Все о биполярных транзисторах: принцип действия и режим их работы, схемы включения и способы проверки на работоспособность

Что такое биполярный транзистор

Биполярный транзистор основан на принципе использования зарядов обоих значений (двигающиеся электроны и дырки). Этот тип самый распространенный активное полупроводниковое устройство. Любой из биполярных транзисторов состоит из трех слоев – р-n и n-р-n. Каждый из них имеет контакт с внешним выводом. Слой, который находится в середине, называется базой, один из слоев, лежащих по краям – эмиттер, другой слой на противоположном конце транзистора носит название коллектор.

В данной статье будут описаны все особенности строения, функционирования, а также где они могут использоваться в современной электротехнике. В качестве дополнения, статья содержит в себе две видеолекции по транзисторам, а также одну подробную скачиваемую статью.

Биполярный транзистор на схеме
Биполярный транзистор на схеме

Биполярные транзисторы

Транзисторы можно рассматривать как своего рода переключатели, такие же как и многие электронные компоненты, например, реле или вакуумные лампы. Транзисторы применяются в различных схемах, и редко какая схема обходится без них, даже сейчас, при широком использовании микросхем. Существует два основных вида биполярных транзисторов – n-p-n и p-n-p, они различаются по проводимости.

Два схожих по параметрам транзистора разных проводимостей называют комплементарной парой. Если в какой-нибудь схеме, например, в усилителе, заменить транзисторы одного вида на транзисторы другого вида со схожими параметрами (не забыв изменить при этом полярность питающих напряжений, электролитических конденсаторов и полупроводниковых диодов), то схема будет работать точно так же, за исключением СВЧ диапазона, поскольку n-p-n транзисторы являются более высокочастотными, чем p-n-p, и здесь возможно не удастся подобрать комплементарную пару.

Биполярный транзистор – трёхэлектродный полупроводниковый прибор, разновидность транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости.

Чаще всего в схемах применяют транзисторы структуры n-p-n. Это связано с тем, что в схемах эмиттеры транзисторов соединены с отрицательным источником питания.

Соответственно и общий провод схемы так же будет соединён с отрицательным выводом источника питания, что является общепринятым стандартом.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах, но все они имеют три вывода (у высокочастотных транзисторов иногда имеется и четвёртый вывод, соединённый с металлическим корпусом – экраном):

  • База- это управляющий вывод;
  • Коллектор- находится под положительным потенциалом (для n-p-n транзистора);
  • Эмиттер- находится под отрицательным потенциалом (для n-p-n транзистора).

Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы, транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку.

В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер.

Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и очень слабо легированной, большая часть электронов, инжектированная из эмиттера диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб+Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк=α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999, чем больше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер.

В широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β=α/(1-α)=(10-1000). Т.о. изменяя малый ток базы можно управлять значительно большим током коллектора.

Биполярный транзистор – электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, предназначенный для усиления, преобразования и генерации электрических сигналов. Вся конструкция выполняется на пластине кремния, либо германия, либо другого полупроводника, в которой созданы три области с различными типами электропроводности.

Будет интересно➡  Что такое полевые транзисторы?

Средняя область называется базой, одна из крайних областей – эмиттером, другая – коллектором. Соответственно в транзисторе два p-n-перехода: эмиттерный – между базой и эмиттером и коллекторный – между базой и коллектором.

Область базы должна быть очень тонкой, гораздо тоньше эмиттерной и коллекторной областей (на рисунке это показано непропорционально). От этого зависит условие хорошей работы транзистора. Транзистор работает в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах.

При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном – обратное. В режиме отсечки на оба перехода подано обратное напряжение. Если на эти переходы подать прямое напряжение, то транзистор будет работать в режиме насыщения.

Типы биполярных транзисторов.
Типы биполярных транзисторов.

Физические процессы

Возьмем транзистор типа n-p-n в режиме без нагрузки, когда подключены только два источника постоянных питающих напряжений E1 и E2. На эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном – обратное. Соответственно, сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока достаточно напряжения E1 в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и напряжение E2 составляет обычно десятки вольт.

Соответственно, как и раньше, темные маленькие кружки со стрелками – электроны, красные – дырки, большие кружки – положительно и отрицательно заряженные атомы доноров и акцепторов. Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе, а вольт-амперная характеристика коллекторного перехода подобна ВАХ диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в следующем. Прямое напряжение эмиттерного перехода uб-э влияет на токи эмиттера и коллектора и чем оно выше, тем эти токи больше. Изменения тока коллектора при этом лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Получается, что напряжение на переходе база-эмиттер, т. е. входное напряжение, управляет током коллектора. На этом явлении основано усиление электрических колебаний с помощью транзистора. Основные биполярные транзисторы приведены в таблице ниже.

таблица основных биполярных транзисторов
Таблица характеристик биполярных транзисторов.

 

При увеличении прямого входного напряжения uб-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и, соответственно, возрастает ток через этот переход iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора.Поскольку коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды (на рисунке большие кружки). Между ними возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Схема работы и устройства биполярного транзистора.
Схема работы и устройства биполярного транзистора.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате этого возникает ток базы.

Ток база является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Именно поэтому базовую область делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать с дырками и, повторюсь, ток базы будет незначительным.

Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, можно считать, что в этом переходе тока нет. Тогда область коллекторного перехода имеет значительное сопротивление постоянному току, поскольку основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей.

Будет интересно➡  Что такое динистор?

Если же под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, то в базу со стороны эмиттера инжектируются электроны, для данной области являющиеся неосновными носителями. Они доходят до коллекторного перехода не успевая рекомбинировать с дырками при прохождении через базу.

Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллектору, тем меньше становится его сопротивление, следовательно, ток коллектора увеличивается. Аналогичные явления происходят в транзисторе типа p-n-p, надо только местами поменять электроны и дырки, а также полярность источников E1 и E2.

Как устроен транзистор.
Как устроен транзистор.

Помимо рассмотренных процессов существует еще ряд явлений. Рассмотрим модуляцию толщины базы.При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение заряда, обусловленное в основном ударной ионизацией.

Это явление и туннельный эффект могут вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой. Все происходит также, как у диодов, но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе тепловой пробой может наступить без предварительного электрического пробоя.

Тепловой пробой может наступить без повышения коллекторного напряжения до пробивного. При изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах изменяется их толщина, в результате чего изменяется толщина базы.

Особенно важно учитывать напряжение коллектор-база, поскольку при этом толщина коллектора возрастает, толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может возникнуть эффект смыкания (так называемый “прокол” базы) – соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т. е. увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. А вот при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда этих самых носителей в базе и сей процесс обозвали рассасыванием неосновных носителей зарядов в базе.

И напоследок одно правило: при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не включено питание цепи коллектора. Надо также включать питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Схема устройства транзистора.
Схема устройства транзистора.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, состоящий из трех чередующихся областей полупроводника с различным типом проводимости (р-п-р или п-р-п) с выводом от каждой области. Рассмотрим работу транзистора n-р-n-типа. Чередующиеся области образуют два р-п-перехода база–эмиттер (БЭ) и база–коллектор (БК).

К переходу БЭ прикладывают прямое напряжение EБЭ, под действием которого электроны n-области эмиттера устремляются в базу, создавая ток эмиттера. Концентрацию примесей в эмиттере делают во много раз больше, чем в базе, а саму базу по возможности тоньше. Поэтому лишь незначительная часть (1–5%) испущенных эмиттером электронов рекомбинирует с дырками базы.

Большая же часть электронов, миновав узкую (доли микрона) область базы, “собирается” коллекторным напряжением Ек, представляющим обратное напряжение для перехода БК, и, устремляясь к плюсу внешнего источника Eк, создает коллекторный ток, протекающий по нагрузке Rн. Электроны, рекомбинировавшие с дырками базы, составляют ток базы IБ.

Ток коллектора, таким образом, определяется током эмиттера за вычетом тока базы. Аналогично работает транзистор р-n-р-типа, отличаясь лишь тем, что его эмиттер испускает в базу не электроны, а дырки, поэтому полярности прикладываемых к нему прямого UЭБ и обратного Ек напряжений должны быть противоположны транзистору п-р-п-типа.

Важное по теме. Как прозвонить транзистор.

На условном обозначении транзисторов стрелка ставится на эмиттере и направлена всегда от р-области к n-области. На рис. 1.8, б приведено условное обозначение транзистора п-р-п, а на рис. 1.9, б – р-п-р. Кружок вокруг транзистора означает, что транзистор изготовлен в самостоятельном корпусе, а отсутствие кружка – что транзистор выполнен заодно с другими элементами на пластинке полупроводника интегральной микросхемы.

Будет интересно➡  Как устроены многоцветные светодиоды

Стрелку эмиттера удобно рассматривать как указатель полярности прямого напряжения, приложенного между базой и эмиттером, которое “открывает” (подобно выпрямительному диоду) транзистор. При использовании транзистора в электронных устройствах нужны два вывода для входного сигнала и два – для выходного.

Так как у транзистора всего лишь три вывода, один из них должен быть общим, принадлежащим одновременно и к входной, и к выходной цепи. Возможны три варианта схем включения транзисторов – с общей базой, общим эмиттером и с общим коллектором.

Переход в биполярном транзисторе.
Переход в биполярном транзисторе.

Схема с общей базой

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) показана на рис. 1.10. Входным сигналом для схемы с ОБ является напряжение, поданное между эмиттером и базой UBX = = UЭБ; выходным – напряжение, выделяемое на нагрузке Uвых = IкRн; входным током – ток эмиттера Iвх = IЭ; выходным током – ток коллектора Iвых = Iк.

Входное напряжение UЭБ является управляющим для транзистора, поэтому небольшое его изменение (па доли вольт) приводит к изменению тока эмиттера в очень широких пределах – практически от нуля до максимального. Максимальный ток определяется назначением транзистора (маломощные, средней мощности и большой мощности) и соответствующей конструкцией.

Так как напряжение UΚБ является обратным, величина напряжения внешнего источника Ек может в десятки раз превышать значение напряжения UЭБ. Падение напряжения, выделяемого на нагрузке, будет тем больше, чем больше ток коллектора, при этом на самом транзисторе будет падать лишь небольшое напряжение UКБ, которое будет тем меньше, чем больше ток коллектора.

Таким образом, изменение на доли вольт входного напряжения приводит к изменению напряжения на нагрузке, чуть меньшего, чем напряжение Ек. Это положение определяет усилительные свойства транзистора.

Для оценки работы транзистора и его усилительных свойств в различных схемах включения рассматривают приращения входных и вызванные ими приращения выходных величин. Рассматривая транзистор как усилитель, принято характеризовать его свойства коэффициентами усиления и значением входного сопротивления. Различают три вида коэффициентов усиления:

  • • коэффициент усиления по току К= ΔIвых /ΔIвх;
  • • коэффициент усиления по напряжению К= ΔUвых/ΔUвх;
  • • коэффициент усиления по мощности КР = К• КU.

Отношение изменения входного напряжения к изменению входного тока: Rвх = ΔUвх/ΔIвх. Входное сопротивление любого усилителя приводит к искажению входного сигнала. Любой реальный источник сигнала обладает некоторым внутренним сопротивлением, и при подключении его к усилителю образуется делитель напряжения, состоящий из внутреннего сопротивления источника и входного сопротивления усилителя.

Поэтому чем выше входное сопротивление усилителя, тем большая часть сигнала будет выделяться на этом сопротивлении и усиливаться и тем меньшая его часть будет падать на внутреннем сопротивлении самого источника. Таким образом, КРБ тоже определяется соотношением сопротивлений. Так как коэффициент усиления схемы с ОБ по току КIБ оказывается меньше единицы, она применения не нашла.

Размеры биполярного транзистора.
Размеры биполярного транзистора.

Заключение

Рейтинг автора
Автор статьи
Лагутин Виталий Сергеевич
Инженер по специальности "Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем", МИФИ, 2005–2010 гг.
Написано статей
74

Более подробно о работе биполярного транзистора можно узнать, прочитав статью Лабораторная работа по биполярным транзисторам. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию для подготовки статьи:

www.electrono.ru

www.zpostbox.ru

www.radio.cybernet.name

www.reom.ru

www.studme.org

Предыдущая
ПолупроводникиЧто такое транзистор
Следующая
ПолупроводникиМаркировка SMD транзисторов
Ссылка на основную публикацию
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять