Поначалу желал приписать в заглавии темы: "для начинающих" либо "для чайников", но, поразмыслив, пришёл к выводу: "А ведь далековато не каждый электронщик, считающий себя продвинутыми, соображает: как технологически устроен биполярный транзистор, за счёт чего он обладает усилительными качествами, что оказывает влияние на свойства транзистора и откуда появился этот таинственный зверек — "дырка"".
Начнём с определения: Биполярный транзистор — это полупроводниковый электронный устройство, работающий по принципу взаимодействия 2-ух, впритирку расположенных на кристалле p-n переходов. А если устройство полупроводниковый, то это означает, что, как ни крути, а сделан транзистор из полупроводниковых материалов таких как: кремний, германий, индий и т.д. А что же все-таки это такое — полупроводниковый материал либо по-простому полупроводник?
Полупроводники по своим свойствам занимают среднее положение между проводниками и диэлектриками. При температурах, не сильно отличающихся от абсолютного нуля (-273,15°C), полупроводники владеют качествами диэлектриков. Но даже при малозначительном повышении температуры, сопротивление полупроводника стремительно миниатюризируется, и он начинает проводить электрический ток — т.е. становится проводящим. За счёт чего это происходит?
С ростом температуры кристалл полупроводника получает некоторую долю энергии в виде тепла, достаточную для того, дабы часть негативно заряженных электронов покинуло свои атомы и перебежало в межатомное место. Такие электроны именуются свободными, а атомы кристаллической решётки, от которых отпочковались электроны, получают несбалансирован- ный положительный заряд и получают условное название — "дырка".
Таким макаром, при температурах выше -273,15°C в кристалле незапятнанного полупроводника содержится некоторое количество зарядов обоих символов — свободные электроны и дырки. Если кристалл не содержит примесей, то в хоть какой момент времени количество свободных электронов равно числу имеющихся в кристалле дырок.
Другое дело, если к чистому полупроводнику подмешать некое вещество! Зависимо от параметров этой примеси мы можем получить: или концентрацию дырок, намного превосходящую концентрацию электронов (полупроводник p-типа), или напротив — превышение концентрации электронов над концентрацией дырок (полупроводник n-типа).
Итак, p-полупроводник (от англ. positive) — это полупроводник с положительным дырочным типом проводимости, а n-полупроводник (от англ. negative) — с отрицательным электронным типом проводимости.
Ну вот, а сейчас можно перебегать к описанию структурной схемы транзистора.
Рис.1
Как видно из рисунка Рис.1, биполярные транзисторы — это приборы, сделанные на базе трёхслойной полупроводниковой структуры. Зависимо от порядка чередования областей, различают изделия 2-ух типов проводимости: прямой (p-n-p) и оборотной (n-p-n).
Просто увидеть, что схожая композиция полупроводников в транзисторе припоминает встречно-последовательное соединение 2-ух диодов с общим катодом (p-n-p) или анодом (n-p-n). Эта аналогия справедлива только в одном случае — она позволяет просто тестировать транзистор на предмет его живучести с помощью обыденного омметра либо мультиметра.
Разглядим цепь, иллюстрирующую работу n-p-n транзистора типа в разных режимах.
Рис.2 а) Режим отсечки тр-ра б) Активный режим тр-ра в) Режим насыщения тр-ра
На Рис.2 приведено традиционное включение транзистора n-p-n типа по схеме с общим эмиттером. Положительный вывод источника питания через нагрузку (в качестве которой в нашем случае выступает светодиод) подключается к коллектору транзистора, отрицательный — к эмиттеру полупроводника и для кучи — к земельный шине.
Подадим нулевое смещение на базу транзистора (Рис.2 а)), средством чего введём его в режим отсечки, соответственный условию Uэб 0,6—0,7 В (Рис.2 б)) и тем переведём его в активный (обычный) режим. В данном режиме переход база-эмиттер оказывается включённым в прямом направлении (открыт), а переход база-коллектор — в оборотном (закрыт):
Так как прослойка р-полупроводника базы технологически изготовлена очень узкой, положительное напряжение, приложенное к базе, сумеет "достать" своим электрическим полем до существенно большей по размеру n-области эмиттера. Под действием этого поля электроны из эмиттера направляются к базе и попадают вовнутрь неё. Малая часть электронов встречается и рекомбинирует (нейтрализуется) с дырками, являющимися основными носителями базы, но в связи с её малыми размерами (а соответственно и малым количеством дырок) бОльшая часть электронов проходит через базу и доходит-таки до коллекторного перехода.
Уменьшение числа дырок в базе, происходящее в итоге рекомбинации, компенсируется источником питания Bat2 и обуславливает ток базы, который, как мы уже сообразили — существенно меньше тока эмиттера, который находится в прямой зависимости к интенсивности потока электронов.
Дальше под действием электрического поля, создаваемого положительным потенциалом источника Bat1, электроны попадают из базы через p-n-переход в коллектор транзистора, выходят наружу и через источник питания замыкаются назад в область эмиттера.
Если далее увеличивать напряжение на базе, то количество электронов, участвующих в процессе циркуляции по цепи также возрастет. Результатом будет являться малозначительное (в абсолютном выражении) повышение тока базы и существенное повышение тока коллектора.
А так как ток в цепи прямопропорционален интенсивности потока носителей заряда, то, исходя из всего вышесказанного и в согласовании с первым законом Кирхгофа, в транзисторе всегда существует следующее соотношение между токами: Iк = Iэ — Iб .
Величина дела токов коллектора и эмиттера охарактеризовывает таковой параметр транзистора, как — коэффициент передачи тока α = Iк / Iэ . Из формул следует, что коэффициент передачи тока транзистора всегда меньше единицы и воспринимает значение ≈ 0,9-0,99.
Усиливающее свойство транзистора состоит в том, что средством относительно малого тока базы можно управлять огромным током коллектора. Причём, в активном режиме — изменение тока коллектора прямо пропорционально изменению тока базы: ΔIк = ΔIб x h21э , где h21э (либо β) — статический коэффициент передачи тока транзистора. Этот параметр является справочным и для различных полупроводников составляет величину от 10—12 до 200—300.
И последний режим работы транзистора — режим насыщения (Рис 2 в)) либо по-умному — режим двойной инжекции.
При предстоящем повышении уровня напряжения на базе, ток в коллекторной цепи Iк также возрастает, что приводит (согласно закону Ома) к пропорциональному повышению падения напряжения на нагрузке и, как следствие — уменьшению напряжения Uк.
При определённом уровне этого напряжения Uк, коллекторный переход база-коллектор начнёт перебегать в прямосмещённое (открытое) состояние, т.е. оба p-n перехода транзистора окажутся открытыми. Уровень напряжения на базе, при котором начинается этот процесс, именуется Uбэ.нас, является справочной величиной и указывается при некотором фиксированном токе коллектора.
На физическом уровне, это прямое смещение КП приводит к тому, что не только лишь эмиттер будет засылать (инжектировать) электроны в базу, но и коллектор — тоже. Движение этих коллекторных электронов обратно направлению диффузионного тока эмиттера и интенсивно препятствует предстоящему увеличению тока транзистора.
В итоге этого противоборства, ток коллектора фактически перестаёт зависеть от предстоящего роста уровня напряжения на базе и фиксируется на уровне, именуемом Iк.нас. Ещё один паспортный параметр, характеризующий работу транзистора в режиме насыщения — Uкэ.нас указывает величину падения напряжения между коллектором и эмиттером при данном токе коллектора.
В связи с тем, что величина тока Iк.нас может принимать значения, существенно превосходящие токи транзистора, находящегося линейном режиме, следует пристально относиться к выбору коллекторной нагрузки, дабы не превысить очень допустимых значений мощностей как самого транзистора, так и нагрузки. В случае, изображённом на Рис 2 в), этот выходной ток будет очевидно выше 20мА, допустимых для светодиода, что фактически говоря, и отображено на схеме.
Ну и под занавес приведу пример работы транзисторного каскада ОЭ в активном режиме (Рис.3).
Переменный резистор R1 воспринимает значения от 0 (в верхнем положении) до 680кОм (в нижнем).
В первом приближении — конфигурацией значения напряжения Uбэ можно пренебречь и считать его равным Uбэ ≈ 0,6 В.
Тогда, согласно закону Ома, в верхнем положении потенциометра ток базы будет равен:
Iб ≈ (UBat1 — Uбэ)/(R1+R2) = (9в-0,6в)/51к = 0,16 мА ,
а в нижнем:
Iб ≈ (UBat1 — Uбэ)/(R1+R2) = (9в-0,6в)/(51к +680к) = 0,011 мА ,
А так как мы помним, что Iк = Iб x h21э , то в верхнем положении R1 — Iк = 16мА , т.е. яркость светодиода близка к наибольшей.
В нижнем положении R1 — Iк = 1,1мА , т.е. светодиод не светится, или светится очень слабо.
В промежных положениях ручки потенциометра — токи, а соответственно и яркость свечения, также принимают промежные значения.
На следующей страничке разглядим эквивалентную схему транзистора, также характеристики и свойства разных типов усилительных каскадов.
Биполярный транзистор, механизм работы для чайников
Что такое биполярный транзистор – простое полупроводниковое устройство, функциональность которого обхватывает изменение или усиление выходного сигнала от заряженных частиц.
Это один из типов транзисторов, состоящий из 3-х слоев, которые обеспечивают 2 «зарядных» либо «дырочных» перехода (би — два перехода). Соответственно, данное устройство может быть представлено как два диодных элемента, включенных обратно друг дружке.
В простонародье биполярный транзистор пришел на замену морально и на физическом уровне устаревшим транзисторам лампового вида, которые эксплуатировались очень долгое время в конструкциях телевизоров прошедшего столетия.
Как видно из изображения 1 устройства данного вида имеют 3 выхода, но, по конструктивному выполнению внешний облик отличается друг от друга. Но в схемах электрических цепей они одинаковы во всех случаях.
Зависимо от проводимости биполярные устройства делятся на P→N→P и N→P→N устройства, которые отличаются что переносит заряженные частички — электроны либо средством «дырок».
Устройство биполярного транзистора
Согласно типовых схем, буковкой «Б» именуется «База» — внутренний слой аппарата, его фундамент, который приводит преобразование либо изменение токового сигнала. Стрелка в кругу указывает движение токовых зарядов в «Э».
«Э» — «Эмиттер» — внутренняя основная составляющая транзистора, созданный для переноса заряженных простых частиц в «Б».
«К» — «Коллектор» — 2-ая составляющая транзисторного устройства, которая производит сбор тех же зарядов, которые проходят через «Б».
Пласт «Базы» конструктивно делают очень тоненьким в связи с рекомбинированием заряженных частиц, которые идут через базисный слой, с составными частичками данного пласта. В то же время пласт «Коллектора» конструируют как можно обширнее для высококачественного сбора зарядов.
Механизм работы биполярного транзистора
Механизм работы биполярного транзистора для чайников опишем на образчике P→N→P транзисторного аппарата на рисунке 3. Механизм работы биполярного транзистора N→P→N вида сходен переходу в прямом направлении, только в данном случае заряды — электрические частички движутся от «К» до «Э». Для выполнения данного условия нужно всего на всего поменять полярность присоединенного напряжения.
При отсутствии наружных возмущений, снутри биполярника между его слоями будет существовать разность зарядов. На границах раздела будут установлены единые барьерные мосты, так как в это время толика «дырок» в коллекторе соответствует их численности в эмиттере.
Для четкой работы биполярного транзистора переход в коллекторном пласте нужно сдвинуть в обратном курсе, в то же время в эмиттере направленность перехода должна быть прямым. В данном случае режим функционирования будет активным.
Для выполнения вышеуказанных критерий нужно применить два питания, один из которых с положительным знаком соединяем с концом эмиттера, «минус» подключаем к базисному слою. 2-ой источник напряжения соединяем в следующем порядке: «плюс» к базисному концу, «минус» — к концу коллектора. Изобразим подключение на рисунке 4.
Под воздействием напряжения Uэ, Uк через барьеры совершается переход дырок в эмиттере №1-5 и в базисном слое электрически заряженных частиц №7,8. В этом случае величина тока в эмиттере будет зависеть от количества переходов дырок, так как их больше.
Дырки, которые перебежали в базисный слой собираются у барьерного перехода. Тем у границы с эмиттерным слоем будет собираться общее количество дырок, в то же время у границы с «К», концентрация их значительно ниже. В связи с этим начнется диффузия дырок к «К» и близи границы произойдет их ускорение поля «Б» и переход в «К».
При перемещении через средний слой базы дырки рекомбинируют, заряженный электрон 6 замещает дырку 5. Такое перемещение будет совершаться с повышением плюсового заряда при переходе дырок, соответственно движение зарядов в оборотном направлении будет создавать ток определенной величины, а база остается электрически нейтральной.
Число дырок, которые перебежали в коллектор будет меньше числа, которые покинули эмиттер. Это означает, что электрический ток «К» будет отличаться от значения тока «Э».
Оборотный переход дырок из коллектора нежелателен и понижает эффективность транзистора, так как переход осуществляется не основными, а вспомогательными носителями энергии и зависит данный переход чисто от величины температуры. Данный ток носит название тока тепла. По значению термического тока судят о качестве биполярного транзистора.
На рисунке 5 схематически изобразим направление движения заряженных частиц — токов транзистора.
На основании выше изложенного навязывается вывод: хоть какое изменение тока в структуре слоев эмиттер — база сопровождается конфигурацией величины тока коллектора, при этом самое маленькое изменение «базисного» тока приведет к важной корректировки выходного коллекторного тока.
Режим работы биполярных устройств
Зависимо от величины напряжения на выводах транзистора существует 4 режима его функционирования:
- отсечка — переходов дырки — электроды не происходит;
- активный режим — приведен в описании;
- насыщение — ток базы очень велик и ток коллектора будет иметь наибольшее значение и полностью не зависеть от тока базы, соответственно усиления сигнала не будет;
- инверсия — внедрение устройства с оборотными ролями эмиттера и коллектора.
Плюсы и недочеты биполярных транзисторов
К плюсам биполярных транзисторов в сопоставлении с аналогами относятся:
