Биполярные транзисторы. For dummies. Как работает транзистор в схеме

Именно поэтому MOSFET транзисторы не требуют резистора последовательно с затвором, как в случае с NPN транзисторами. Вместо этого необходимо подключить резистор между затвором и сетевым питанием, чтобы обеспечить выключение транзистора, когда кнопка не нажата.

Биполярные транзисторы. For dummies

Тема транзисторов настолько обширна, что им посвящены две статьи: отдельно по биполярным транзисторам и отдельно по полевым транзисторам.

Транзисторы, как и диоды, основаны на эффекте p-n контакта. Заинтересованные читатели могут освежить в памяти физику этого явления здесь или здесь.

Теперь, когда необходимые объяснения даны, давайте перейдем к делу.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — это электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в двухэлектродной цепи управляется третьим электродом. (tranzistors.com)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные транзисторы были изобретены в Bell Labs в 1947 году. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В результате эти устройства стали более надежными и значительно уменьшились в размерах. И по сей день, каким бы «умным» ни был чип, он содержит множество транзисторов (диодов, конденсаторов, резисторов и т.д.). Они очень маленькие.

Кстати, «транзисторы» изначально назывались резисторами, и их сопротивление может изменяться при подаче напряжения. В дополнение к физике процесса, современные транзисторы также могут быть представлены как резисторы, в зависимости от подаваемого на них сигнала.

В чем разница между полевым транзистором и биполярным транзистором? Ответ кроется в самом названии. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют как электроны, так и дырки («bis» — дважды). В полевых транзисторах (также называемых монопольными транзисторами) имеются либо электроны, либо дырки.

Эти типы транзисторов также имеют различные применения. Биполярные транзисторы в основном используются в аналоговой технологии, а полевые транзисторы — в цифровой.

И, наконец, основное применение каждого транзистора — это усиление слабых сигналов с помощью вспомогательного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярные транзисторы состоят из трех областей, каждая из которых живая: эмиттер, база и коллектор. В зависимости от типа проводимости этих областей различают n-p-n и p-n-p транзисторы. Область коллектора обычно шире, чем область эмиттера. Основа изготовлена из низколегированных полупроводников (высокое сопротивление) и очень тонкая. Площадь контакта между излучателем и базой намного меньше, чем площадь контакта коллектора с базой, поэтому невозможно поменять местами излучатель и коллектор, изменив полярность. Поэтому транзисторы являются асимметричными устройствами.

Прежде чем мы рассмотрим физику транзисторов, давайте обсудим некоторые общие вопросы.

Действует следующее: большой ток (ток коллектора) протекает между эмиттером и коллектором, малый управляющий ток (ток базы) протекает между эмиттером и базой. Ток коллектора изменяется в зависимости от тока базы. Зачем; изучите p-n контакты транзистора. Это база эмиттера (EB) и база коллектора (BC). Если транзистор находится в активном режиме, то первый подключается с соответствующей поляризацией, а второй — с обратной. Что происходит с p-n контактами? Чтобы убедиться в этом, рассмотрим n-n транзисторы. То же самое относится и к p-n-p, но только слово «электрон» нужно заменить на «дырка».

Из-за открытых контактов EB электроны могут легко «убегать» в базу. Там они частично рекомбинируют с дыркой, но большинство из них могут достичь соединения база-коллектор из-за малой толщины базы и слабого легирования. Как мы помним, он становится активным при обратной поляризации. А поскольку электроны в основании являются носителями заряда, не принадлежащими основанию, электрическое поле соединения помогает им преодолеть его. Поэтому ток коллектора немного меньше тока эмиттера. Теперь посмотрите на свою руку. При увеличении тока базы контакт EB размыкается, и между эмиттером и коллектором проходит больше электронов. Это изменение также очень заметно, поскольку ток коллектора изначально больше тока базы. Это усиливает слабый сигнал, достигающий базы. Опять же, сильное изменение тока коллектора является отражением соответствующего слабого изменения тока базы.

Помню, как одноклассник объяснял принцип работы биполярных транзисторов на примере крана. Вода в нем — это коллекторный и базовый токи, которые управляют тем, насколько сильно повернута ручка. Достаточно приложить небольшое усилие (управляющее воздействие), чтобы увеличить поток воды из крана.

Помимо рассматриваемого процесса, на p-n контакте транзистора могут происходить и другие явления. Например, внезапное увеличение напряжения на соединении база-коллектор может инициировать лавинное умножение нагрузки из-за столкновительной ионизации. Это, в сочетании с туннельным эффектом, вызывает сначала электрический пробой, а затем (по мере увеличения тока) тепловой пробой. Однако тепловой пробой транзистора может происходить и без электрического пробоя (т.е. без увеличения коллекторного напряжения до напряжения пробоя). Достаточно простого перенапряжения через коллектор.

Другое явление заключается в том, что напряжение соединения коллектора с эмиттером изменяется в зависимости от толщины. Если основание слишком тонкое, может возникнуть эффект стягивания (известный как перфорация основания). Это означает, что контакты коллектора соединены с контактами эмиттера. В этом случае область базы исчезает, и транзистор не работает должным образом.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах. Один и тот же транзистор может выглядеть совершенно по-разному. Корпуса наиболее распространены в конструкции прототипов.

Биполярные транзисторы

Транзисторы с биполярным переходом (BJT) имеют три вывода

База — протекание малого тока разблокирует большие токи — база заземлена и заблокирована

Основными характеристиками биполярного транзистора являются hfe. также называется усилением. Он показывает, сколько раз ток коллектор-эмиттер может протекать через транзистор относительно тока база-эмиттер.

Например, hfe. = 100, через базу проходит 0,1 мА, транзистор будет пропускать максимум 10 мА. В этом случае в секции высокого тока есть компоненты, например, 8 мА, учитывая 8 мА, транзистор имеет «запас». Если есть компоненты, которые поглощают ток 20 мА, обеспечивается только максимальный ток 10 мА.

В документации на каждый транзистор также указывается максимально допустимое напряжение и ток для контактов. Превышение этих значений может привести к перегреву и сокращению срока службы, а чрезмерное превышение — к катастрофе.

NPN и PNP

Вышеупомянутый транзистор является так называемым NPN-транзистором. Он назван так потому, что состоит из трех слоев кремния, соединенных последовательно. Отрицательный-положительный-отрицательный. Отрицательный — это сплав кремния с избытком отрицательно заряженных носителей (n-допированный) и положительно заряженных носителей (p-допированный).

NPN более эффективен и часто используется в промышленности.

PNP-транзисторы обозначаются направлением стрелки. Стрелка всегда направлена от P к N. PNP-транзисторы работают «инвертировано». Ток не блокируется, когда основание заземлено; ток блокируется, когда он проходит через основание.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (FET) служат той же цели, но имеют другую внутреннюю конструкцию. MOSFET (полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник) являются особым типом этих компонентов. Они позволяют работать с гораздо большей мощностью при тех же размерах. Кроме того, сами лезвия управляются только напряжением. В отличие от биполярных транзисторов, ток через затвор не протекает.

Полевые транзисторы имеют три точки контакта

Затвор — к затвору прикладывается напряжение для пропускания тока — затвор заземляется для прерывания тока.

N-Channel и P-Channel

Как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы имеют разную полярность. N-канальные транзисторы были рассмотрены выше. Они являются наиболее распространенными.

P-канал, когда он маркирован, имеет другое направление стрелки, и здесь операция также является «инвертированной».

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Общая задача микроконтроллера — включать или выключать определенные компоненты схемы. Сами микроконтроллеры обычно являются обыденными с точки зрения энергосопротивления. Например, Arduino может выдержать 40 мА при напряжении 5 В на своих выводах. Мощные двигатели или очень яркие светодиоды могут потреблять сотни миллисекунд. Если такие нагрузки подключены напрямую, микросхема может быстро выйти из строя. Кроме того, для работы некоторых компонентов требуется более 5 В, а Arduino не может выдавать более 5 В со своих цифровых выходных выводов.

Однако управлять транзисторами очень легко, а транзисторы потребляют большой ток. Предположим, вам нужно подключить большую светодиодную ленту, которая требует 12 В и потребляет 100 мА.

Здесь, когда выход установлен в разумное (высокое) значение, 5 В, поступающие на базу, включают транзистор, и ток течет через полоску — она светится. Если выход установлен в логический ноль (низкий уровень), база заземляется через микроконтроллер и поток питания блокируется.

Обратите внимание на токоограничивающий резистор R. Это необходимо для того, чтобы при подаче управляющего напряжения не произошло короткого замыкания микроконтроллер-транзистор-земля. Главное, чтобы на контактах Arduino не превышался допустимый ток 40 мА. Поэтому минимальное номинальное значение резистора.

= \frac<5\unit- 0.3\unit><0.04\unit<А>>Около 118 мкс в единицах$»/>

Здесь Ud -это падение напряжения на концах самого транзистора. Этот показатель зависит от материала, из которого он изготовлен, и обычно составляет от 0,3 до 0,6 В.

Однако совсем не обязательно поддерживать ток на пределе. Величина транзистора должна быть достаточной для обеспечения требуемого тока. В нашем случае это 100 мА. Например, предположим, что транзистор h используетсяfe. = 100, достаточно тока управления 1 мА.

= \frac<5\unit- 0.3\unit><0.001\unit<А>> = 4700 Lo_700 ܀ единиц = 4.7 Lo_700 ܀ единиц$»/>

Подходят резисторы с номинальными значениями от 118 Ом до 4,7 кОм. Для стабильной работы, с одной стороны, и меньшей нагрузки на микросхему, с другой, подходит 2,2 кОм.

Если вместо биполярных транзисторов используются полевые транзисторы, это можно сделать без резисторов.

Это связано с тем, что затворы этих транзисторов управляются только напряжением. Ток в секции микрометр-затвор-исток отсутствует. Кроме того, благодаря своей высокой эффективности, схемы, использующие МОП-транзисторы, могут управлять очень мощными компонентами.

Если не указано иное, содержание этой вики лицензировано по следующей лицензии: CC Attribution-Noncommercial-Share Alike 4.0 International

Приведенный выше тип полупроводникового прибора является классическим и называется транзистором с управляемым p-n-переходом. Часто встречается аббревиатура JFET-JunctionFET. Это просто английский перевод русского названия.

Для чего нужны транзисторы и как они работают

Транзисторы являются основой всех цифровых электронных устройств в 21 веке. Они выполняют самые разнообразные функции. Он является преемником радиолампы, так называемого вакуумного триплета. В этой статье на простых примерах описывается концепция, работа и применение транзисторов в электронике.

Что такое концепция? Это общее представление об объекте или процессе. Например, концепция автомобиля — это четыре колеса, руль, кузов, двигатель и коробка передач. Хотя концепция одна и та же, автомобили имеют разный дизайн, конструкцию и назначение.

Транзисторы, как и вакуумные триоды, имеют очень простую концепцию и принцип работы.

Triodus — это деталь с тремя точками контакта.

Представьте себе резервуар для воды с клапаном посередине.

Что вы можете сделать с потоком воды? Вы можете управлять им за счет задвижки.

Например, если вода поступает в бак, а в баке нет клапана, вода течет беспрепятственно.

В то же время, если полностью перекрыть проход клапаном, вода также не будет поступать в резервуар во второй обусловленной части резервуара, и поток прекратится.

Поток воды также можно полностью контролировать, регулируя клапан.

Было обнаружено, что маленький клапан может управлять потоком большого количества воды. Небольшие изменения (движения) клапана позволяют большим объемам воды протекать с одинаковой частотой.

И именно в этом смысл транзисторов и вакуумных триодов. С их помощью можно управлять большими токами без особых усилий.

В то же время, однако, транзисторы могут быть установлены по-разному.

Полевые транзисторы

Приведенный выше пример — это полевой транзистор. Простейшие полевые транзисторы имеют сток, исток и затвор.

Транзисторы изготавливаются из полупроводникового материала. Поэтому они имеют второе название — полупроводниковые триоды.

Полупроводники могут быть использованы для создания p-n соединений.

Каждый транзистор состоит из p-n-перехода, проводящего ток в одном направлении. Затем развязка может управлять электричеством, как ворота.

Полевые транзисторы управляются напряжением, приложенным к затвору.

Так выглядит полевой транзистор с каналом p-типа.

Канал транзистора — это область между истоком и стоком.

Почему транзисторы имеют разную проводимость? Транзисторы типа n управляются при положительном потенциале, а транзисторы типа p — при отрицательном. Это позволяет усиливать сигналы различных потенциалов.

На самом деле у FET два порта, но поскольку функция одна и та же, выводы объединены в один. Зачем вам нужны двое ворот? Это облегчает управление транзистором.

Характеристики

Поскольку полупроводниковые транзисторы состоят из полупроводников, на них также влияет окружающая среда. Например, при изменении температуры окружающей среды транзистор может вносить нелинейные искажения в выходной сигнал. С этим справляются схемы термостабилизации, которые стабилизируют работу транзистора при высоких температурах.

Транзисторы также имеют вольт-амперную характеристику (ВАХ), которая, в отличие от вакуумной технологии, быстро насыщается.

Все транзисторы имеют следующие параметры

  • Коэффициент усиления по току;
  • Коэффициент усиления по напряжению;
  • Коэффициент усиления по току;
  • Коэффициент обратной связи;
  • Коэффициент передачи по току;
  • Входное сопротивление;
  • Выходное сопротивление;
  • Время включения;
  • Максимально допустимый ток и др.
  • Обратный ток коллектор-эмиттер;
  • Частота коэффициента передачи тока базы;
  • Обратный ток коллектора;
  • Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером и др.

Режимы работы

В целом, можно выделить несколько режимов работы.

Функции транзисторов

Транзисторы выполняют следующие функции

  1. Позволяют усиливать электрические сигналы. Транзисторы усиливают любые электрические сигналы, как высокие так и низкие частоты.
  2. Могут работать как ключ, включать и выключать поступление электрического тока. Благодаря этому простому включению и выключению работают все современные процессоры. Транзисторы – это основа всей современной цифровой техники.
  3. Генерируют электрические сигналы за счет положительной обратной связи. На их основе можно сделать генераторы звука и сигналов.
  4. Могут согласовывать сопротивления электрических цепях за счет различных схем включения и работают как ограничители тока. В блоках питания транзисторы могут ограничивать ток короткого замыкания, а также работать как предохранитель.

Чем транзисторы уступают лампам

Несмотря на очевидные преимущества транзисторов перед лампами, ламповые триодные вакуумные лампы все еще имеют некоторые преимущества.

  • Устойчивость к высоким электромагнитным наводкам и помехам. Это не значит, что полупроводниковая техника может выйти из строя от любых помех. Но если случится сильнейшая магнитная буря от Солнца (или мощный ЭМИ удар от ядерных бомб), то все p-n переходы в полупроводниковой технике могут выйти из строя из-за высоких токов наводки. Вакуумная техниках намного устойчивее к таким помехам.
  • Ламповая техника намного лучше и стабильнее работает на высоких частотах. И это уже особенности конструкции. Так как в транзисторах есть p-n переходы, то у них тоже есть своя емкость. А паразитная емкость на высоких частотах негативно влияет на усиление сигнала. Появляются нелинейные искажения. А в вакуумной технике есть такие лампы, у которых по несколько экранирующих сеток, которые позволяют снизить эффект паразитных емкостей. Пример радиолампы — это клистрон.

Нельзя сразу сказать, что транзисторы полностью устранили лампы. Каждая часть имеет свои преимущества и недостатки в различных областях. Конечно, в цифровой технологии транзисторы не могут конкурировать с лампочками. Однако на очень высоких частотах транзисторы все же уступают лампам.

Оцените статью
Бизнес блог