Біполярні транзистори. For dummies

Оскільки тема транзисторів вельми і дуже широка, то присвячених їм статей буде дві: окремо про біполярні і окремо про польові транзистори.

Транзистор, як і діод, ґрунтується на явищі p-n переходу. Бажаючі можуть освіжити в пам'яті фізику процесів, що протікають в ньому, тут або тут.

Необхідні пояснення дано, переходимо до суті.

Транзистори. Визначення та історія

Транзистор - електронний напівпровідниковий прилад, у якому струм у ланцюзі двох електродів керується третім електродом. (tranzistors.ru)

Першими були винайдені польові транзистори (1928), а біполярні з'явився в 1947 в лабораторії Bell Labs. І це була без перебільшення революція в електроніці.

Дуже швидко транзистори замінили вакуумні лампи у різних електронних пристроях. У зв'язку з цим зросла надійність таких пристроїв і зменшилися їх розміри. І до цього дня, як би «навороченою» не була мікросхема, вона все одно містить у собі безліч транзисторів (а також діодів, конденсаторів, резисторів та ін.). Лише дуже маленьких.

До речі, спочатку «транзисторами» називали резистори, опір яких можна було змінювати за допомогою величини напруги, що подається. Якщо відволіктися від фізики процесів, то сучасний транзистор теж можна уявити як опір, що залежить від сигналу, що подається на нього.

У чому ж різниця між польовими та біполярними транзисторами? Відповідь закладено у самих їхніх назвах. У біполярному транзисторі у перенесенні заряду беруть участь і електрони, і дірки («біс» - двічі). А в польовому (він же уніполярний) - або електрони, або дірки.

Також ці типи транзисторів відрізняються галузями застосування. Біполярні використовуються в основному в аналоговій техніці, а польові - в цифровій.

І, насамкінець: основна сфера застосування будь-яких транзисторів - Підсилення слабкого сигналу за рахунок додаткового джерела живлення.

Біполярний транзистор. Принцип роботи Основні характеристики

Біполярний транзистор складається з трьох областей: емітера, бази та колектора, на кожну з яких подається напруга. Залежно від типу провідності цих областей, виділяють n-p-n та p-n-p транзистори. Зазвичай область колектора ширша, ніж емітера. Базу виготовляють із слаболегованого напівпровідника (через це вона має великий опір) і роблять дуже тонкою. Оскільки площа контакту емітер-база виходить значно меншою за площу контакту база-колектор, то поміняти емітер і колектор місцями за допомогою зміни полярності підключення не можна. Таким чином, транзистор відноситься до несиметричних пристроїв.

Перш ніж розглядати фізику роботи транзистора, окреслимо загальне завдання.

Вона полягають у наступному: між емітером та колектором тече сильний струм (струм колектора), а між емітером та базою - слабкий керуючий струм (струм бази). Струм колектора змінюватиметься в залежності від зміни струму бази. Чому?
Розглянемо p-n переходи транзистора. Їх два: емітер-база (ЕБ) та база-колектор (БК). В активному режимі роботи транзистора перший з них підключається з прямим, а другий з зворотним зсувами. Що при цьому відбувається на p-n переходах? Для більшої визначеності розглядатимемо n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогічно, тільки слово "електрони" потрібно замінити на "дірки".

Оскільки перехід ЕБ відкритий, то електрони легко переходять в базу. Там вони частково рекомбінують з дірками, але боБільша їх частина через малу товщину бази та її слабку легованість встигає добігти до переходу база-колектор. Який, як ми пам'ятаємо, включений зі зворотним усуненням. А оскільки в базі електрони є неосновними носіями заряду, то електиричне поле переходу допомагає їм подолати його. Таким чином, струм колетора виходить лише трохи менше струму емітера. А тепер стежте за руками. Якщо збільшити струм бази, перехід ЕБ відкриється сильніше, і між емітером і колектором зможе проскочити більше електронів. А оскільки струм колектора спочатку більше струму бази, то ця зміна буде дуже помітно. Таким чином, відбудеться посилення слабкого сигналу, що надійшов на базу. Ще раз: сильна зміна струму колектора є пропорційним відображенням слабкої зміни струму бази.

Пам'ятаю, що моєї одногрупниці принцип роботи біполярного транзистора пояснювали на прикладі водопровідного крана. Вода в ньому - струм колектора, а струм бази, що управляє, - те, наскільки ми повертаємо ручку. Достатньо невеликого зусилля (керуючого впливу), щоб потік води з крана збільшився.

Крім розглянутих процесів, на p-n переходах транзистора може відбуватися ще ряд явищ. Наприклад, при сильному збільшенні напруги на переході база-колектор може розпочатися лавинне розмноження заряду через ударну іонізацію. А разом із тунельним ефектом це дасть спочатку електричний, а потім (із зростанням струму) та тепловою пробою. Однак, тепловий пробій в транзисторі може наступити і без електричного (тобто без підвищення колекторної напруги до пробивного).Для цього буде достатньо одного надмірного струму через колектор.

Ще одне явища пов'язане з тим, що при зміні напруги на колекторному та емітерному переходах змінюється їх товщина. І якщо база занадто тонка, то може виникнути ефект змикання (так званий «прокол» бази) — з'єднання колекторного переходу з емітерним. У цьому область бази зникає, і транзистор перестає працювати.

Колекторний струм транзистора у нормальному активному режимі роботи транзистора більше струму бази у кілька разів. Це число називається коефіцієнтом посилення струму і є одним із основних параметрів транзистора. Позначається воно h21. Якщо транзистор включається без навантаження на колектор, то при постійній напрузі колектор-емітер відношення струму колектора до струму бази дасть статичний коефіцієнт посилення струму. Він може дорівнювати десяткам або сотням одиниць, але варто враховувати той факт, що в реальних схемах цей коефіцієнт менший через те, що при включенні навантаження струм колектора закономірно зменшується.

Другим важливим параметром є вхідний опір транзистора. Згідно із законом Ома, воно є відношенням напруги між базою і емітером до керуючого струму бази. Чим воно більше, тим менший струм бази і тим вищий коефіцієнт посилення.

Третій параметр біполярного транзистора коефіцієнт посилення за напругою. Він дорівнює відношенню амплітудних або діючих значень вихідного (емітер-колектор) та вхідного (база-емітер) змінної напруги.Оскільки перша величина зазвичай дуже велика (одиниці і десятки вольт), а друга - дуже маленька (десяті частки вольт), цей коефіцієнт може досягати десятків тисяч одиниць. Варто зазначити, що кожен сигнал бази, що управляє, має свій коефіцієнт посилення по напрузі.

Також транзистори мають частотну характеристику, Що характеризує здатність транзистора посилювати сигнал, частота якого наближається до граничної частоти посилення. Справа в тому, що зі збільшенням частоти вхідного сигналу коефіцієнт посилення знижується. Це відбувається через те, що час протікання основних фізичних процесів (час переміщення носіїв від емітера до колектора, заряд та розряд бар'єрних ємнісних переходів) стає порівнянним з періодом зміни вхідного сигналу. Тобто. транзистор просто не встигає реагувати зміни вхідного сигналу й у якийсь момент просто перестає його посилювати. Частота, на якій це відбувається, і називається граничної.

• зворотний струм колектор-емітер



• час включення



• зворотний струм колектора



• максимально допустимий струм

Умовні позначення n-p-n та p-n-p транзисторів відрізняються лише напрямком стрілочки, що позначає емітер. Вона показує те, як тече струм у даному транзисторі.

Режими роботи біполярного транзистора

1. Інверсний активний режим. Тут відкритий перехід БК, а ЕБ, навпаки, закритий. Підсилювальні властивості в цьому режимі, природно, гірше нікуди, тому транзистори в цьому режимі використовуються дуже рідко.



2. Режим насичення. Обидва переходи відкриті. Відповідно, основні носії заряду колектора та емітера «біжать» у базу, де активно рекомбінують із її основними носіями.Через надмірність носіїв заряду, що виникає, опір бази і p-n переходів зменшується. Тому ланцюг, що містить транзистор в режимі насичення, можна вважати короткозамкненим, а сам цей радіоелемент представляти у вигляді еквіпотенційної точки.



3. Режим відсічки. Обидва переходи транзистора закриті, тобто. Струм основних носіїв заряду між емітером і колектором припиняється. Потоки неосновних носіїв заряду створюють лише малі та некеровані теплові струми переходів. Через бідність бази та переходів носіями зарядів, їхній опір сильно зростає. Тому часто вважають, що транзистор, що працює в режимі відсічення, є розривом ланцюга.



4. Бар'єрний режим У цьому режимі база безпосередньо або через мале опір замкнена з колектором. Також колекторний або емітерний ланцюг включають резистор, який задає струм через транзистор. Таким чином, виходить еквівалент схеми діода з послідовно включеним опором. Цей режим дуже корисний, тому що дозволяє схемі працювати практично на будь-якій частоті, у великому діапазоні температур і невимогливий до параметрів транзисторів.

Схеми включення біполярних транзисторів

Оскільки контактів у транзистора три, то загальному випадку харчування на нього потрібно подавати від двох джерел, у яких разом виходить чотири висновки. Тому на один із контактів транзистора доводиться подавати напругу однакового знака від обох джерел. І в залежності від того, що це за контакт, розрізняють три схеми включення біполярних транзисторів: із загальним емітером (ОЕ), загальним колектором (ОК) та загальною базою (ПРО). Кожна з них має як переваги, так і недоліки.Вибір між ними робиться в залежності від того, які параметри для нас важливі, а які можна поступитися.

Схема включення із загальним емітером

Ця схема дає найбільше посилення за напругою та струмом (а звідси й за потужністю — до десятків тисяч одиниць), у зв'язку з чим є найпоширенішою. Тут перехід емітер-база включається прямо, а перехід база-колектор назад. А оскільки і на базу, і на колектор подається напруга одного знака, то можна запитати схему від одного джерела. У цій схемі фаза вихідної змінної напруги змінюється щодо фази вхідної змінної напруги на 180 градусів.

Але до всіх плюшок схема з ОЕ має і суттєвий недолік. Він полягає в тому, що зростання частоти та температури призводить до значного погіршення підсилювальних властивостей транзистора. Таким чином, якщо транзистор повинен працювати на високих частотах, краще використовувати іншу схему включення. Наприклад, із загальною базою.

Схема включення із загальною базою

Ця схема не дає значного посилення сигналу, зате хороша на високих частотах, оскільки дозволяє повніше використовувати частотну характеристику транзистора. Якщо один і той же транзистор включити спочатку за схемою із загальним емітером, а потім із загальною базою, то в другому випадку спостерігатиметься значне збільшення його граничної частоти посилення. Оскільки при такому підключенні вхідний опір низький, а вихідний - не дуже великий, то зібрані за схемою з ПРО каскади транзисторів застосовують в підсилювачах антенних, де хвильовий опір кабелів зазвичай не перевищує 100 Ом.

У схемі із загальною базою немає інвертування фази сигналу, а рівень шумів на високих частотах знижується.Але, як уже було сказано, коефіцієнт посилення струму в неї завжди трохи менше одиниці. Щоправда, коефіцієнт посилення за напругою тут такий самий, як і у схемі із загальним емітером. До недоліків схеми із загальною базою можна також віднести необхідність використання двох джерел живлення.

Схема включення із загальним колектором

Особливість цієї схеми у цьому, що вхідна напруга повністю передається назад вхід, т.к. е. дуже сильний негативний зворотний зв'язок.

Нагадаю, що негативною називають такий зворотний зв'язок, коли вихідний сигнал подається назад на вхід, чим знижує рівень вхідного сигналу. Таким чином, відбувається автоматичне коригування при випадковій зміні параметрів вхідного сигналу.

Коефіцієнт посилення струму майже такий самий, як і у схемі із загальним емітером. А ось коефіцієнт посилення за напругою невеликий (основний недолік цієї схеми). Він наближається до одиниці, але завжди менший за неї. Таким чином, коефіцієнт посилення за потужністю виходить рівним всього декільком десяткам одиниць.

У схемі із загальним колектором фазовий зсув між вхідною та вихідною напругою відсутня. Оскільки коефіцієнт посилення по напрузі близький до одиниці, вихідна напруга по фазі та амплітуді збігається з вхідною, т.е. е. повторює його. Саме тому така схема називається емітерним повторювачем. Емітерним – тому, що вихідна напруга знімається з емітера щодо загального дроту.

Таке включення використовують для узгодження транзисторних каскадів або коли джерело вхідного сигналу має високий вхідний опір (наприклад п'єзоелектричний звукознімач або конденсаторний мікрофон).

Два слова про каскади

Буває таке, що потрібно збільшити вихідну потужність (тобто збільшити колекторний струм). І тут використовують паралельне включення необхідного числа транзисторів.

Звичайно, вони повинні бути приблизно однаковими за характеристиками. Але слід пам'ятати, що максимальний сумарний колекторний струм не повинен перевищувати 1,6-1,7 від граничного струму колектора будь-якого транзистора каскаду.
Тим не менш (дякую wrewolf за зауваження), у випадку з біполярними транзисторами так робити не рекомендується. Тому що два транзистори навіть одного типономінала хоч трохи, але відрізняються один від одного. Відповідно, при паралельному включенні через них тектимуть струми різної величини. Для вирівнювання цих струмів емітерні ланцюги транзисторів ставлять балансні резистори. Величину їхнього опору розраховують так, щоб падіння напруги на них в інтервалі робочих струмів було не менше 0,7 В. Зрозуміло, що це призводить до значного погіршення ККД схеми.

Може також виникнути необхідність у транзисторі з гарною чутливістю і при цьому з добрим коефіцієнтом посилення. У таких випадках використовують каскад із чутливого, але малопотужного транзистора (на малюнку – VT1), який керує енергією живлення потужнішого побратима (на малюнку – VT2).

Інші сфери застосування біполярних транзисторів

Транзистори можна застосовувати не тільки в схемах посилення сигналу. Наприклад, завдяки тому, що вони можуть працювати в режимах насичення та відсікання, їх використовують як електронні ключі. Також можливе використання транзисторів у схемах генераторів сигналу. Якщо вони працюють у ключовому режимі, то генеруватиметься прямокутний сигнал, а якщо в режимі посилення - то сигнал довільної форми, що залежить від керуючого впливу.