Где используются биполярные транзисторы

Все о биполярном транзисторе. Принцип работы. Применение в схемах. Свойства. Классификация. (10+)

Биполярный транзистор. Принцип работы. Применение. Типы, виды, категории, классификация

Биполярный транзистор (БТ) – электронный прибор, который используется практически во всех современных электронных схемах, или как отдельный элемент, или в составе интегральных микросхем. Что такое биполярный транзистор?

Настоящая статья является заглавной для цикла, посвященного схемотехнике биполярных транзисторов. Планируется выход еще ряда статей. Подпишитесь, чтобы узнавать о выходе новых статей, если Вам это интересно.

Математическая модель биполярного транзистора. Обозначение.

Вашему вниманию подборка материалов:

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Биполярный транзистор имеет три вывода. Выводы называются: Эмиттер, Коллектор, База. Биполярный транзистор обладает следующим свойством, обуславливающим его применение. [ток цепи коллектор – эмиттер] = h * [ток цепи база – эмиттер]. h – коэффициент передачи тока. С точки зрения инженера – схемотехника любой прибор, обладающий таким свойством, может называться транзистором вне зависимости от его внутреннего устройства.

Биполярный транзистор позволяет силой одного тока регулировать силу другого.

Биполярный транзистор может быть устроен так, что ток втекает через базу или коллектор и вытекает через эмиттер, то есть на базу и коллектор подается положительное напряжение относительно эмиттера. Про такой транзистор говорят, что он имеет структуру NPN. У других биполярных транзисторов ток вытекает через базу или коллектор и втекает через эмиттер, то есть на базу и коллектор подается отрицательное напряжение относительно эмиттера. Про такой транзистор говорят, что он имеет структуру PNP.

На схемах биполярный транзистор обозначается, как показано на рисунке.

Идеальный биполярный транзистор

Идеальный БТ имеет фиксированный, постоянный, не зависящий от тока и внешних условий, например, температуры, коэффициент передачи тока. Он не имеет внутреннего сопротивления, индуктивности, емкости. Регулирование тока происходит мгновенно, без задержки во времени.

Ток базы не зависит от напряжения, входное сопротивление стремится к нулю, то есть изменение тока базы не приводит к изменению напряжения на базе относительно эмиттера.

Идеальный биполярный транзистор никогда не нагревается, так как имеет совершенное охлаждение. Идеальный БТ имеет нулевые размеры, не занимает место на плате. Он не шумит. Его выходной ток строго зависит от входного, без посторонних помех.

Идеальный биполярный транзистор выдерживает любое напряжение и любой ток. У идеального БТ ток коллектора не зависит от напряжения коллектор – эмиттер, которое может изменяться от нуля до бесконечности.

Реальные биполярные транзисторы. Классификация, виды, типы.

Если бы БТ на самом деле был идеальным, то нужен был бы всего один тип транзистора – ПИБТ (просто идеальный биполярный транзистор). Его можно было бы применять во всех схемах. В реальности все не так хорошо. Причем улучшение одних параметров транзистора, обычно приводит к ухудшению других. Именно этим обусловлено наличие большого разнообразия типов и видов транзисторов, так как для различных схем важны некоторые определенные параметры, но не важны другие, ими можно пожертвовать.

Реальный биполярный транзистор обладает коэффициентом передачи тока, зависящим от самого тока, температуры, частоты и еще ряда внешних параметров. Значения коэффициента передачи тока могут быть от 8 до 1000 и более.

Реальный БТ обладает индуктивностью выводов (как будто последовательно с выводами подключили маленькие катушки индуктивности) и емкостью между коллектором и эмиттером, коллектором и базой, базой и эмиттером. Эти параметры влияют на применимость БТ в высокочастотных схемах. В зависимости от них различают низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные биполярные транзисторы

Реальный БТ обладает внутренним сопротивлением (как будто последовательно с выводами подключили маленькие резисторы), ограниченными возможностями по рассеиванию тепла, которое неизбежно выделяется при работе прибора, некоторым конечным напряжением насыщения коллектор – эмиттер (если напряжение на коллекторе меньше, то ток через коллектор не пойдет, даже если в цепи базы ток есть). Напряжение насыщения коллектор – эмиттер – очень важный параметр, так как он влияет на потери и нагрев, когда транзистор работает в ключевом режиме, ведь потери мощности в ключевом режиме, когда транзистор открыт, как раз равны току коллектора умножить на напряжение насыщения коллектор – эмиттер. Таким образом, биполярные транзисторы подразделяются на маломощные, средней мощности и мощные. Кроме того, выделяют биполярные транзисторы – ключи, специально предназначенные для работы в режиме ключа.

Реальный БТ имеет ограничения сверху по напряжению коллектор – эмиттер. Превышение этого напряжения чревато пробоем и разрушением элемента. В зависимости от максимального напряжения коллектор – эмиттер биполярные транзисторы разделяют на низковольтные и высоковольтные.

Еще выделяют малошумящие и термостабильные биполярные транзисторы.

Особенности применения биполярных транзисторов в схемах

Главной бедой транзисторной схемотехники является то, что ей предшествовала ламповая. Большинство схематических решений, которые сейчас применяются, заимствованы из того периода и адаптированы под особенности транзисторов. Однако при всей своей кажущейся схожести, на самом деле электронная лампа и транзистор – приборы совершенно разные. У электронной лампы ток выходной цепи регулируется напряжением во входной, а у транзистора – током во входной цепи. Это отличие – принципиальное для схемотехники.

Попытка адаптировать решения для электронных ламп под транзисторы обычно сводит на нет все их преимущества. Получается на корове седло. Пересмотр многих схемных решений, создание именно транзисторных схем во многих областях еще ждет своего часа.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Проверка биполярного, полевого транзисторов, МОП, FET, MOSFET. Провери.
Как проверить исправность биполярного и полевого транзисторов. Методика испытани.

Практика проектирования электронных схем. Самоучитель электроники.
Искусство разработки устройств. Элементная база радиоэлектроники. Типовые схемы.

Транзисторы КТ503, 2Т503. Справочник, справочные данные, параметры, цо.
Характеристики и применение биполярных транзисторов КТ503 (КТ503А, КТ503Б, КТ503.

Акустическая система, акустика. Качество звукоусиливающей, звукоусилит.
Акустическая система и качество усилителей звука. Элементная база усилительной а.

I. Назначение

Транзистор (от английских слов transfer – переносить и resistor – сопротивление) – электронный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний различных частот.

Без транзисторов не обходится ни одно предприятие, которое выпускает электронику. На транзисторах основана вся современная электроника. Их широко применяют в теле, радио и даже компьютерных аппаратурах.

Транзистор, или полупроводниковый триод, являясь управляемым элементом, нашел широкое применение в схемах усиления, а также в импульсных схемах. Отсутствие накала, малые габариты и стоимость, высокая надежность – таковы преимущества, благодаря которым транзистор вытеснил из большинства областей техники электронный лампы. Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами – те же, как и у полупроводниковых диодов – отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того, транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях.

Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор более долговечным, его запаковывают в специальный “футляр”).

Основные материалы, из которых изготовляют триоды — кремний и германий.

Из транзисторов можно составить схемы различных назначений. Например, можно собрать усилители тока, мощности, усилители звуковых частот, декодеры аудио, видео, теле-радио сигналов, а также простейшие логические схемы, основанные на принципе И-ИЛИ-НЕ. При усилении электрических колебаний в транзисторе используются свойства p–n – перехода.

На основе биполярных транзисторов с инжекционным питанием (класс полупроводниковых приборов, появившихся в результате развития интегральной технологии) выполняются экономичные логические элементы, запоминающие устройства, аналого-цифровые преобразователи и т. д.

Компоненты, выполненные на основе биполярных транзисторов с инжекционным питанием, имеют высокую степень интеграции, потребляют малую мощность, нормально функционируют при изменениях в широких пределах напряжения питания и потребляемой мощности, хорошо согласуются с существующими устройствами, построенными на биполярных транзисторах.

II. Классификация

Б и п о л я р н ы м и транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p–n – переходами и тремя выводами или более, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. В настоящее время широко используют биполярные транзисторы с двумя p–n – переходами, к которым чаще всего и относят этот термин. Они состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности различных типов.

В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы p–n–p и n–p–n – типов. Транзисторы, в которых p–n – переходы создаются у поверхностей соприкосновения полупроводниковых слоев, называют п л о с к о с т н ы – м и. В транзисторах типа n–p–n функции всех трех слоев и их названия аналогичны, изменяется лишь тип носителей заряда, проходящий через базу: в приборах типа p–n–p –это дырки ,в приборах типа n–p–n –это электроны.

В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют д и ф ф у з и о н н ы м и или б е з д р е й ф о в ы м и. При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют д р е й ф о в ы м и.

По функциональному назначению:

По частоте: низкочастотные (fгр = 30 МГц).

В соответствии с основными областями применения: усилительные (сверхвысокочастотные, высоковольтные, высокочастотные линейные); генераторные (высокочастотные, сверхвысокочастотные, сверхвысокочастотные с согласующими цепями); переключательные и импульсные (переключательные высоковольтные и импульсные высоковольтные).

III. Принцип действия

Упрощенная структура плоскостного p–n–p – транзистора показана на рис.1.1,а, условные обозначения p–n–p и n–p–n – транзисторов – на рис. 1.1,б.

Рис. 1.1. Упрощенная структура плоскостного транзистора (а) и его условные обозначения с указанием направления токов при работе в нормальном активном режиме (б).

При подключении напряжений к отдельным слоям биполярного транзистора оказывается, что к одному переходу приложено прямое напряжение, к другому – обратное. При этом переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют э м и т т е р н ы м, а соответствующий наружный слой – эмиттером (Э); средний слой называют базой (Б). Второй переход, смещенный приложенным напряжением в обратном направлении, называют к о л л е к т о р н ы м, а соответствующий наружный слой – коллектором (К).

Однотипность слоев коллектора и эмиттера позволяет при включении менять их местами. Такое включение называется инверсным. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.

При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор выполняют низкоомными, а базу – относительно высокоомной (десятки – сотни Ом). При этом удельное сопротивление области эмиттера несколько меньше, чем области коллектора.

Все положения для единичного p–n – перехода, справедливы для каждого из p–n – переходов транзистора. В равновесном состоянии наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через каждый p–n – переход. При подключении к электродам транзистора напряжений и (рис.1.2) эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

В результате снижения потенциального барьера дырки из области эмиттера диффундируют через p–n – переход в область базы (инжекция дырок), а электроны – из области базы в область эмиттера. Так как удельное сопротивление базы высокое, дырочный поток носителей заряда преобладает над электронным. Поэтому последним в первом приближении можно пренебречь. Для количественной оценки составляющих полного тока p–n – перехода используют p–n – перехода используют коэффициент инжекции

,

где и – дырочная и электронная составляющие тока p–n – перехода; – полный ток p–n – перехода.

Дырки, инжектированные в базу, создают вблизи p–n – перехода электрический заряд, который в течение времени компенсируется электронами, приходящими из внешней цепи от источника . Аналогично, заряд электродов в эмиттере компенсируется дополнительными дырками, но так как инжекция приближается к односторонней, то эти процессы можно не рассматривать. Приход электронов в базу из внешней цепи создает в последней электрический ток , который направлен из базы.

Рис. 1.2.Схема движения носителей заряда в транзисторе.

На определённом этапе времени всем привычные электронные лампы были заменены транзисторами. И это не удивительно, поскольку они имеют гораздо меньший размер, более надёжные и затрачивают гораздо меньше энергии. Такое большое количество положительных сторон привело к тому, что на сегодняшний день биполярные транзисторы являются главными элементами практически всех усилительных схем.

Составные части устройства

Биполярный транзистор разделяется на три основные части:

1. Эммитер – это один из слоёв полупроводника, его задача заключается в инжектировании носителей заряда в базу (её слой).
2. База – это один из слоёв полупроводника, считается главным в транзисторе.
3. Коллектор – слой полупроводника, задачей которого является собрать все заряды, которые прошли через базу.

Как правило, область эммитера немного уже, чем у коллектора. Поскольку изготовление базы происходит из слаболегированного полупроводника, то она является очень тонкой. В результате того, что площадь контакта между эммитером и базой гораздо уже, чем между базой и коллектором, то произвести замену коллектора и эмиттера просто невозможно, даже при большом желании. Подобная ситуация приводит к тому, что биполярный транзистор считается устройством, в котором отсутствует симметрия.

Биполярный транзистор — принцип работы

Принцип действия биполярного транзистора представлен ниже.

Когда транзистор включают в режиме усиления, открывается эммитерный переход, и закрывается переход коллектора. Это происходит в результате подключения источников питания.

Из-за того, что переход эммитера находится в открытом положении, через него происходит переход эммитерного тока, он образуется в результате перехода дырок из базового слоя транзистора в эммитер и аналогичного перехода электронов из эммитера в базовый слой.

В результате этого эммитерный ток состоит из двух основных частей – дырочной и электронной.

Чтобы определить коэффициент инжекции, следует разобраться с уровнем эффективности эммитера.

Инжекция зарядов – это перемещение элементов, содержащих в себе заряд из зоны, где они играли основную роль, в зону, где они стали неосновными.

В базовом слое транзистора происходит рекомбинация электронов, а восполнение их концентрации происходит за счёт плюса источника ЭГ. В итоге электрическая цепь базового слоя биполярного транзистора содержит в себе достаточно слабый ток.

А те электроны, которые попросту не успели поддаться процессу рекомбинации в базовом слое, с помощью разгоняющего воздействия закрытого коллекторного перехода перемещаются в него, и происходит образование коллекторного тока. В результате этого наблюдается экстракция электрических зарядов (переход элементов, которые содержат в себе заряд из зоны, где они играли второстепенную роль в зону, где они играют главную роль).

Вот и весь принцип работы биполярного транзистора.

Режимы функционирования устройства

На этом этапе времени выделяют следующие режимы работы биполярного транзистора:

1. Активный инверсный режим. В этом случае открыт переход между базовым и коллекторным слоями, а переход между базой и эммитером закрыт. Усилительные свойства в данном режиме очень плохие, поэтому в таком состоянии транзисторы используют в редчайших ситуациях.
2. Насыщение. Оба вышеуказанных перехода находятся в открытом состоянии. В результате этого элементы коллектора и эммитера, которые содержат в себе заряд, перемещаются в базовый слой, где происходит их активная рекомбинация с основными элементами базы. Из-за чрезмерного количества зарядов происходит снижение сопротивляемости базы, наблюдается уменьшение p — n переходов. В режиме насыщения, цепь транзистора имеет вид короткозамкнутой, а данный элемент представлен в роли эквипотенциальной точки.
3. Режим отсечки. Оба перехода в биполярном транзисторе закрыты, соответственно, происходит прекращение тока основных носителей заряда между коллекторным и эммитерным слоями. Потоки второстепенных зарядов способны только создавать неуправляемые и малые токи. В результате скудности базового слоя и перемещения носителей зарядов сопротивление вышеуказанных токов в значительной мере возрастает. Из-за подобной работы достаточно часто бытует мнение, что устройство, работающее в таком режиме, являет собой разрыв цепи.
4. Барьерный режим. В данном режиме базовый слой прямо или с помощью малого сопротивления замыкается с коллекторным слоем. В этом случае, в цепь коллектора или эммитера необходимо включить резистор, который через транзистор начинает задавать ток. В результате такой работы происходит образование эквивалента схемы диода, которая имеет последовательно включённое сопротивление. В подобном состоянии устройства схема способна работать при различных температурных режимах и при разнообразных параметрах транзистора.

Схемы включения транзисторов биполярного типа

Из-за того, что транзистор имеет три контакта, то питание на него следует подавать из 2 источников, сумма которых образует четыре вывода. Подобное действие приводит к тому, что в один из контактов устройства происходит подача напряжения одного знака из различных источников.

С учётом того, в какой контакт производится подача напряжения, выделяют три типа схем включения биполярных транзисторов:

• с эммитерным слоем;
• с коллекторным слоем;
• с базовым слоем.

Каждая из вышеуказанных схем имеет свои преимущества и недостатки.

Схема включения с общим эммитерным слоем

Данная схема создаёт самое большое усиление по току и напряжению. Благодаря таким её свойствам она и является самой распространённой. В данном случае присутствует прямой переход между эммитерным и базовым слоями и обратный переход между базой и коллектором. А тот факт, что на них осуществляется подача напряжения одного знака, способствует тому, что схему можно напитать с помощью одного источника.

Среди отрицательных сторон схемы можно выделить то, что возрастание частоты и температурного режима способствует значительному снижению усилительных свойств устройства. В результате этого следует отметить, что если необходима работа транзистора на высоких частотах, то от использования этой схемы желательно отказаться.

Схема включения с общим базовым слоем

Данная схема создаёт среднее усиление сигнала, но зато она прекрасно подходит для работы на высоких частотах. Если одно и то же устройство будет сначала функционировать по первой схеме, а затем по этой, то можно будет наблюдать значительный рост граничной частоты усиления. Из-за того, что в этой схеме заниженное сопротивление входа и среднее сопротивление выхода, то её лучше использовать в случае наличия антенных усилителей, в которых волновое сопротивление кабелей составляет не более ста Ом.

Среди минусов можно выделить тот момент, что для того, чтобы напитать устройство, требуется использовать 2 источника питания.

Схема включения с общим коллекторным слоем

Среди других схем выделяется тем, что наблюдается полная передача напряжения обратно на вход – это указывает на сильнейшую отрицательную обратную связь.

Уровень усиления по току практически равен значению, присутствующему в первой схеме. Но вот уровень усиления по напряжению очень маленький, что является одним из главных недостатков данной схемы.

Разобраться в особенностях работы биполярного транзистора и его схем достаточно просто, главное — постараться вникнуть.