Биполярные транзисторы: устройство, принцип и режимы работы, схема включения, применение, основные параметры

Основной функцией биполярного транзистора (БТ) является увеличение мощности входного электрического сигнала. Эти полупроводниковые радиокомпоненты появились, как альтернатива электровакуумных триодов, и со временем практически вытеснили их из отрасли. Справедливости ради заметим, что лампы применяются и до сих пор, но в очень и очень узком сегменте аппаратуры специального назначения. В массовой же радиотехнике используются, в основном, транзисторы – биполярные и их ближайшие «родственники» полевые.

Ключевое преимущество этих элементов состоит в миниатюрности. Электровакуумный усилитель со схожими характеристиками оказывается в несколько раз крупнее биполярного транзистора. Вследствие этого применение БТ в радиоэлектронике приводит к существенному уменьшению габаритных размеров конечной радиотехнической продукции.

Биполярным данный транзистор называется из-за того, что в физических процессах, протекающих во время его функционирования, участвуют оба типа носителей заряда – и электроны, и дырки. Это оказывает влияние на принцип управления выходным сигналом. В биполярных транзисторах выходными параметрами управляет ток, а не электрическое поле, как в полевых (униполярных).

Устройство биполярного транзистора.

Этот полупроводниковый триод состоит из 3 частей – эмиттера, коллектора и базы. Таким образом, ключевыми элементами биполярного транзистора являются два p-n-перехода, а не один, как в полевых. Эмиттер исполняет функцию генератора носителей заряда, которые формируют рабочий ток, стекающий в приёмник – коллектор. База необходима для подачи управляющего напряжения.

Если рассматривать плоскую модель БТ, то радиокомпонент представляет собой две области с p- или n-проводимостью (эмиттер и коллектор), разделённые тонким слоем полупроводника с проводимостью обратного знака (база). Полупроводниковый кристалл со стороны коллектора физически крупнее. Такое соотношение обеспечивает правильную работу биполярного транзистора.

В зависимости от типа проводимости эмиттера, коллектора и базы различают PNP- и NPN-транзисторы. В принципе, они функционируют одинаково с той лишь разницей, что к ним прикладываются напряжения разной полярности. Выбор того или иного вида БТ определяется особенностями конкретных радиотехнических устройств.

Принцип работы биполярного транзистора.

При подключении эмиттера и коллектора к источнику питания создаются почти все условия для протекания тока. Однако свободному перемещению носителей заряда препятствует база, и для устранения этой помехи на неё подаётся напряжение смещения. В базовом слое полупроводника возникают физико-химические процессы электронно-дырочной рекомбинации, в результате которой через базу начинает течь небольшой ток. В результате p-n-переходы открывают путь потоку носителей заряда от эмиттера к коллектору.

Если ток, протекающий через базу, меняется по какому-то закону, то точно так же изменяется и мощный ток между эмиттером и коллектором. Следовательно, мы получаем на выходе биполярного транзистора такой же сигнал, как и на базе, но с более высокой мощностью. В этом и состоит усилительная функция биполярного транзистора.

Режимы работы.

Существует 4 режима, в одном из которых может работать биполярный транзистор. В этот список входят следующие:

  1. отсечка;
  2. активный режим;
  3. насыщение;
  4. барьерный режим.

Существует ещё так называемый инверсный режим, но он на практике не используется и интересен только при теоретических исследованиях поведения полупроводников. Поэтому опишем подробнее только четыре первых.

1. Отсечка.

В том случае, если разность потенциалов между эмиттером и базой ниже некоторого значения (примерно 0.6 Вольт), то база-эмиттерный p-n-переход оказывается закрытым, поскольку ток базы не возникает. В связи с этим коллекторный ток не протекает по той причине, что в базовом слое отсутствуют свободные электроны. Таким образом, транзистор переходит в состояние отсечки и сигнал не усиливает. Этот режим используется в цифровых схемах, когда БТ работает как ключ в положении «разомкнуто».

2. Активный режим.

В этом режиме радиокомпонент усиливает сигнал, то есть исполняет свою основную функцию. На базу подаётся разность потенциалов, которая открывает база-эмиттерный p-n-переход. Как следствие, в транзисторе начинают протекать токи коллектора и базы. Значение коллекторного тока вычисляется как арифметическое произведение величины тока базы и коэффициента усиления.

3. Насыщение.

В этот режим биполярный транзистор входит при увеличении тока базы до некоего предельного значения, при котором p-n-переходы полностью открываются. Значение тока, протекающего через БТ при его насыщении, зависит лишь от питающего напряжения и величины нагрузки в коллекторной цепи. В данном режиме входной сигнал не усиливается, ведь коллекторный ток не воспринимает изменений тока базы. Способность транзистора к переходу в насыщение используется в цифровой технике, когда БТ играет роль ключа в замкнутом положении.

4. Барьерный режим.

Здесь транзистор работает как диод с последовательно включённым резистором. Для этого базу напрямую или через малоомное сопротивление соединяют с коллектором. В данном режиме триоды хорошо показывают себя в высокочастотных устройствах. Кроме того, использование транзистора в барьерном режиме целесообразно на реальном производстве для снижения общего количества комплектующих.

Схемы включения биполярных транзисторов.

Полупроводниковый триод может включаться в электрическую цепь по одной из трёх схем – с общим эмиттером, с общим коллектором и с общей базой. В зависимости от способа подключения различаются электрические параметры транзистора, что определяет выбор схемы в каждом конкретном случае.

При включении биполярного транзистора с общим эмиттером достигается максимальное усиление входного сигнала. Благодаря этому данная схема в усилительных каскадах применяется чаще всего.

Схема с общим коллектором по-другому называется эмиттерным повторителем. Это связано с тем, что разность потенциалов на коллекторе и эмиттере оказываются практически равными. При таком включении наблюдаются большое усиление по току, высокое входное сопротивление и совпадение фаз входного и выходного сигналов. Вследствие этого эмиттерные повторители используются в согласующих и буферных усилителях.

При включении БТ по схеме с общей базой отсутствует усиление по току, но значительным оказывается усиление по напряжению. Особенностью данного способа является малое влияние транзистора на сигналы высокой частоты. Это делает схему с общей базой предпочтительной для использования в устройствах СВЧ.

Основные параметры биполярных транзисторов:

  1. Максимально допустимый постоянный ток коллектора;
  2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером при заданном токе коллектора и сопротивлении в цепи база-эмиттер;
  3. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером при заданном токе коллектора и токе базы, равным нулю;
  4. Максимальное напряжение коллектор-база при заданном токе коллектора и токе эмиттера, равным нулю;
  5. Максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база при токе коллектора, равном нулю;
  6. Максимально допустимая постоянная мощность, рассеивающаяся на коллекторе;
  7. Статический коэффициент передачи тока;
  8. Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером;
  9. Обратный ток коллектора. Ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор-база и разомкнутом выводе эмиттера;
  10. Обратный ток эмиттера. Ток через эмиттерный переход при заданном обратном напряжении эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора;
  11. Граничная частота коэффициента передачи тока;
  12. Коэффициент шума;
  13. Емкость коллекторного перехода;
  14. Максимально допустимая температура перехода.

Основные параметры, обозначения и маркировка отечественных транзисторов

Транзистор — один из самых распространённых элементов радиоаппаратуры. Есть полевые и биполярные транзисторы. У полевых транзисторов управление происходит с помощью электрического поля. Они имеют три вывода: исток, затвор и сток (иногда корпус). У биполярного транзистора соответственно: эмиттер, база и коллектор, (иногда тоже есть корпусной вывод).

Основная классификация транзисторов

Основная классификация транзисторов ведется по материалу, мощности, проводимости, частоты…

По мощности транзисторы делят на транзисторы малой, средней и большой мощности, а по частоте — низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.

По исходному полупроводниковому материалу — германиевые и кремниевые.

Основные параметры

биполярных и полевых транзисторов

UКБО — максимально допустимое напряжение коллектор — база;

UКБО И — максимально допустимое импульсное напряжение коллектор — база;

UКЭО — максимально допустимое напряжение коллектор — эмиттер;

UКЭО И — максимально допустимое импульсное напряжение коллектор -эмиттер;

UКЭН — напряжение насыщения коллектор — эмиттер;

UСИ max — максимально допустимое напряжение сток — исток;

UСИО — напряжение сток — исток при оборванном затворе;

UЗИ max — максимально допустимое напряжение затвор — исток;

UЗИ ОТС — Напряжение отсечки транзистора, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (для полевых транзисторов с р-n переходом, и с изолированным затвором);

UЗИ ПОР — Пороговое напряжение транзистора между затвором и стоком, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (для полевых транзисторов с изолированным затвором и п-каналом);

IK max — максимально допустимый постоянный ток коллектора;

IK max и — максимально допустимый импульсный ток коллектора;

IC max — максимально допустимый постоянный ток стока;

IC нач — начальный ток стока;

IC ост — остаточный ток стока;

IКБО — обратный ток коллектора;

РК max — максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора без теплоотвода;

РК max т — максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора с теплоотводом;

РСИ max — максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность сток — исток;

Читайте также  Отопить дом электричеством

H21Э — статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером;

RСИ ОТК — сопротивление сток — исток в открытом состоянии;

S — крутизна характеристики;

fГР. — граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером;

КШ — коэффициент шума биполярного (полевого) транзистора;

Цоколевка биполярных и полевых транзисторов

Система обозначений

По старой системе обозначений, введенной ещё до 1964 г. в обозначение транзистора входит буква и цифры. По номеру транзистора можно определить, для каких каскадов радиоэлектронной конструкции он разработан. Если перед буквой П стоит буква М, то это значит, что корпус транзистора холодносварочной конструкции. Расшифровка типов транзисторов по номеру следующая:

Низкочастотные (до 5 МГц):

  • 1…100 — германиевые малой мощности, до 0,25 Вт;
  • 101…201 — кремниевые до 0,25 Вт;
  • 201…300 — германиевые большой мощности, более 0,25 Вт;
  • 301…400 — кремниевые более 0,25 Вт.

Высокочастотные (свыше 5 МГц):

  • 401…500 — германиевые до 0,25 Вт;
  • 501…600 — кремниевые до 0,25 Вт;
  • 601…700 — германиевые более 0,25 Вт;
  • 701…800 — кремниевые более 0,25 Вт.

Например, П416 Б — транзистор германиевый, высокочастотный, малой мощности, разновидности Б; МП 39 Б — германиевый транзистор, имеющий холодносварочный корпус, низкочастотный, малой мощности, разновидности Б.

В новой системе обозначений используется буквенно-цифровой шифр, который состоит из 5 элементов:

1 элемент системы обозначает исходный материал, на основе которого изготовлен транзистор и его содержание не отличается от системы обозначения диодов, то есть:

  • Г или 1 — германий,
  • К или 2 — кремний,
  • А или 3 — арсенид галлия,
  • И или 4 — индий.

2 элемент — буква Т (биполярный) или П (полевой).

3 элемент — цифра, указывающая на функциональные возможности транзистора по допустимой рассеиваемой мощности и частотным свойствам.

Транзисторы малой мощности, Рmах Транзисторы средней мощности , 0,3

4 — средней мощности низкочастотный;
5 — средней мощности среднечастотный;
6 — средней мощности высокочастотный.

Транзисторы большой мощности , Рmах >1,5 Вт:

7 — большой мощности низкочастотный;
8 — большой мощности среднечастотный;
9 — большой мощности высокочастотный и сверхвысокочастотный (frp > 300 Гц).

4 элемент — цифры от 01 до 99, указывающие порядковый номер разработки.

5 элемент — одна из букв от А до Я, обозначающая деление технологического типа приборов на группы.

Например, КТ540Б — кремниевый транзистор средней мощности среднечастотный, номер разработки 40, группа Б.

Система обозначений транзисторов

Встречаются транзисторы (биполярные), которые имеют старую, введенную до 1964 г. систему обозначений. По старой системе в обозначение транзистора входит буква П и цифровой номер.

По номеру транзистора можно определить, для каких каскадов радиоэлектронной конструкции он разработан. Если перед буквой П стоит буква М, то это значит, что корпус транзистора холодносварочной конструкции. Расшифровка типов транзисторов по номеру следующая:

Низкочастотные (до 5 МГц):

  • 1. 100 — германиевые малой мощности, до 0,25 Вт;
  • 101. 201 — кремниевые до 0,25 Вт;
  • 201. 300 — германиевые большой мощности, более 0,25 Вт;
  • 301. 400 — кремниевые более 0,25 Вт.

Высокочастотные (свыше 5 МГц):

  • 401. 500 — германиевые до 0,25 Вт;
  • 501. 600 — кремниевые до 0,25 Вт;
  • 601. 700 — германиевые более 0,25 Вт;
  • 701. 800 — кремниевые более 0,25 Вт.
  • П416 Б — транзистор германиевый, высокочастотный, малой мощности, разновидности Б;
  • МП39Б — германиевый транзистор, имеющий холодносварочный корпус, низкочастотный, малой мощности, разновидности Б.

В новой системе обозначений используется буквенно-цифровой шифр, который состоит из 5 элементов:

1-й элемент системы обозначает исходный материал, на основе которого изготовлен транзистор и его содержание не отличается от системы обозначения диодов, то есть Г или 1 — германий, К или 2 — кремний, А или 3 — арсенид галлия, И или 4 — индий.

2-1 элемент — буква Т (биполярный) или П (полевой).

3-1 элемент — цифра, указывающая на функциональные возможности транзистора по допустимой рассеиваемой мощности и частотным свойствам.

Транзисторы малой мощности, Рmах 1,5 Вт:

  • 7 — большой мощности низкочастотный;
  • 8 — большой мощности среднечастотный;
  • 9 — большой мощности высокочастотный и сверхвысокочастотный (frp > 300 Гц).

4-й элемент — цифры от 01 до 99, указывающие порядковый номер разработки.

5-й элемент — одна из букв от А до Я, обозначающая деление технологического типа приборов на группы.

Например: КТ540Б — кремниевый транзистор средней мощности среднечастотный, номер разработки 40, группа Б.

При изготовлении транзисторов используют различные технологические приемы, в результате чего получаются приборы со специфическими особенностями, эксплуатационными свойствами и параметрами. Цоколевка транзисторов, широко используемых радиолюбителями, дана на рис. 1.

Рис. 1. Цоколевка отечественных транзисторов.

Выходные характеристики для схемы с общей базой.

Изобразим выходные характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.58).

Как уже отмечалось, если коллекторный переход смещен в обратном направлении (uкб> 0), то ток коллектора примерно равен току эмиттера: iк

Это соотношение сохраняется даже при uкб= 0 (если ток эмиттера достаточно велик), так как и в этом случае большинство электронов, инжектированных в базу, захватывается электрическим полем коллекторного перехода и переносится в коллектор.

Только если коллекторный переход смещают в прямом направлении ( uкб 0, iк > 0, причем ток эмиттера достаточно велик), называют активным режимом работы транзистора. На координатной плоскости ему соответствует так называемая область активной работы.

Режим, соответствующий второму квадранту (uкб

Теперь эффект Эрли проявляется в том, что при увеличении напряжения uкэ характеристики сдвигаются вправо. Дифференциальное сопротивление теперь определяется выражением rдиф= (duбэ/diб) |iб– заданный , uкэ= const

Устройство транзисторов

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

  • Б – база, очень тонкий внутренний слой;
  • Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;
  • К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.
  • n-типа — носителями зарядов являются электроны.
  • p-типа — носители зарядов – положительно заряженные «дырки».

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p.

Параметры MOSFET транзисторов

Технологические возможности и успехи в разработке мощных полевых транзисторов привели к тому, что в настоящее время не составляет особого труда приобрести их за приемлемую цену.

В связи с этим возрос интерес радиолюбителей к применению таких MOSFET транзисторов в своих электронных самоделках и проектах.

Стоит отметить тот факт, что MOSFET’ы существенно отличаются от своих биполярных собратьев, как по параметрам, так и своему устройству.

Пришло время ближе познакомиться с устройством и параметрами мощных MOSFET транзисторов, чтобы в случае необходимости более осознанно подобрать аналог для конкретного экземпляра, а также иметь возможность понимать суть тех или иных величин, указанных в даташите.

Что такое HEXFET транзистор?

В семействе полевых транзисторов есть отдельная группа мощных полупроводниковых приборов называемых HEXFET. Их принцип работы основан на весьма оригинальном техническом решении. Их структура представляет собой несколько тысяч МОП ячеек включенных параллельно.

Ячеистые структуры образуют шестиугольник. Из-за шестиугольной или по-другому гексагональной структуры данный тип мощных МОП-транзисторов и называют HEXFET. Первые три буквы этой аббревиатуры взяты от английского слова hexagonal – «гексагональный».

Под многократным увеличением кристалл мощного HEXFET транзистора выглядит вот так.

Как видим, он имеет шестиугольную структуру.

Получается, что мощный MOSFET, по сути представляет собой эдакую супер-микросхему, в которой объединены тысячи отдельных простейших полевых транзисторов. В совокупности они создают один мощный транзистор, который может пропускать через себя большой ток и при этом практически не оказывать значительного сопротивления.

Благодаря особой структуре и технологии изготовления HEXFET, сопротивление их канала RDS(on) удалось заметно снизить. Это позволило решить проблему коммутации токов в несколько десятков ампер при напряжении до 1000 вольт.

Вот только небольшая область применения мощных HEXFET транзисторов:

Схемы коммутации электропитания.

Системы управления электродвигателями.

Усилители низкой частоты.

Ключи для управления мощными нагрузками.

Несмотря на то, что мосфеты, изготовленные по технологии HEXFET (параллельных каналов) обладают сравнительно небольшим сопротивлением открытого канала, сфера применения их ограничена, и они применяются в основном в высокочастотных сильноточных схемах. В высоковольтной силовой электронике предпочтение порой отдают схемам на основе IGBT.


Транзисторы HEXFET марки IRLZ44ZS

Изображение MOSFET транзистора на принципиальной электрической схеме (N-канальный МОП).

Как и биполярные транзисторы, полевые структуры могут быть прямой проводимости или обратной. То есть с P-каналом или N-каналом. Выводы обозначаются следующим образом:

Читайте также  Старый деревянный дом

О том, как обозначаются полевые транзисторы разных типов на принципиальных схемах можно узнать на этой странице.

Основные параметры полевых транзисторов.

Вся совокупность параметров MOSFET может потребоваться только разработчикам сложной электронной аппаратуры и в даташите (справочном листе), как правило, не указывается. Достаточно знать основные параметры:

VDSS (Drain-to-Source Voltage) – напряжение между стоком и истоком. Это, как правило, напряжение питания вашей схемы. При подборе транзистора всегда необходимо помнить о 20% запасе.

ID (Continuous Drain Current) – ток стока или непрерывный ток стока. Всегда указывается при постоянной величине напряжения затвор-исток (например, VGS=10V). В даташите, как правило, указывается максимально возможный ток.

RDS(on) (Static Drain-to-Source On-Resistance) – сопротивление сток-исток открытого канала. При увеличении температуры кристалла сопротивление открытого канала увеличивается. Это легко увидеть на графике, взятом из даташита одного из мощных HEXFET транзисторов. Чем меньше сопротивление открытого канала (RDS(on)), тем лучше мосфет. Он меньше греется.

PD (Power Dissipation) – мощность транзистора в ваттах. По-иному этот параметр ещё называют мощностью рассеяния. В даташите на конкретное изделие величина данного параметра указывается для определённой температуры кристалла.

VGS (Gate-to-Source Voltage) – напряжение насыщения затвор-исток. Это напряжение, при превышении которого увеличения тока через канал не происходит. По сути, это максимальное напряжение между затвором и истоком.

VGS(th) (Gate Threshold Voltage) – пороговое напряжение включения транзистора. Это напряжение, при котором происходит открытие проводящего канала и он начинает пропускать ток между выводами истока и стока. Если между выводами затвора и истока приложить напряжение меньше VGS(th), то транзистор будет закрыт.

На графике видно, как уменьшается пороговое напряжение VGS(th) при увеличении температуры кристалла транзистора. При температуре 175 0 C оно составляет около 1 вольта, а при температуре 0 0 C около 2,4 вольт. Поэтому в даташите, как правило, указывается минимальное (min.) и максимальное (max.) пороговое напряжение.

Рассмотрим основные параметры мощного полевого HEXFET-транзистора на примере IRLZ44ZS фирмы International Rectifier. Несмотря на впечатляющие характеристики, он имеет малогабаритный корпус D 2 PAK для поверхностного монтажа. Глянем в datasheet и оценим параметры этого изделия.

Предельное напряжение сток-исток (VDSS): 55 Вольт.

Максимальный ток стока (ID): 51 Ампер.

Предельное напряжение затвор-исток (VGS): 16 Вольт.

Сопротивление сток-исток открытого канала (RDS(on)): 13,5 мОм.

Максимальная мощность (PD): 80 Ватт.

Сопротивление открытого канала IRLZ44ZS составляет всего лишь 13,5 миллиОм (0,0135 Ом)!

Взглянем на «кусочек» из таблицы, где указаны максимальные параметры.

Хорошо видно, как при неизменном напряжении на затворе, но при повышении температуры уменьшается ток (с 51A (при t=25 0 C) до 36А (при t=100 0 С)). Мощность при температуре корпуса 25 0 С равна 80 Ваттам. Так же указаны некоторые параметры в импульсном режиме.

Транзисторы MOSFET обладают большим быстродействием, но у них есть один существенный недостаток – большая ёмкость затвора. В документах входная ёмкость затвора обозначается как Ciss (Input Capacitance).

На что влияет ёмкость затвора? Она в большой степени влияет на определённые свойства полевых транзисторов. Поскольку входная ёмкость достаточно велика, и может достигать десятков пикофарад, применение полевых транзисторов в цепях высокой частоты ограничивается.

В схемах переключения время заряда паразитной входной ёмкости транзистора влияет на скорость его срабатывания.

Важные особенности MOSFET транзисторов.

Очень важно при работе с полевыми транзисторами, особенно с изолированным затвором, помнить, что они “смертельно” боятся статического электричества. Впаивать их в схему можно только предварительно закоротив выводы между собой тонкой проволокой.

При хранении все выводы МОП-транзистора лучше закоротить с помощью обычной алюминиевой фольги. Это уменьшит риск пробоя затвора статическим электричеством. При монтаже его на печатную плату лучше использовать паяльную станцию, а не обычный электрический паяльник.

Дело в том, что обычный электрический паяльник не имеет защиты от статического электричества и не «развязан» от электросети через трансформатор. На его медном жале всегда присутствуют электромагнитные «наводки» из электросети.

Любой всплеск напряжения в электросети может повредить паяемый элемент. Поэтому, впаивая полевой транзистор в схему электрическим паяльником, мы рискуем повредить MOSFET-транзистор.

Особенности при различных схемах включения

Разработчики успешно создают радиоэлектронные схемы, используя в своих сложных расчётах и опытах различные комбинации из схем включения транзистора.

На рисунке 3, приведенном ниже, показаны применяемые на практике основные схемы включений.

Рисунок 3

Биполярные транзисторы. Виды и характеристики. Работа и устройство

Биполярные транзисторы это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подключенными к трем последовательно находящимся слоям, с различной проводимости. В отличие от других транзисторов, которые переносят один тип заряда, он способен переносить сразу два типа.

Схемы подключения, использующие биполярные транзисторы, зависят от производимой работы и типа проводимости. Проводимость может быть электронной, дырочной.

Разновидности биполярных транзисторов
Биполярные транзисторы разделяют по различным признакам на виды по:
  • Материалу изготовления: кремний или арсенид галлия.
  • Величине частоты: до 3 МГц – низкая, до 30 МГц – средняя, до 300 МГц – высокая, более 300 МГц – сверхвысокая.
  • Наибольшей рассеиваемой мощности: 0-0,3 Вт, 0,3-3 Вт, свыше 3 Вт.
  • Типу прибора: 3 слоя полупроводника с последовательной очередностью типа проводимости.
Устройство и работа

Слои транзистора, как внутренний, так и наружный, объединены с встроенными электродами, которые имеют свои названия в виде базы, эмиттера и коллектора.

Особых отличий по видам проводимости у коллектора и эмиттера не наблюдается, однако процент включения примесей у коллектора намного меньше, что позволяет повысить допустимое напряжение на выходе.

Средний слой полупроводника (база) имеет большую величину сопротивления, так как выполнена из слаболегированного материала. Она контактирует с коллектором на значительной площади. Это позволяет повысить теплоотвод, который необходим вследствие выделения тепла от смещения перехода в другую сторону. Хороший контакт базы с коллектором дает возможность легко проходить электронам, которые являются неосновными носителями.

Слои перехода выполнены по одному принципу. Однако биполярные транзисторы считаются несимметричными приборами. При чередовании крайних слоев местами с одной проводимостью нельзя образовать подобные параметры полупроводника.

Схемы подключения транзисторов выполнены таким образом, что могут обеспечить ему как закрытое, так и открытое состояние. При активной работе, когда полупроводник открыт, смещение эмиттера выполнено в прямом направлении. Для полного понимания этой конструкции, нужно подключить напряжение питания по изображенной схеме.

При этом граница на 2-м переходе коллектора закрыта, ток через нее не идет. Практически возникает обратное явление ввиду рядом расположенных переходов, их влияния друг на друга. Так как к эмиттеру подсоединен минусовой полюс батареи, то переход открытого вида дает возможность электронам проходить на базу, в которой осуществляется их рекомбинация с дырками, являющимися главными носителями. Появляется ток базы Iб. Чем выше базовый ток, тем больше выходной ток. В этом заключается принцип действия усилителей.

По базе протекает только диффузионное движение электронов, так как нет работы электрического поля. Из-за малой толщины этого слоя и значительном градиенте частиц, практически все они поступают на коллектор, хотя база имеет большое сопротивление. На переходе имеется электрическое поле, которое способствует переносу и втягивает их. Токи эмиттера и коллектора одинаковые, если не считать малой потери заряда от перераспределения на базе: I э = I б + I к.

Характеристики
  • Коэффициент усиления тока β = Iк / Iб.
  • Коэффициент усиления напряжения Uэк / Uбэ.
  • Сопротивление на входе.
  • Характеристика частоты – возможность работы транзистора до определенной частоты, при выходе за границы которой процессы перехода опаздывают за изменением сигнала.
Режимы работ и схемы

Вид схемы влияет на режим действия биполярного транзистора. Сигнал может сниматься и отдаваться в двух местах для разных случаев, а электродов имеется три штуки. Следовательно, что один произвольный электрод должен быть сразу выходом и входом. По такому принципу подключаются все биполярные транзисторы, и имеют три вида схем, которые мы рассмотрим ниже.

Схема с общим коллектором

Сигнал проходит на сопротивление RL, которое также включено в цепь коллектора.

Такая схема подключения дает возможность создать всего лишь усилитель по току. Достоинством такого эмиттерного повторителя можно назвать образование значительного сопротивления на входе. Это дает возможность для согласования каскадов усиления.

Схема с общей базой

Сигнал входа проходит через С1, далее снимается в цепи выхода коллектора, где базовый электрод общий. В итоге образуется усиление напряжения по подобию с общим эмиттером.

В схеме можно найти недостаток в виде малого входного сопротивления. Схема с общей базой используется чаще всего в качестве генератора колебаний.

Схема с общим эмиттером

Чаще всего при использовании биполярных транзисторов выполняют схему с общим эмиттером. Напряжение проходит по сопротивлению нагрузки RL, к эмиттеру питание подключается отрицательным полюсом.

Читайте также  Станки для производства перчаток

Сигнал переменного значения приходит на базу и эмиттер. В цепи коллектора он становится по значению больше. Главными элементами схемы являются резистор, транзистор и выходная цепь усилителя с источником питания. Дополнительными элементами стали: емкость С1, которая не дает пройти току на вход, сопротивление R1, благодаря которому открывается транзистор.

В цепи коллектора напряжение транзистора и сопротивления равны значению ЭДС: E= Ik R k +Vk e .

Отсюда следует, что малым сигналом Ec определяется правило изменения разности потенциалов в переменное выходное транзисторного преобразователя. Такая схема дает возможность увеличению тока входа во много раз, так же, как напряжению и мощности.

Из недостатков такой схемы можно назвать малое сопротивление на входе (до 1 кОм). Как следствие, возникают проблемы в образовании каскадов. Сопротивление выхода равно от 2 до 20 кОм.

Рассмотренные схемы показывают действие биполярного транзистора. На его работу влияет частота сигнала и перегрев. Для решения этого вопроса применяют дополнительные отдельные меры. Эмиттерное заземление образует на выходе искажения. Для создания надежности схемы, выполняют подключение фильтров, обратных связей и т.д. После таких мер, схема работает лучше, но уменьшается усиление.

Биполярные транзисторы в различных режимах

Транзистор взаимодействует с сигналами разных видов во входной цепи. В основном транзистор применяется в усилителях. Входной переменный сигнал изменяет ток на выходе. В этом случае используются схемы с общим эмиттером или коллектором. В цепи выхода для сигнала необходима нагрузка.

Чаще всего для этого применяют сопротивление, установленное в цепи выхода коллектора. При его правильном выборе, значение напряжения на выходе будет намного больше, чем на входе.

Во время преобразования сигнала импульсов режим сохраняется таким же, как для синусоидальных сигналов. Качество изменения гармоник определяется характеристиками частоты полупроводников.

Отсечка

Этот режим образуется при снижении напряжения VБЭ до 0,7 вольта. В таком случае переход эмиттера закрывается, и ток на коллекторе отсутствует, так как в базе отсутствуют электроны, и транзистор остается закрытым.

Активный режим

При подаче напряжения, достаточного для открытия транзистора, на базу, возникает малый ток входа и большой выходной ток. Это зависит от размера коэффициента усиления. В этом случае транзистор работает усилителем.

Режим насыщения

Эта работа имеет свои отличия от активного режима. Полупроводник открывается до конца, коллекторный ток достигает наибольшего значения. Его повышения можно добиться только путем изменения нагрузки, либо ЭДС выходной схемы. При корректировке тока базы ток коллектора не изменяется. Режим насыщения имеет особенности в том, что транзистор открыт полностью и работает переключателем. Если объединить режимы насыщения и отсечки биполярных транзисторов, то можно создать ключи.

Свойства характеристик выхода влияют на режимы. Это изображено на графике.

При отложении на осях координат отрезков, соответствующих наибольшему току коллектора и размеру напряжения, и далее, объединения концов друг с другом, образуется красная линия нагрузки. По графику видно: точка тока и напряжения сместится по линии нагрузки вверх при повышении базового тока.

Участок между заштрихованной характеристикой выхода и осью V ke является работа отсечки. В этом случае транзистор закрыт, а обратная величина тока мала. Характеристика в точке А вверху пересекается с нагрузкой, после которой при последующем повышении IВ ток коллектора уже не меняется. На графике участком насыщения является закрашенная часть между осью I k и наиболее крутым графиком.

Режим переключения

Транзисторные ключи служат для бесконтактных переключений в электрических цепях. Эта работа заключается в прерывистой регулировке величины сопротивления полупроводника. Биполярные транзисторы наиболее применимы в устройствах переключения.

Полупроводники применяются в схемах изменения сигналов. Их универсальная работа и широкая классификация дает возможность использовать транзисторы в различных цепях, которые определяют их возможности работы. Основными применяемыми схемами являются усиливающие, а также переключающие цепи.

Твердотельная электроника. Учебное пособие.

Биполярный транзистор в схемотехнических приложениях представляют как четырехполюсник и рассчитывают его параметры для такой схемы. Для транзистора как четырехполюсника характерны два значения тока I1 и I2 и два значения напряжения U1 и U2 (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Схема четырехполюсника

В зависимости от того, какие из этих параметров выбраны в качестве входных, а какие в качестве выходных, можно построить три системы формальных параметров транзистора как четырехполюсника. Это системы z-параметров, y-параметров и h-параметров. Рассмотрим их более подробно, используя линейное приближение.

Система z-параметров

Зададим в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника токи I1 и I2, а напряжения U1 и U2 будем определять как функции этих токов. Тогда связь напряжений и токов в линейном приближении будет иметь вид:

Коэффициенты zik в этих уравнениях определяются следующим образом:

— определяются как входное и выходное сопротивления.

— сопротивления обратной и прямой передач.

Измерения z-параметров осуществляются в режиме холостого хода на входе (I1 = 0) и выходе (I2 = 0). Реализовать режим разомкнутого входа I1 = 0 для биполярного транзистора достаточно просто (сопротивление эмиттерного перехода составляет всего десятки Ом и поэтому размыкающее сопротивление в цепи эмиттера в несколько кОм уже позволяет считать I1 = 0). Реализовать режим разомкнутого выхода I2 = 0 для биполярного транзистора сложно (сопротивление коллекторного перехода равняется десяткам МОм и размыкающее сопротивление в цепи коллектора в силу этого должно быть порядка ГОм).

Система y-параметров

Зададим в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника напряжения U1 и U2, а токи I1 и I2 будем определять как функции этих напряжений. Тогда связь токов и напряжений в линейном приближении будет иметь вид:

Коэффициенты в уравнениях имеют размерность проводимости и определяются следующим образом:

— входная и выходная проводимости.

— проводимости обратной и прямой передач.

Измерение y-параметров происходит в режиме короткого замыкания на входе (U1 = 0) и выходе (U2 = 0). Реализовать режим короткого замыкания на входе (U1 = 0) для биполярного транзистора достаточно сложно (сопротивление эмиттерного перехода составляет всего десятки Ом и поэтому замыкающее сопротивление в цепи эмиттера должно составлять доли Ома, что достаточно сложно). Реализовать режим короткого замыкания на выходе U2 = 0 для биполярного транзистора просто (сопротивление коллекторного перехода равняется десяткам МОм и замыкающие сопротивления в цепи коллектора могут быть даже сотни Ом).

Система h-параметров

Система h-параметров используется как комбинированная система из двух предыдущих, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе (U2 = 0) и режим холостого хода на входе (I1 = 0). Поэтому для системы h-параметров в качестве входных параметров задаются ток I1 и напряжение U2, а в качестве выходных параметров рассчитываются ток I2 и напряжение U1, при этом система, описывающая связь входных I1, U2 и выходных I2, U1 параметров, выглядит следующим образом:

Значения коэффициентов в уравнении для h-параметров имеют следующий вид:

— входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;

— выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи;

— коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи;

— коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе.

Эквивалентная схема четырехполюсника с h-параметрами приведена на рисунке 5.24а, б. Из этой схемы легко увидеть, что режим короткого замыкания на выходе или холостого хода на входе позволяет измерить тот или иной h-параметр.

Рис. 5.24. Эквивалентная схема четырехполюсника:
а) биполярный транзистор в схеме с общей базой; б) биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

Рассмотрим связь h-параметров биполярного транзистора в схеме с общей базой с дифференциальными параметрами. Для этого воспользуемся эквивалентной схемой биполярного транзистора на низких частотах, показанной на рисунке 5.24а, а также выражениями для вольт-амперных характеристик транзистора в активном режиме. Получаем:

Для биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (рис. 5.24б) выражения, описывающие связь h-параметров с дифференциальными параметрами, будут иметь следующий вид:

Для различных схем включения биполярного транзистора (схема с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором) h-параметры связаны друг с другом. В таблице 2 приведены эти связи, позволяющие рассчитывать h-параметры для схемы включения с общей базой, если известны эти параметры для схемы с общим эмиттером.

Таблица 2. Связи между h параметрами

Дифференциальные параметры биполярных транзисторов зависят от режимов их работы. Для схемы с общим эмиттером наибольшее влияние испытывает коэффициент усиления эмиттерного тока h21э в зависимости от тока эмиттера. На рисунке 5.25 приведена эта зависимость для транзисторов КТ215 различных типономиналов. В области малых токов (микромощный режим) коэффициент усиления уменьшается вследствие влияния рекомбинационной компоненты в эмиттерном переходе, а в области больших токов (режим высокого уровня инжекции) — коэффициент усиления уменьшается вследствие уменьшения коэффициента диффузии.