Транзистором называется полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний. Так что же такое транзистор ? - Он представляет собой кристалл, помещенный в корпус, снабженный выводами. Кристалл изготовляют из полупроводникового материала. По своим электрическим свойствам полупроводники занимают некоторое промежуточное положение между проводниками и непроводниками тока (изоляторами).

Небольшой кристалл полупроводникового материала (полупроводника) после соответствующей технологической обработки становится способным менять свою электропроводность в очень широких пределах при подведении к нему слабых электрических колебаний и постоянного напряжения смещения.

Кристалл помещают в металлический или пластмассовый корпус и снабжают тремя выводами, жесткими или мягкими, присоединенными к соответствующим зонам кристалла. Металлический корпус иногда имеет собственный вывод, но чаща с корпусом соединяют один из трех электродов транзистора.

В настоящее время находят применение транзисторы двух видов — биполярные и полевые . Биполярные транзисторы появились первыми и получили наибольшее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Полевые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных.

Быполярные транзисторы

Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицательные заряды переносятся электронами. В биполярном транзисторе используют кристалл из германия или кремния — основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов.

Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми , другие - германиевыми . Для обоих разновидностей биполярных транзисторов характерны свои особенности, которые обычно учитывают при проектировании устройств.

Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появление в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость). Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой.

Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близколежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзистор.

Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей заряда, а вторую — коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмиттером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваивают названия, аналогичные его электродам.

Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электрическое напряжение — входной сигнал, то в цепи коллектор — эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмиттером, но во много раз больший по значению.

Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относительно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) должно быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера — несколько вольт.

Включение в цепь n-р-n и р-n-р транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещения. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой лишь значением напряжения смещения. У кремниевых оно примерно на 0,45 В больше, чем у герма ниевых.

Рис. 1

На рис. 1 показаны условные графические обозначения транзисторов той и другой структуры, выполненных на основе германия и кремния, и типовое напряжение смещения. Электроды транзисторов обозначены первыми буквами слов: эмиттер — Э, база — Б, коллектор — К.

Напряжение смещения (или, как принято говорить, режим) показано относительно эмиттера, но на практике напряжение на электродах транзистора указывают относительно общего провода устройства. Общим проводом в устройстве и на схеме называют провод, гальванически соединенный с входом, выходом и часто с источником питания, т. е. общий для входа, выхода и источника питания.

Усилительные и другие свойства транзисторов характеризуются рядом электрических параметров, наиболее важные из которых рассмотрены ниже.

Статический коэффициент передачи тока базы h 21Э показывает, во сколько раз ток коллектора биполярного транзистора больше тока его базы, вызвавшего этот ток. У большинства типов транзисторов численное значение этого коэффициента от экземпляра к экземпляру может изменяться от 20 до 200. Есть транзисторы и с меньшим значением — 10...15, и с большим — до 50...800 (такие называют транзисторами со сверхусилением).

Нередко считают, что хорошие результаты можно получить только с транзисторами, имеющими большое значение h 21э. Однако практика показывает, что при умелом конструировании аппаратуры вполне можно обойтись транзисторами, имеющими h 2 l Э, равный всего 12...20. Примером этого может служить большинство конструкций, описанных в этой книге.

Частотными свойствами транзистора учитывается тот факт, что транзистор способен усиливать электрические сигналы с частотой, не превышающей определенного для каждого транзистора предела. Частоту, на которой транзистор теряет свои усилительные свойства, называют предельной частотой усиления транзистора.

Для того, чтобы транзистор мог обеспечить значительное усиление сигнала, необходимо, чтобы максимальная рабочая частота сигнала была по крайней мере в 10...20 раз меньше предельной частоты f т транзистора. Например, для эффективного усиления сигналов низкой частоты (до 20 кГц) применяют низкочастотные транзисторы, предельная частота которых не менее 0,2...0,4 МГц.

Для усиления сигналов радиостанций длинноволнового и средневолнового диапазонов волн (частота сигнала не выше 1,6 МГц) пригодны лишь высокочастотные транзисторы с предельной частотой не ниже 16...30 МГц.

Максимальная допустимая рассеиваемая мощность — это наибольшая мощность, которую может рассеивать транзистор в течение длительного времени без опасности выхода из строя. В справочниках по транзисторам обычно указывают максимальную допустимую мощность коллектора Яктах, поскольку именно в цепи коллектор — эмиттер выделяется наибольшая мощность и действуют наибольшие ток и напряжение.

Базовый и коллекторный токи, протекая по кристаллу транзистора, разогревают его. Германиевый кристалл может нормально работать при температуре не более 80, а кремниевый — не более 120°С. Тепло, которое выделяется в кристалле, отводится в окружающую, среду через корпус транзистора, а также и через дополнительный теплоотвод (радиатор), которым дополнительно снабжают транзисторы большой мощности.

В зависимости от назначения выпускают транзисторы малой, средней и большой мощности. Маломощные используют главным образом для усиления и преобразования слабых сигналов низкой и высокой частот, мощные — в оконечных ступенях усиления и генерации электрических колебаний низкой и высокой частот.

Усилительные возможности ступени на биполярном транзисторе зависят не только от того, какой он мощности, а сколько от того, какой конкретно выбран транзистор, в каком режиме работы по переменному и постоянному току он работает (в частности, каковы ток коллектора и напряжение между коллектором и эмиттером), каково соотношение рабочей частоты сигнала и предельной частоты транзистора.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током между двумя электродами, образованным направленным движением носителей заряда дырок или электронов, осуществляется электрическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде.

Электроды, между Которыми протекает управляемый ток, иоСят название истока и стока, причем истоком считают тот электрод, из которого выходят (истекают) носители заряда.

Третий, управляющий, электрод называют затвором. Токопроводящий участок полупроводникового материала между истоком и стоком принято называть каналом, отсюда еще одно название этих транзисторов — канальные. Под действием напряжения на затворе» относительно истока меняется сопротивление канала» а значит, и ток через него.

В зависимости от типа носителей заряда различают транзисторы с n-каналом или р-каналом . В n-канальных ток канала обусловлен направленным движением электронов, а р-канальных — дырок. В связи с этой особенностью полевых транзисторов их иногда называют также униполярными. Это название подчеркивает, что ток в них образуют носители только одного знака, что и отличает полевые транзисторы от биполярных.

Для изготовления полевых транзисторов используют главным образом кремний, что связано с особенностями технологии их производства.

Основные параметры полевых транзисторов

Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y 21 указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение крутизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна характеристики радиоламп.

Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала.

Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, достигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая экономичность в расходе тока.

Частотные свойства полевого транзистора, так же как и биполярного, характеризуются значением предельной частоты. Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10...20 раз меньше предельной частоты транзистора.

Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

Для нормальной работы полевого транзистора на его электродах должно действовать постоянное напряжение начального смещения. Полярность напряжения смещения определяется типом канала (n или р), а значение этого напряжения — конкретным типом транзистора.

Здесь следует указать, что среди полевых транзисторов значительно больше разнообразие конструкций кристалла, чем среди биполярных. Наибольшее распространение в любительских конструкциях и в изделиях промышленного производства получили полевые транзисторы с так называемым встроенным каналом и р-n переходом.

Они неприхотливы в эксплуатации, работают в широких частотных пределах, обладают высоким входным сопротивлением, достигающим на низкой частоте нескольких мегаом, а на средней и высокой частотах — нескольких десятков или сотен килоом в зависимости от серии.

Для сравнения укажем, что биполярные транзисторы имеют значительно меньшее входное сопротивление, обычно близкое к 1...2 кОм, и лишь ступени на составном транзисторе могут иметь большее входное сопротивление. В этом со-состоит большое преимущество полевых транзисторов перед биполярными.

На рис. 2 показаны условные обозначения полевых транзисторов со встроенным каналом и р-n переходом, а также указаны и типовые значения напряжения смещения. Выводы обозначены в соответствии с первыми буквами названий электродов.

Характерно, что для транзисторов с р-каналом напряжение на стоке относительно истока должно быть отрицательным, а на затворе относительно истока — положительным, а для транзистора с n-каналом — наоборот.

В промышленной аппаратуре и реже в радиолюбительской находят также применение полевые транзисторы с изолированным затвором. Такие транзисторы имеют еще более высокое входное сопротивление, могут работать на очень высоких частотах. Но у них есть существенный недостаток — низкая электрическая прочность изолированного затвора.

Для его пробоя и выхода транзистора из строя вполне достаточно даже слабого заряда статического электричества, который всегда есть на теле человека, на одежде, на инструменте.

По этой причине выводы полевых транзисторов с изолированным затвором при хранении следует связывать вместе мягкой голой проволокой, при монтаже транзисторов руки и инструменты нужно «заземлять», используют и другие защитные мероприятия.

Литература: Васильев В.А. Приемники начинающего радиолюбителя (МРБ 1072).

Электроника окружает нас всюду. Но практически никто не задумывается о том, как вся эта штука работает. На самом деле все довольно просто. Именно это мы и постараемся Вам сегодня показать. А начнем с такого важного элемента, как транзистор. Расскажем, что это такое, что делает, и как работает транзистор.

Что такое транзистор?

Транзистор – полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электрическим током.

Где применяются транзисторы? Да везде! Без транзисторов не обходится практически ни одна современная электрическая схема. Они повсеместно используются при производстве вычислительной техники, аудио- и видео-аппаратуры. Времена, когда советские микросхемы были самыми большими в мире, минули, и размер современных транзисторов очень мал. Так, самые маленькие из устройств имеют размер порядка нанометра! Однако существуют и гигантские экземпляры, использующиеся преимущественно в областях энергетики и промышленности.

Существуют разные типы транзисторов: биполярные и полярные, прямой и обратной проводимости. Тем не менее, в основе работы этих приборов лежит один и тот же принцип. Транзистор — прибор полупроводниковый. Как известно, в полупроводнике носителями заряда являются электроны или дырки. Область с избытком электронов обозначается буквой n (negative), а область с дырочной проводимостью – p (positive).

Как работает транзистор?

Чтобы все было предельно ясно, рассмотрим работу биполярного транзистора (самый популярный вид).

Биполярный транзистор (далее – просто транзистор) представляет собой кристалл полупроводника (чаще всего используется кремний или германий ), разделенный на три зоны с разной электропроводностью. Зоны называются соответственно коллектором , базой и эмиттером . Устройство транзистора и его схематическое изображение показаны на рисунке ни же

Биполярный транзистор

Разделяют транзисторы прямой и обратной проводимости. Транзисторы p-n-p называются транзисторами с прямой проводимостью, а транзисторы n-p-n – с обратной.

Теперь о том, какие есть два режима работы транзисторов. Сама работа транзистора похожа на работу водопроводного крана или вентиля. Только вместо воды – электрический ток. Возможны два состояния транзистора – рабочее (транзистор открыт) и состояние покоя (транзистор закрыт).

Что это значит? Когда транзистор закрыт, через него не течет ток. В открытом состоянии, когда на базу подается малый управляющий ток, транзистор открывается, и большой ток начинает течь через эмиттер-коллектор.

Физические процессы в транзисторе

А теперь подробнее о том, почему все происходит именно так, то есть почему транзистор открывается и закрывается. Возьмем биполярный транзистор. Пусть это будет n-p-n транзистор.

Если подключить источник питания между коллектором и эмиттером, электроны коллектора начнут притягиваться к плюсу, однако тока между коллектором и эмиттером не будет. Этому мешает прослойка базы и сам слой эмиттера.

Транзистор закрыт

Если же подключить дополнительный источник между базой и эмиттером, электроны из n области эмиттера начнут проникать в область баз. В результате область базы обогатиться свободными электронами, часть из которых рекомбинирует с дырками, часть потечет к плюсу базы, а часть (большая часть) направится к коллектору. Таким образом, транзистор получается открыт, и в нем течет ток эмиттер коллектор. Если напряжение на базе увеличить, увеличится и ток коллектор эмиттер. Причем, при малом изменении управляющего напряжения наблюдается значительный рост тока через коллектор-эмиттер. Именно на этом эффекте и основана работа транзисторов в усилителях.

Транзистор открыт

Вот вкратце и вся суть работы транзисторов. Нужно рассчитать усилитель мощности на биполярных транзисторах за одну ночь, или выполнить лабораторную работу по исследованию работы транзистора? Это не проблема даже для новичка, если вооружиться знаниями авторов нашей компании. Не стесняйтесь обращаться за профессиональной помощью в таких важных вопросах, как учеба! А теперь, когда у вас уже есть представление о транзисторах, предлагаем расслабиться и посмотреть клип группы Korn “Twisted transistor”! Например, вы решили , обращайтесь в Заочник.

В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые .

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими между собой р-п-переходами и тремя или более выводами.

Полупроводниковый кристалл транзистора состоит из трех областей с чередующимися типами электропроводности, между которыми находятся два р-п -перехода. Средняя область обычно выполняется очень тонкой (доли микрона), поэтому р-п -переходы близко расположены один от другого.

В зависимости от порядка чередования областей полупроводника с различными типами электропроводности различают транзисторы р-п-р и п-р-п- типов. Упрощенные структуры и УГО разных типов транзисторов показаны на рисунке 1.23, а , б .

Рисунок 1.23 - Структура и УГО биполярных транзисторов

Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором. В качестве основного материала для изготовления биполярных транзисторов в настоящее время используется кремний. При этом преимущественно изготовляют транзисторы п-р-п -типа, в которых основными носителями заряда являются электроны, имеющие подвижность в два-три раза выше, чем подвижность дырок.

Управление величиной протекающего в выходной цепи (в цепи коллектора или эмиттера) биполярного транзистора тока осуществляется с помощью тока в цепи управляющего электрода - базы . Базой называется средний слой в структуре транзистора. Крайние слои называются эмиттер (испускать, извергать) и коллектор (собирать). Концентрация примесей (а, следовательно, и основных носителей зарядов) в эмиттере существенно больше, чем в базе и больше, чем в коллекторе. Поэтому эмиттерная область самая низкоомная .

Для иллюстрации физических процессов в транзисторе воспользуемся упрощенной структурой транзистора п-р-п- типа, приведенной на рисунке 1.24. Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что р-п -переходы транзистора сильно взаимодействуют друг с другом. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот.

В активном режиме (когда транзистор работает как усилительный элемент) к транзистору подключают два источника питания таким образом, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом направлении , а коллекторный - в обратном (рисунок 1.24). Под действием электрического поля источника Е БЭ через эмиттерный переход течет достаточно большой прямой ток I Э, который обеспечивается, главным образом, инжекцией электронов из эмиттера в базу Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной вследствие указанного выше различия в концентрациях атомов примесей.

Рисунок 1.24 - Физические процессы в биполярном транзисторе

Поток электронов, обеспечивающий ток I Э через переход эмиттер - база показан на рисунке 1.24 широкой стрелкой. Часть инжектированных в область базы электронов (1 … 5%) рекомбинируют с основными для этой области носителями заряда - дырками, образуя во внешней цепи базы ток I Б. Вследствие большой разности концентраций основных носителей зарядов в эмиттере и базе, нескомпенсированные инжектированные в базу электроны движутся в глубь ее по направлению к коллектору .

Вблизи коллекторного р-п- перехода электроны попадают под действие ускоряющего электрического поля этого обратносмещенного перехода. А поскольку в базе они являются неосновными носителями, то происходит втягивание (экстракция ) электронов в область коллектора. В коллекторе электроны становятся основными носителями зарядов и легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней цепи транзистора.

Таким образом, ток через базовый вывод транзистора определяют две встречно направленные составляющие тока . Если бы в базе процессы рекомбинации отсутствовали, то эти токи были бы равны между собой, а результирующий ток базы был бы равен нулю. Но так как процессы рекомбинации имеются в любом реальном транзисторе, то ток эмиттерного p-n -перехода несколько больше тока коллекторного p-n -перехода.

Для тока коллектора можно записать следующее равенство

, (1.9)

где a ст - статический коэффициент передачи тока эмиттера;

I КБО - обратный ток коллекторного перехода (тепловой ток) (у транзисторов малой мощности при нормальной температуре составляет 0, 015 ... 1 мкА).

На практике статический коэффициент передачи тока эмиттера a ст , взависимости от типа транзистора, может принимать значения в диапазоне 0,95 … 0,998.

Ток эмиттера в транзисторе численно является самым большим и равен

, (1.11)

где - статический коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером (в справочной литературе используется обозначение h 21Э , обычно принимает значение b ст = 20 … 1000 в зависимости от типа и мощности транзистора).

Из ранее сказанного следует, что транзистор представляет собой управляемый элемент, поскольку значение его коллекторного (выходного) тока зависит от значений токов эмиттера и базы.

Заканчивая рассмотрение принципа работы биполярного транзистора, следует отметить, что сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода (при подаче на него обратного напряжения) очень велико (сотни килоом). Поэтому в цепь коллектора можно включать нагрузочные резисторы с весьма большими сопротивлениями , тем самым практически не изменяя значения коллекторного тока. Соответственно в цепи нагрузки будет выделяться значительная мощность.

Сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода, напротив, весьма мало (десятки - сотни Ом). Поэтому при почти одинаковых значениях эмиттерного и коллекторного токов мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается существенно меньше мощности, выделяемой в цепи нагрузки. Это указывает на то, что транзистор является полупроводниковым прибором, усиливающим мощность .

Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной: сплавление , диффузия , эпитаксия . Это в значительной мере определяет характеристики прибора. Типовые структуры биполярных транзисторов, изготовленных различными методами, приведены на рисунке 1.25. В частности, на рисунке 1.25, а показана структура сплавного , на рисунке 1.25, б - эпитаксиально -диффузионного , на рисунке 1.25, в - планарного , на рисунке 1.25, г - мезапланарного транзисторов .

Рисунок 1.25 - Способы изготовления биполярных транзисторов

Режимы работы и схемы включения транзистора

На каждый р-п- переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. В соответствии с этим различают четыре режима работы биполярного транзистора: режим отсечки , режим насыщения , активный режим и инверсный режим.

Активный режим обеспечивается подачей на эмиттерный переход прямого напряжения, а на коллекторный - обратного (основной режим работы транзистора). Этот режим соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера и обеспечивает минимальное искажение усиливаемого сигнала.

В инверсном режиме к коллекторному переходу приложено прямое напряжение, к эмиттерному - обратное (a ст ® min; используется очень редко).

В режиме насыщения оба перехода находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки.

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратных направлениях. Выходной ток близок к нулю.

Режимы насыщения и отсечки используется одновременно в ключевых схемах (при работе транзистора в ключевом режиме).

При использовании транзистора в электронных устройствах нужны два вывода для подачи входного сигнала и два вывода для подключения нагрузки (снятия выходного сигнала). Поскольку у транзистора всего три вывода, один из них должен быть общим для входного и выходного сигналов.

В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим при подключении источника сигнала и нагрузки, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ) (рисунок 1.26, а ); с общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 1.26, б ); с общим коллектором (ОК) (рисунок 1.26, в ).

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, то есть необходимые значения напряжений и начальных токов. Входные сигналы переменного тока создаются источниками и вх. Они изменяют ток эмиттера (базы) транзистора, а, соответственно, и ток коллектора. Приращения тока коллектора (рисунок 1.26, а , б ) и тока эмиттера (рисунок 1.26, в ) создадут, соответственно, на резисторах R К и R Э приращения напряжений, которые и являются выходными сигналами и вых .

а б в

Рисунок 1.26 - Схемы включения транзистора

При определении схемы включения транзистора необходимо учитывать то, что сопротивление источника постоянного напряжения для переменного тока близко к нулю.

Вольт-амперные характеристики транзистора

Наиболее полно свойства биполярного транзистора описываются с помощью статических вольт-амперных характеристик. При этом различают входные и выходные ВАХ транзистора. Поскольку все три тока (базовый, коллекторный и эмиттерный) в транзисторе тесно взаимосвязаны, при анализе работы транзистора необходимо пользоваться одновременно входными и выходными ВАХ.

Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои вольт-амперные характеристики, представляющие собой функциональную зависимость токов через транзистор от приложенных напряжений. Из-за нелинейного характера указанных зависимостей их представляют обычно в графической форме.

Транзистор, как четырехполюсник, характеризуется входными и выходными статическими ВАХ, показывающими соответственно зависимость входного тока от входного напряжения (при постоянном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (при постоянном входном токе транзистора).

На рисунке 1.27 показаны статические ВАХ р-п-р -транзистора, включенного по схеме с ОЭ (наиболее часто применяемой на практике).

а б

Рисунок 1.27 - Статические ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ

Входная ВАХ (рисунок 1.27, а ) подобна прямой ветви ВАХ диода. Она представляет собой зависимость тока I Б от напряжения U БЭ U КЭ , то есть зависимость вида

. (1.12)

Из рисунка 1.27, а видно: чем больше напряжение U КЭ , тем правее смещается ветвь входной ВАХ. Это объясняется тем, что при увеличении обратносмещающего напряжения U КЭ происходит увеличение высоты потенциального барьера коллекторного р -п -перехода. А поскольку в транзисторе коллекторный и эмиттерный р -п -переходы сильно взаимодействуют, то это, в свою очередь, приводит к уменьшению базового тока при неизменном напряжении U БЭ .

Статические ВАХ, представленные на рисунке 1.27, а , сняты при нормальной температуре (20 °С). При повышении температуры эти характеристики будут смещаться влево, а при понижении - вправо. Это связано с тем, что при повышении температуры повышается собственная электропроводность полупроводников.

Для выходной цепи транзистора, включенного по схеме с ОЭ, строится семейство выходных ВАХ (рисунок 1.27, б ). Это обусловлено тем, что коллекторный ток транзистора зависит не только (и не столько, как видно из рисунка) от напряжения, приложенного к коллекторному переходу, но и от тока базы. Таким образом, выходной вольт-амперной характеристикой для схемы с ОЭ называется зависимость тока I К от напряжения U КЭ при фиксированном токе I Б , то есть зависимость вида

. (1.13)

Каждая из выходных ВАХ биполярного транзистора характеризуется в начале резким возрастанием выходного тока I К при возрастании выходного напряжения U КЭ , а затем, по мере дальнейшего увеличения напряжения, незначительным изменением тока.

На выходной ВАХ транзистора можно выделить три области, соответствующие различным режимам работы транзистора: область насыщения , область отсечки и область активной работы (усиления), соответствующая активному состоянию транзистора, когда ½U БЭ ½ > 0 и ½U КЭ ½> 0.

Входные и выходные статические ВАХ транзисторов используют при графо-аналитическом расчете каскадов, содержащих транзисторы.

Статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора р -п -р -типа для схемы включения с ОБ приведены на рисунке 1.28, а и 1.28, б соответственно.

а б

Рисунок 1.28 - Статические ВАХ биполярного транзистора для схемы включения с ОБ

Для схемы с ОБ входной статической ВАХ называют зависимость тока I Э от напряжения U ЭБ при фиксированном значении напряжения U КБ , то есть зависимость вида

. (1.14)

Выходной статической ВАХ для схемы с ОБ называется зависимость тока I К от напряжения U КБ при фиксированном токе I Э , то есть зависимость вида

. (1.15)

На рисунке 1.28, б можно выделить две области, соответствующие двум режимам работы транзистора: активный режим (U КБ < 0 и коллекторный переход смещен в обратном направлении); режим насыщения (U КБ > 0 и коллекторный переход смещен в прямом направлении).

Математическая модель биполярного транзистора

К настоящему времени известно много электрических моделей биполярных транзисторов. В системах автоматизации проектирования (САПР) радиоэлектронных средств наиболее часто используются: модели Эберса-Молла , обобщенная модель управления зарядом Гуммеля-Пуна, модель Линвилла, а также локальные П- и Т-образные модели линейных приращений Джиаколлето.

Рассмотрим, в качестве примера, один из вариантов модели Эберса-Молла (рисунок 1.29), отражающей свойства транзисторной структуры в линейном режиме работы и в режиме отсечки.

Рисунок 1.29 - Схема замещения биполярного транзистора (модель Эберса-Молла)

На рисунке 1.29 использованы обозначения: r э , r б , r к - сопротивления, соответственно, эмиттерной, базовой и коллекторной областей транзистора и контактов к ним; I б , I к - управляемые напряжением и п на входном переходе источники тока, отражающие передачу тока через транзистор; R эб - сопротивление утечки перехода база-эмиттер; R кб - сопротивление утечки перехода база-коллектор. Ток источника I б связан с напряжением на переходе соотношением

, (1.15)

где I БО - ток насыщения перехода база-эмиттер (обратный ток);

y к = (0,3 … 1,2) В - контактная разность потенциалов (зависит от типа полупроводникового материала);

т - эмпирический коэффициент.

Параллельно переходу база-эмиттер включены барьерная емкость С бэ и диффузионная емкость С дэ перехода. Величина С бэ определяется обратным напряжением на переходе и п и зависит от него по закону

, (1.16)

где С 0б - емкость перехода при и п = 0;

g = 0,3 ... 0,5 - коэффициент, зависящий от распределения примесей в области базы транзистора.

Диффузионная емкость является функцией тока I б , протекающего через переход, и определяется выражением

где А - коэффициент, зависящий от свойств перехода и его температуры.

Коллекторно-базовый переход моделируется аналогично, отличие состоит лишь в учете только барьерной емкости перехода

, (1.18)

так как при работе транзистора в линейном режиме и режиме отсечки коллекторного тока этот переход закрыт. Выражение для тока управляемого источника коллекторного тока , моделирующего усилительные свойства транзистора, имеет вид

, (1.19)

где b ст - статический коэффициент передачи тока базы транзистора в схеме с общим эмиттером.

Параметры модели Эберса-Молла могут быть получены либо расчетным путем на основе анализа физико-топологической модели транзистора, либо измерены экспериментально. Наиболее легко определяются статические параметры модели на постоянном токе.

Глобальная электрическая модель дискретного биполярного транзистора, учитывающая индуктивности и емкости его выводов, представлена на рисунке 1.30.

Рисунок 1.30 - Глобальная модель биполярного транзистора

Основные параметры биполярного транзистора

При определении переменных составляющих токов и напряжений (то есть при анализе электрических цепей на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (рисунок 1.31, а ). Названия (физическая сущность) входных и выходных токов и напряжений такого четырехполюсника зависят от схемы включения транзистора.

а б

Рисунок 1.31 - Представление биполярного транзистора линейным четырехполюсником

Для схемы включения транзистора с общим эмиттером токи и напряжения четырехполюсника (рисунок 1.31, б ) соответствуют следующим токам и напряжениям транзистора:

- i 1 - переменная составляющая тока базы;

- u 1 - переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером;

- i 2 - переменная составляющая тока коллектора;

- u 2 - переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером.

Транзистор удобно описывать, используя так называемые h -параметры. При этом система уравнений четырехполюсника в матричном виде примет вид

. (1.20)

Коэффициенты h ij (то есть h -параметры) определяют опытным путем, используя поочередно режимы короткого замыкания и холостого хода на входе и выходе четырехполюсника.

Сущность h -параметров для схемы включения транзистора с ОЭ следующая:

- - входное сопротивление транзистора для переменного сигнала при коротком замыкании на выходе;

- r б - омическое сопротивление тела базы. У реальных транзисторов достигает значений 100 … 200 Ом;

- r э - сопротивление р -п -перехода, значение которого зависит от режима работы транзистора и меняется в активном режиме в пределах долей - десятков Ом;

B - дифференциальный коэффициент передачи тока базы, определяемый из выражения

; (1.25)

Сопротивление коллекторной области, определяемое из выражения

, (1.26)

где r к - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (обычно находится в пределах доли - десятки МОм), определяемое из выражения

(1.27)

Для усиления электрических импульсов используются полупроводниковые триоды. Так как работает транзистор за счет изменения напряжения в сети, он может регулировать силу тока в определенном электрическом устройстве.

Виды транзисторов

Транзистор – это полупроводниковый активный радиоэлемент, который необходим для генерирования, преобразования и усиления электрического сигнала (его частоты и силы). Его еще называют полупроводниковым триодом. Этот элемент схемы необходим для работы практически всех известных электрических устройств (коммутатор зажигания, диодный мост, блок питания, переключатель нагрузки, датчик и т. д.). Он был запатентован в начале 20-го века при участии известного ученого-физика Юлия Эдгара Лилиенфельда, но его совершенствование произошло только на базе уже существующего биполярного в 60-х. Только спустя 20 лет Шокли, Бардином и Браттейном были созданы первые биполярные триоды.

Фото – конструкция

Конструктивно транзистор состоит из трех электродов: база, эмиттер, коллектор. Здесь эмиттером и коллектором представлены основные детали устройства, база выполняет функции управления сетью, усиления тока и его преобразования. Схема с этим электрическим элементом обозначается в виде трех электродных отводов, заключенных в круг. Стрелка указывает направление тока в эмиттере.

Фото – виды триодов

Существует два типа транзисторов: полевой и биполярный, они отличаются друг от друга принципом работы и областью использования. Полевой элемент управляется входящим напряжение сети, в то время, как биполярный – током. Рассмотрим их работу более подробно.

Фото – структура

Полевой транзистор – это однопереходный элемент, т. к. в нем протекает заряд только с одним знаком (+ или -). Поэтому они называются униполярными. Эти детали классифицируются по типу управления:

1. С р-n переходом или барьером Шоттки;
2. С изолированным затвором MOSFET;
3. МДП или металл-диэлектрик-проводник.

Изолированный элемент практически ничем не отличается от неизолированного, за исключением дополнительного слоя диэлектрика между затвором и каналом. Его называют МОП-транзистором из-за конструкции: металл-оксид-полупроводник.

Фото – устройство полевого

Биполярный транзистор известен своим свойством пропускать заряды с разным знаком через одну базу. В этом элементе ток продвигается через базу на коллектор. Бывает таких исполнений:

1. n-p-n;
2. p-n-p;
3. С изолированным отводом IGBT.

npn – это транзисторы с обратной проводимостью. pnp – с прямой. Одним из подвидов обратного полупроводникового триода является оптотрон, который открывается не за счет тока, а при распознавании света. Элемент в таком режиме работы используется в разных датчиках освещенности, выключателях и т. д.

Фото – устройство биполярного

Помимо этого, данные элементы могут разниться по мощности, размеру, используемому материалу для базы. Мощность транзисторов находится в пределах от 100 мВт до 1 Вт и более, современная электроника использует все виды, в зависимости от назначения и конструктивных особенностей прибора.

Ранее биполярные транзисторы имели относительно большой размер, сравнительно с современными деталями. Сейчас электроника использует даже так называемые «острова» – это элементы, которые представлены на схеме в виде точки. Они практически незаметны постороннему глаз, но позволяют пропускать и контролировать сильные импульсы.

У каждого типа транзисторов есть определенные достоинства и недостатки:

1. Полевые могут разрушаться при низких температурах и высокой влажности;
2. Полевой регулятор сигналов очень чувствителен к статическому электричеству. Учитывая, что через усилитель проходят разряды тока до нескольких тысяч Вольт, его затвор может быть легко разрушен;
3. Биполярные модели имеют малое сопротивление;
4. Электронная схема с общей базой для подключения обратных транзисторов должна подключаться к двум разным источникам питания.

Принцип работы для начинающих

Полевой триод управляется воздействием на носители тока электрического поля, а не током входной базовой цепи. Основа этого элемента – кремниево-фосфорная пластина типа n, которая от смеси кремния и бора отличается большим количеством свободных электродов. На этой пластине находится затвор с каналом – он называется p-областью. Этот канал имеет два окончания – сток и исток, которые также имеют область p, но только с увеличенным количеством электронов. Благодаря этому, между каналом и затвором создается p-n переход.

Фото – принцип работы

Контактные выводы соединяют между собой затвор, исток и сток. Если к истоку подключен плюс, а к стоку минус от источника питания, то система канала начнет получать ток. Он будет создаваться за счет движения электронов между проводниками цепи. Это называется ток стока. Обратите внимание на то, что когда к истоку подключен положительный вывод, область обеднения расширяется, а канал сужается, за счет чего значительно увеличивается сопротивление стока. Соответственно, если область обеднения будет сужаться, то ток стока увеличиваться. Так работает полевой транзистор.

Фото – разница между триодами

Биполярный обратный npn работает за счет цепи эмиттер-коллектор. Когда к схеме подключается ток, то транзистор открывается. Если изменить напряжение тока, поступающего на базу, то можно будет управлять током в цепи. Этот принцип работы используется в большинстве моделей современной электроники.

Главным образом электротехника применяет транзисторы полярного и униполярного типа для усиления сигналов разнообразных датчиков или регулирования тока сети питания. Примечательной особенностью этих элементов является то, что на них можно собирать разные логические микросхемы, выступающие в роли логического умножителя, отрицателя и т. д.

Видео: объяснение работы транзистора
https://www.youtube.com/watch?v=37V3gDGvhPQ

Работа в схеме

Транзисторы – это одни из самых популярных и необходимых элементов схем в электронике. Рассмотрим, как эти элементы используются на триггере и регенераторе. Импульсный триггер Шмиттта – это генератор, в котором все входящее напряжение делится компаратором на три диапазона. Он состоит из транзисторов, которые соединены между собой гальванической связью и резистором, резисторов нагрузки и конденсатора.

Фото – работа транзистора в триггере Шмитта

Когда триггер подключается к источнику питания, то один его МОП-транзистор открывается, а второй закрывается. После этого в цепи появляется некоторое напряжение, уровень которого зависит от обвязки элементов схемы.

Использование полупроводниковых триодов в регенераторе необходимо для упрощения регулирования частоты тока. Главным достоинством использования транзисторной схемы здесь является то, что образующийся каскад может контролировать волны любой величины, начиная от ультразвука.

Фото – схема регенератора

Состоит такой регенератор из двух биполярных транзисторов 0,5 В, катушки и резистора. Такую схему можно подключить как автогенератор, тогда большая часть катушки уйдет в коллекторный отвод, а меньшая – в базовый. Напряжение к транзисторам подается через резисторы, с их помощью можно изменять напряжение и сопротивление сигнала между эмиттером и базой.

Транзистором называется активный полупроводниковый прибор, при помощи которого осуществляется усиление, преобразование и генерирование электрических колебаний. Такое применение транзистора можно наблюдать в аналоговой технике. Кроме этого применяются и в цифровой технике, где они используются в ключевом режиме. Но в цифровой аппаратуре почти все транзисторы «спрятаны» внутри интегральных микросхем, причем в огромных количествах и в микроскопических размерах.

Здесь мы уже не будем слишком подробно останавливаться на электронах, дырках и атомах, о которых уже было рассказано в предыдущих частях статьи, но кое-что из этого, при необходимости, все же придется вспомнить.

Полупроводниковый диод состоит из одного p-n перехода, о свойствах которого было рассказано . Транзистор, как известно, состоит из двух переходов, поэтому можно рассматривать как предшественник транзистора, или его половину.

Если p-n переход находится в состоянии покоя, то дырки и электроны распределяются, как показано на рисунке 1, образуя потенциальный барьер. Постараемся не забыть условные обозначения электронов, дырок и ионов, показанные на этом рисунке.

Рисунок 1.

Как устроен биполярный транзистор

Устройство биполярного транзистора на первый взгляд просто. Для этого достаточно на одной пластине полупроводника, называемой базой, создать сразу два p-n перехода. Некоторые способы создания p-n перехода были описаны , поэтому здесь повторяться не будем.

Если проводимость базы будет типа p, то полученный транзистор будет иметь структуру n-p-n (произносится как «эн-пэ-эн»). А когда в качестве базы используется пластина n типа, то получается транзистор структуры p-n-p («пэ-эн-пэ»).

Уж коль скоро речь зашла о базе, то следует обратить внимание на такую вещь: полупроводниковая пластина, используемая в качестве базы очень тонкая, намного тоньше, чем эмиттер и коллектор. Это утверждение следует запомнить, поскольку оно понадобится в процессе объяснения работы транзистора.

Естественно, что для соединения с «внешним миром» от каждой области p и n выходит проволочный вывод. Каждый из них имеет название области, к которой соединен: эмиттер, база, коллектор. Такой транзистор называется биполярным, поскольку в нем используются два типа носителей заряда, - дырки и электроны. Схематическое устройство транзисторов обоих типов показано на рисунке 2.

Рисунок 2.

В настоящее время в большей степени применяются кремниевые транзисторы. Германиевые транзисторы почти полностью вышли из употребления, будучи вытесненными кремниевыми, поэтому дальнейший рассказ будет именно о них, хотя иногда будут упоминаться и германиевые. Большинство кремниевых транзисторов имеют структуру n-p-n, поскольку эта структура более технологична в производстве.

Комплементарные пары транзисторов

Для германиевых транзисторов, видимо, более технологичной была структура p-n-p, поэтому германиевые транзисторы большей частью имели именно эту структуру. Хотя, в составе комплементарных пар (близкие по параметрам транзисторы, которые отличались лишь типом проводимости) выпускались и германиевые транзисторы разной проводимости, например ГТ402 (p-n-p) и ГТ404 (n-p-n).

Такая пара применялась в качестве выходных транзисторов в УНЧ различной радиоаппаратуры. И если несовременные германиевые транзисторы ушли в историю, то комплементарные пары кремниевых транзисторов выпускаются до сих пор, начиная от транзисторов в SMD - корпусах и вплоть до мощных транзисторов для выходных каскадов УНЧ.

Кстати, звуковые усилители на германиевых транзисторах меломанами воспринимались почти как ламповые. Ну, может чуть и похуже, но много лучше, чем усилители на кремниевых транзисторах. Это просто для справки.

Как работает транзистор

Для того, чтобы понять, как работает транзистор нам снова придется вернуться в мир электронов, дырок, доноров и акцепторов. Правда сейчас это будет несколько проще, и даже интересней, чем в предыдущих частях статьи. Такое замечание пришлось сделать для того, чтобы не испугать читателя, позволить дочитать все это до конца.

На рисунке 3 сверху показано условное графическое обозначение транзисторов на электрических схемах, а ниже p-n переходы транзисторов представлены в виде полупроводниковых диодов, к тому же включенных встречно. Такое представление очень удобно при проверке транзистора мультиметром.

Рисунок 3.

А на рисунке 4 показано внутреннее устройство транзистора.

На этом рисунке придется немного задержаться, чтобы рассмотреть его поподробнее.

Рисунок 4.

Так пройдет ток или нет?

Здесь показано, как к транзистору структуры n-p-n подключен источник питания, причем именно в такой полярности, как он подключается в реальных устройствах к настоящим транзисторам. Но, если присмотреться повнимательней, то получается, что через два p-n перехода, через два потенциальных барьера ток не пройдет: как ни меняй полярность напряжения один из переходов обязательно оказывается в запертом, непроводящем, состоянии. Так что уж оставим пока все, как показано на рисунке и посмотрим, что же там происходит.

Неуправляемый ток

При включении источника тока, как показано на рисунке, переход эмиттер - база (n-p) находится в открытом состоянии и легко пропустит электроны в направлении слева - направо. После чего электроны столкнутся с закрытым переходом база эмиттер (p-n), который остановит это движение, дорога для электронов будет закрыта.

Но, как всегда и везде из всяких правил бывают исключения: некоторые особо шустрые электроны под воздействием температуры все-таки этот барьер сумеют преодолеть. Поэтому хоть и незначительный ток при таком включении все же будет. Этот незначительный ток называется начальным током или током насыщения. Последнее название вызвано тем, что в образовании этого тока участвуют всех свободные электроны, способные при данной температуре преодолеть потенциальный барьер.

Начальный ток неуправляемый, он имеется у любого транзистора, но в то же время мало зависит от внешнего напряжения. Если его, напряжение, повысить весьма значительно (в пределах разумного, обозначенного в справочниках), начальный ток особо не изменится. Зато тепловое воздействие на этот ток влияет весьма заметно.

Дальнейшее повышение температуры вызывает увеличение начального тока, что в свою очередь может привести к дополнительному нагреву p-n перехода. Такая тепловая нестабильность может привести к тепловому пробою, разрушению транзистора. Поэтому следует принимать меры по охлаждению транзисторов, и не прилагать предельных напряжений при повышенной температуре.

А теперь вспомним о базе

Описанное выше включение транзистора с оборванной базой нигде в практических схемах не применяется. Поэтому на рисунке 5 показано правильное включение транзистора. Для этого понадобилось подать на базу относительно эмиттера некоторое небольшое напряжение, причем в прямом направлении (вспомним диод, и еще раз посмотрим на рисунок 3).

Рисунок 5.

Если в случае с диодом все вроде бы понятно, - открылся и через него пошел ток, то в транзисторе происходят еще и другие события. Под действием эмиттерного тока электроны устремятся в базу с проводимостью p из эмиттера с проводимостью n. При этом часть электронов заполнят дырки, находящиеся в области базы и через базовый вывод протекает незначительный ток, - ток базы Iб. Вот тут как раз и следует вспомнить, что база тонкая и дырок в ней немного.

Остальные электроны, которым не хватило дырок в тонкой базе, устремляются в коллектор и будут извлечены оттуда более высоким потенциалом коллекторной батареи Eк-э. Под этим воздействием электроны преодолеют второй потенциальный барьер и через батарею вернутся в эмиттер.

Таким образом, небольшое напряжение, приложенное к переходу база - эмиттер, способствует открыванию перехода база - коллектор, смещенному в обратном направлении. Собственно в этом и заключается транзисторный эффект.

Остается только рассмотреть, как влияет это «небольшое напряжение», приложенное к базе, на ток коллектора, каковы их величины и соотношения. Но об этом рассказ в следующей части статьи про транзисторы.