости (p или n), а средняя область (база) — другого типа(n или р). Поэтому биполярные транзисторы разделяются на типы: с р-n-p и n-p-n проводимостью. Принцип действиия у них одинаковый, но имеют противоположную полярность питания.
Коллекторный переход больше по площади эмиттерного и эти переходы расположены на очень малом расстоянии мажду собой ( до десятков микрон).
Если взять отдельно Б-Э и Б-К переходы, то они представляют собой два соединенных диода. Но соединив два отдельных диода мы не получим транзистора, потому, что эти переходы находятся на двух отдельных кристаллах диодов. А в биполярном транзисторе — на одном кристалле , где и происходит между ними взаимодействие — транзисторный эффект, который и делает транзистор усилительным устройством.
Процесс усиления биполярного транзистора
Чтобы биполярный транзистор с n-p-n переходом (обратной проводимости) начал усиливать, на него нужно подать, кроме питания на эмиттер и коллектор, еще и небольшое напряжение смещения на базу. Это смещение открывает транзистор и через него, в направлении от эмиттера к коллектору, начнет протекать управляемый ток. Между базой и эмиттером тоже течет управляющий ток, но по величине он намного меньше, чем коллекторно — эмиттерный.
Можно сделать вывод, что основное свойство биполярного транзистора — это управление малым базовым током большим коллекторным током.
Для наглядности на рисунке приведен водно — механический аналог биполярного транзистора с n-p-n проводимостью. На нем видно, что небольшая струя из базовой трубы управляет большой струей воды из коллекторной и эмиттерных труб. При этом струя из змиттерной трубы будет состоять из сумм потоков базовой и коллекторных труб.
Напряжение смещения меряют на базе, относительно напряжению на эмиттере.
Напряжения эти разные по полярности и величине напряжения, в зависимости от типа проводимости транзистора. На базе биполярных транзисторов прямой проводимости (p-n-p, германиевые) — минус 0,1-0,4 вольта, а у транзисторов обратной проводимости (n-p-n, кремний) — плюс 0,4-0,8 вольта.
Схемы включения биполярного транзистора
У биполярного транзистора есть три вывода: эмиттер, коллектор и база. На два из них приходит сигнал, а с двух других он снимается, т.к. один из них общий для входа и выхода. Так вот, какой электрод включен на общую шину, такова и cхема включения: с общим эмиттером ( ОЭ ), общей базой ( ОБ ) или общим коллектором ( ОК ).
а) Схема включения биполярного транзистора с ОЭ на практике применяется наиболее часто. В приведенной схеме входной сигнал подается между базой и эмиттером через разделительный конденсатор Ср, чтобы отсечь постоянное напряжение от предыдущего каскада и не влиять по питанию на следующий каскад. Усиленное переменное напряжение снимается с коллектора и общего вывода. Эта схема включения дает усиление как по току, так и по напряжению. Такое включение будет иметь большое выходное сопротивление (до десятков килоОм и зависит от значения Rк), но малое входное (500-1000 Ом).
б) На следующей схеме показано включение с ОК . Биполярный транзистор в этом случае работает как усилитель тока и величина напряжения на входе и выходе почти не отличаются друг от друга. Особенностью такого включения является большое входное сопротивление (от 10 кОм до 500 кОм), что дает хорошее согласование с каскадом источника сигнала. Также фаза выходного напряжения совпадает с фазой входного (нет «перевертывания» выходного сигнала, как в схеме с ОЭ). Поэтому такое включение называют эмиттерным повторителем. А вот выходное сопротивление его мало, которое очень зависит от сопротивления нагрузки Rэ.
в) В схеме с ОБ базу «заземляем» на общий провод через конденсатор Сб. В этом случае транзистор усиливает только по напряжению, а по току усиления нет. Входное сопротивление его небольшое (десятки Ом), и используется такое включение, в основном, в генераторах.
Влияние величины напряжения смещения на выходной сигнал
Для работы биполярного транзистора необходимо подать начальное базовое смещение, чтобы между базой и эмиттером протекал постоянный управляющий ток. Регулируют смещение при помощи изменения величины сопротивления Rб. Ток выбирают в зависимости от
a) типа транзистора,
b) для чего нужен этот каскад,
c) какова амплитуда входного сигнала,
d) какой величины нужен выходной сигнал,
e) величины коэффициента передачи транзистора.
В качестве примера рассмотрим схему каскада, где для подачи смещения на базу стоит переменный резистор. 1. При движке резистора в верхнем положении базовый ток будет мал и недостаточен для открытия транзистора. Если амплитуда входного сигнального напряжения будет выше минимального напряжения открытия транзистора, то он начнет пропускать часть отрицательной полуволны. Но т.к. сигнал «перевертывается» по фазе каскадом, то на выходе он будет положительным.
2. При движении движка вниз напряжение смещения увеличивается и каскад входит в нормальный режим при котором выходной сигнал уже не искажается. 3. Чем ниже движок резистора, тем больше смещение. Транзистор уже не «реагирует» на отрицательный полупериод сигнала и пропускает только часть положительной полуволны. Если двигать движок еще ниже, то базовый ток войдет в режим насыщения, при котором входной сигнал не вызывает изменение тока коллектора и сигнал на выходе исчезает. Поэтому, при настройке усилителей важно определить такой ток смещения, чтобы при нужном усилении не было искажения выходного сигнала. И это можно сделать при помощи осциллографа.
