Основные параметры транзистора биполярного транзистора: Основные параметры и характеристики биполярного транзистора.

Основные параметры и характеристики биполярного транзистора.

Продолжаем разбирать все, что связано с транзисторами и сегодня у нас на очереди одна из наиболее часто используемых схем включения. А именно схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ). Кроме того, на базе этой схемы мы рассмотрим основные параметры и характеристики биполярного транзистора. Тема важная, так что без лишних слов переходим к делу.

Название этой схемы во многом объясняет ее основную идею. Поскольку схема с общим эмиттером, то, собственно, эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Вот как выглядит схема с ОЭ для n-p-n транзистора:

А вот так — для p-n-p:

Давайте снова разбирать все процессы для случая с использованием n-p-n транзистора. Для p-n-p суть остается той же, меняется только полярность.

Входными величинами являются напряжение база-эмиттер (U_{бэ}) и ток базы (I_{б}), а выходными — напряжение коллектор-эмиттер (U_{кэ}) и ток коллектора (I_{к}). Обратите внимание, что в этих схемах у нас отсутствует нагрузка в цепи коллектора, поэтому все характеристики, которые мы далее рассмотрим носят название статических. Другими словами статические характеристики транзистора — это зависимости между напряжениями и токами на входе и выходе при отсутствии нагрузки.

Характеристики биполярного транзистора.

Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач. И первая на очереди — входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:

I_{б} = f(U_{бэ}), \medspace при \medspace U_{кэ} = const

В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_{кэ}):

Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь ВАХ диода. При U_{кэ} = 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_{кэ} ветвь будет смещаться вправо.

Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора — выходной. Выходная характеристика — это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы.

I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:

Видим, что при небольших значениях U_{кэ} коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения — изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_{кэ} (зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным режимам работы транзистора.

Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:

Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.

Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_{бэ}, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано.

Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_{кэ} (возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно — при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:

I_к = \beta I_б

Двигаемся дальше 👍

На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_{кэ} уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_{кб}. И при определенном значении U_{кэ} = U_{кэ \medspace нас} напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина — эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.

В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу — навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_{кэ} ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.

Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора.

И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_{б} = 0. Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки.

Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_{FE}) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:

Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды. Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.

Основные параметры биполярных транзисторов.

Пробежимся по параметрам биполярных транзисторов и обозначим, какие предельные значения они могут принимать.

I_{КБО} (I_{CBO}) — обратный ток коллектора — ток через коллекторный переход при определенном обратном напряжении на переходе коллектор-база и разомкнутой цепи эмиттера.

I_{ЭБО} (I_{EBO}) — обратный ток эмиттера — ток через эмиттерный переход при определенном обратном напряжении на переходе эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора.

I_{КЭО} (I_{CEO}) — аналогично, обратный ток коллектор-эмиттер — ток в цепи коллектор-эмиттер при определенном обратном напряжении коллектор-эмиттер и разомкнутом выводе базы.

U_{БЭ} (V_{BE}) — напряжение на переходе база-эмиттер при определенном напряжении коллектор-эмиттер и токе коллектора.

U_{КБ \medspace проб} (V_{(BR) CBO}) — напряжение пробоя перехода коллектор-база при определенном обратном токе коллектора и разомкнутой цепи эмиттера. Например, для все того же BC847:

U_{ЭБ \medspace проб} (V_{(BR) EBO}) — напряжение пробоя эмиттер-база при определенном обратном токе эмиттера и разомкнутой цепи коллектора.

U_{КЭ \medspace проб} (V_{(BR) CES}) — напряжение пробоя коллектор-эмиттер при определенном прямом токе коллектора и разомкнутой цепи базы.

Напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер — U_{КЭ \medspace нас} (V_{CEsat}) и U_{БЭ \medspace нас} (V_{BEsat}).

Конечно же, важнейший параметр — статический коэффициент передачи по току для схемы с общим эмиттером — h_{21э} (h_{FE}). Для этого параметра обычно приводится диапазон возможных значений, то есть минимальное и максимальное значения.

f_{гр} (f_{T}) — граничная частота коэффициента передачи тока транзистора для схемы с общим эмиттером. При использовании сигнала более высокой частоты транзистор не может быть использован в качестве усилительного элемента.

И еще один параметр, который следует отнести к важнейшим — I_{К} (I_{C}) — максимально допустимый постоянный ток коллектора.

На этом и заканчиваем нашу сегодняшнюю статью, всем спасибо за внимание, подписывайтесь на обновления и не пропустите новые статьи.

Биполярный транзистор: принцип работы, характеристики, схемы

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.

Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).

Внешний вид биполярного транзистора средней мощности и его цоколевка

Содержание статьи

• 1 Устройство
• 2 Принцип работы
• 3 Режимы работы
  • 3.1 Нормальный активный режим
  • 3.2 Инверсный активный режим
  • 3.3 Режим насыщения
  • 3.4 Режим отсечки
  • 3.5 Барьерный режим
• 4 Схемы включения
  • 4.1 Схема включения с общей базой
    • 4.1.1 Достоинства
    • 4.1.2 Недостатки
  • 4.2 Схема включения с общим эмиттером
    • 4.2.1 Достоинства
    • 4.2.2 Недостатки
  • 4. 3 Схема с общим коллектором
    • 4.3.1 Достоинства
    • 4.3.2 Недостатки
• 5 Основные параметры
• 6 Биполярный СВЧ-транзистор
• 7 Технологии изготовления транзисторов
• 8 Применение транзисторов

Устройство

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E), базы («Б», англ. B) и коллектора («К», англ. C). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты.

Обозначение биполярных транзисторов на схемах и их структура. Направление стрелки показывает направление тока через эмиттерный переход, и служит для идентификации n-p-n и p-n-p транзисторов. Наличие окружности символизирует транзистор в индивидуальном корпусе, отсутствие — транзистор в составе микросхемы.

PNP — транзистор прямой проводимости.

NPN — транзистор обратной проводимости.

Определить структура транзистора и проверить его исправность можно при помощи мультиметра.

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.

Упрощенная схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора

Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).

Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.

Принцип работы

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

В транзисторе типа n-p-n основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. 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 эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно большим током коллектора.

Режимы работы

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении[2] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ<0; UКБ>0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>0; UЭБ<0 (для транзистора n-p-n типа).

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0[5][6].

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

• Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
• Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.

Схема включения с общей базой

Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается и не превышает единиц — сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства

• Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
• Высокое допустимое коллекторное напряжение.

Недостатки

• Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1.
• Малое входное сопротивление.

Схема включения с общим эмиттером

Достоинства

Большой коэффициент усиления по току.

• Большой коэффициент усиления по напряжению.
• Наибольшее усиление мощности.
• Можно обойтись одним источником питания.
• Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки

Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.

Схема с общим коллектором

Достоинства

• Большое входное сопротивление.
• Малое выходное сопротивление.

Недостатки

• Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.

Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».

Основные параметры

• Коэффициент передачи по току.
• Входное сопротивление.
• Выходная проводимость.
• Обратный ток коллектор-эмиттер.
• Время включения.
• Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
• Обратный ток коллектора.
• Максимально допустимый ток.
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

• коэффициент усиления по току α;
• сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току r_э, r_к, r_б, которые представляют собой:
  • r_э — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
  • r_к — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
  • r_б — поперечное сопротивление базы.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h₁₁ = U_m1/I_m1, при U_m2 = 0

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h₁₂ = U_m1/U_m2, при I_m1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h₂₁ = I_m2/I_m1, при U_m2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h₂₂ = I_m2/U_m2, при I_m1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

U_m1 = h₁₁I_m1 + h₁₂U_m2;

I_m2 = h₂₁I_m1 + h₂₂U_m2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: I_m1 = I_mб, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mб-э, U_m2 = U_mк-э. Например, для данной схемы:

h_21э = I_mк/I_mб = β.

Для схемы ОБ: I_m1 = I_mэ, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mэ-б, U_m2 = U_mк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

;

;

;

.

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода C_к. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода C_э также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода r_э и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τ_з относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τ_ф. Временем включения транзистора называется τ_вкл = τ_з + τ_ф.

Биполярный СВЧ-транзистор

Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) служат для усиления колебаний с частотой свыше 0,3 ГГЦ. Верхняя граница частот БТ СВЧ с выходной мощностью более 1 Вт составляет около 10 ГГц. Большинство мощных БТ СВЧ по структуре относится к n-p-n типу. По методу формирования переходов БТ СВЧ являются эпитакcиально-планарными. Все БТ СВЧ, кроме самых маломощных, имеют многоэмиттерную структуру (гребёнчатую, сетчатую). По мощности БТ СВЧ разделяются на маломощные (рассеиваемая мощность до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт). Выпускается большое число узкоспециализированных типов БТ СВЧ.

Биполярный СВЧ-транзистор КТ3109А (PNP)

Технологии изготовления транзисторов

• Эпитаксиально-планарная.
• Диффузионно-сплавная.

Применение транзисторов

• Усилители, каскады усиления
• Генератор сигналов
• Модулятор
• Демодулятор (детектор)
• Инвертор (лог. элемент)
• Микросхемы на транзисторной логике (см. транзисторно-транзисторная логика, диодно-транзисторная логика, резисторно-транзисторная логика)

Транзистор с биполярным переходом — Engineering LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

348

Транзистор с биполярным переходом представляет собой полупроводниковое устройство, состоящее из двух PN-переходов, соединяющих три клеммы, называемые базой, эмиттером и коллектором. Расположение трех выводов влияет на ток и усиление транзистора. Поведение транзисторов с биполярным переходом также сильно различается для каждой конфигурации схемы. Три разные конфигурации схемы дают разные характеристики схемы в отношении входного импеданса, выходного импеданса и коэффициента усиления. Эти характеристики влияют на то, имеет ли транзистор усиление по напряжению, току или мощности. Одной из основных операций биполярного переходного транзистора является усиление сигнала тока. Транзисторы с биполярным переходом способны регулировать ток таким образом, что величина тока пропорциональна смещенному напряжению, приложенному к базовому выводу транзистора. Применение транзисторов с биполярным переходом можно найти в устройствах, использующих аналоговые схемы, таких как компьютеры, мобильные телефоны и радиопередатчики.

ВВЕДЕНИЕ

Биполярные переходные транзисторы имеют три полупроводниковых участка. Три области — это область эмиттера (E), область базы (B) и область коллектора (c), и эти области по-разному легированы в зависимости от типа биполярного транзистора. Двумя типами биполярных транзисторов являются PNP-транзистор, три области которого относятся к p-типу, n-типу и p-типу соответственно, и NPN-транзистор, чьи области относятся к n-типу, p-типу и n-типу соответственно. Оба типа транзисторов имеют один P-N переход между областью коллектора и областью базы и другой переход P-N между областью базы и областью эмиттера. Базовая область всегда является центральным соединением структуры с областями эмиттера и коллектора, соединенными с обеих сторон. Оба типа транзисторов также имеют одинаковый принцип работы, с единственной разницей в полярности питания и смещении для каждого типа.

Биполярные переходные транзисторы Способность усиливать сигнал посредством регулирования тока позволяет передавать входной сигнал из одной цепи в другую независимо от различного уровня сопротивления в каждой цепи. Величина тока, протекающего через транзистор, пропорциональна величине напряжения смещения, приложенного к выводу базы. Это позволяет транзистору действовать как переключатель, управляемый током. В зависимости от того, является ли биполярный транзистор PNP или NPN, управляемый ток будет течь от коллектора к эмиттеру или от эмиттера к коллектору, в то время как меньший управляющий ток будет течь от базы к эмиттеру или от эмиттера к базе соответственно.

Транзистор имеет максимально допустимый ток, который может ограничивать величину тока при его прохождении от клеммы к клемме. В зависимости от порядка выводов в транзисторе транзистор будет действовать либо как проводник, либо как изолятор при наличии контролируемого тока. Эта способность переключаться между этими двумя состояниями, изолятором или проводником, позволяет транзистору действовать как переключатель или как усилитель сигналов малой амплитуды, подаваемых на базу, в зависимости от структуры и порядка трех полупроводниковых областей.

СТРУКТУРА

Биполярные переходные транзисторы содержат три легированные внешние полупроводниковые области, каждая из которых подключена к цепи. Транзистор не симметричен из-за разного коэффициента легирования эмиттерной, коллекторной и базовой областей. Базовая область состоит из слаболегированных материалов, обладающих высоким удельным сопротивлением. База расположена между сильнолегированной областью эмиттера и слаболегированной областью коллектора. Коллектор охватывает эмиттерную область, что исключает возможность для электронов, инжектированных в базовую область, покинуть базовую область, не собираясь. Эмиттерная область сильно легирована для увеличения коэффициента усиления транзистора по току.

Для высокого коэффициента усиления по току необходимо высокое отношение носителей, инжектируемых эмиттером, к носителям, инжектируемым базой. Увеличение эффективности инжекции эмиттера приводит к тому, что большинство носителей, инжектируемых в переход эмиттер-база, поступает из эмиттерной области. Высокий коэффициент легирования областей эмиттера и коллектора также означает, что переход коллектор-база смещен в обратном направлении. Таким образом, к переходу коллектор-база может быть приложено высокое обратное напряжение смещения до того, как переход выйдет из строя. Для транзистора в целом принципиальное различие между транзистором NPN и транзистором PNP заключается в направлении тока и полярности напряжения переходов транзистора. Убедитесь, что эти два элемента всегда расположены друг напротив друга, что гарантирует правильное смещение транзисторов.

Транзистор с биполярным переходом NPN

Транзистор с биполярным переходом NPN имеет полупроводниковую базу, легированную P, между эмиттером, легированным N, и коллекторной областью, легированной N. Биполярные транзисторы NPN являются наиболее часто используемыми биполярными транзисторами из-за большей подвижности электронов по сравнению с подвижностью электронов и дырок.

Для транзисторов этого типа большие токи коллектора и эмиттера создаются за счет усиления малого тока, проходящего через базу. Этот небольшой ток усиливается только тогда, когда транзистор становится активным. В этом активном состоянии положительная разность потенциалов обнаруживается как между областью основания и областью коллектора, так и между областью эмиттера и областью базы, что приводит к току, переносимому электронами, между областями коллектора и эмиттера. Конструкция и напряжения на клеммах транзистора NPN показаны на рисунке 1 ниже.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Схема транзистора NPN.

Для биполярного NPN-транзистора проводимость коллектора всегда более положительная по отношению как к базе, так и к эмиттеру. Напряжение между базой и эмиттером (V _BE ) положительное на базе и отрицательное на эмиттере. Клемма Базы всегда положительна по отношению к Излучателю. Другой способ отображения транзистора NPN показан на рисунке 2 ниже.

Рис. 2 Схема биполярного транзистора NPN.

Ток, вытекающий из транзистора, должен быть равен току, втекающему в транзистор, поскольку ток эмиттера определяется как

Ie = Ic + Ib. (1)

Примечание: «Ic» — это ток, протекающий через вывод коллектора, «Ib» — это ток, протекающий через вывод базы, а «Ie» — это ток, протекающий через вывод эмиттера.

Поскольку физическая конструкция транзистора определяет электрическое соотношение между этими тремя токами (Ib), (Ic) и (Ie), любое небольшое изменение тока базы (Ib) приведет к значительно большему изменению ток коллектора ( Ic ). Отношение тока коллектора к току эмиттера называется альфа (α).

Альфа (α) = Ic/Ie (2)

Коэффициент усиления по току транзистора от вывода коллектора до вывода эмиттера, Ic/Ie, является функцией электронов, диффундирующих через переход. Усиление тока транзистора от клеммы коллектора до клеммы базы обозначается бета (β).

Beta ( β ) = Ic/Ib (3)

Транзисторы NPN являются хорошими усилительными устройствами, когда значение Beta велико. Значения бета обычно находятся в диапазоне от 20 до 200 для большинства транзисторов общего назначения. Следовательно, если транзистор имеет значение бета, равное 50, то на каждые 50 электронов, протекающих между клеммами эмиттер-коллектор, один электрон будет течь от базовой клеммы.

Объединив выражения для альфа, α и бета, β, коэффициент усиления транзистора по току можно определить как:

бета= (α)/(1-α) (4)

, подвижность электронов между цепями коллектора и эмиттера является единственным связующим звеном между этими двумя цепями. Эта связь является основной особенностью действия транзистора. Поскольку действие транзистора определяется начальным движением электронов через область базы, усиливающие свойства транзистора возникают из-за последующего контроля базы над током между коллектором и эмиттером. До тех пор, пока поток тока смещения в базовую клемму является устойчивым, базовая область может рассматриваться как вход управления током.

Транзистор с биполярным переходом PNP

Транзистор с биполярным переходом PNP имеет полупроводниковую основу, легированную N, между эмиттером, легированным P, и коллекторной областью, легированной P. Транзистор PNP имеет очень похожие характеристики с транзистором NPN, с той разницей, что направление смещения тока и напряжения меняются местами. Для транзисторов PNP ток поступает в транзистор через клемму эмиттера. Небольшой ток, выходящий из базы, усиливается на выходе коллектора. Область эмиттер-база смещена в прямом направлении, поэтому будут генерироваться электрическое поле и носители. Источники напряжения подключены к транзистору PNP, как показано на Рисунке 3 и Рисунке 4 ниже.

Рисунок 4 Схема транзистора PNP

Напряжение между базой и эмиттером (V _BE ) теперь отрицательное на базе и положительное на эмиттере. Клемма базы всегда смещена отрицательно по отношению к эмиттеру. Излучатель положителен по отношению к коллектору (V _CE ). В базовой части коллектора с обратным смещением образовались отверстия. Из-за электрического поля носители или электроны притягиваются дырками. Для проводимости PNP-транзистора эмиттер всегда более положителен по отношению как к базе, так и к коллектору.

ОБЛАСТИ ДЕЙСТВИЯ

Биполярные транзисторы имеют четыре различных области работы. Эти области определяются смещениями, размещенными на переходе транзистора с биполярным переходом.

1. Отсечка : Область отсечки — это когда транзистор неактивен из-за минимального тока, проходящего через транзистор, что делает транзистор видимым как разомкнутая цепь. И VBE, и VBC смещены в обратном направлении, поэтому все края обедненной области имеют небольшую плотность неосновных носителей. Эта область имеет условия смещения, противоположные насыщению.

2. Активный в прямом направлении : Активный в прямом направлении участок возникает, когда транзистор находится в активном состоянии, что позволяет транзистору усиливать колебания напряжения на базе. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении, транзистор может усиливать напряжение, поскольку напряжение коллектор-эмиттер больше, чем напряжение база-эмиттер, а также находится между состояниями отсечки и насыщения. Выходной ток пропорционален базовому току и может быть извлечен на коллекторе.

3. Обратно-активный : Обратно-активная область возникает, когда транзистор находится в активном состоянии, но максимальное усиление тока в обратном активном режиме намного меньше, чем в прямом активном режиме. Условия смещения меняются местами, так что переход база-коллектор смещен в прямом направлении, а переход база-эмиттер смещен в обратном направлении, что меняет роли областей коллектора и эмиттера. База содержит гораздо более низкое напряжение обратного смещения, чем в прямодействующей области.

4. Насыщение : Область насыщения позволяет транзистору проводить ток от эмиттера к коллектору. Когда и переход база-коллектор, и переход база-эмиттер смещены в прямом направлении, ток базы настолько силен, что превышает величину, при которой он может увеличить ток коллектора. В результате цепь между клеммами коллектора и эмиттера оказалась короткозамкнутой из-за перенасыщения тока.

КОНФИГУРАЦИИ

Существует три способа подключения биполярного транзистора к электронной схеме. Конфигурация с общей базой, конфигурация с общим эмиттером и конфигурация с общим коллектором по-разному реагируют на входной сигнал схемы, тем самым варьируя характеристики каждой конфигурации.

Конфигурация с общей базой

Конфигурация с общей базой имеет сильную высокочастотную характеристику, что хорошо для схем однокаскадных усилителей. Однако он не очень распространен из-за его низких характеристик усиления по току и низкого входного сопротивления. Входной сигнал подается между клеммами базы и эмиттера, а выходной сигнал берется между клеммами базы и коллектора. Чтобы это произошло, клемма базы должна быть заземлена, чтобы опорное напряжение было фиксированным. Общая базовая конфигурация показана ниже.

Рис. 5 Схема транзистора с общей базой

Этот тип конфигурации усилителя представляет собой неинвертирующую схему усилителя напряжения. Конфигурация имеет усиление сопротивления из-за соотношения между сопротивлением нагрузки (Rload) последовательно с коллектором и резистором Rin. Входной ток, протекающий в эмиттер, представляет собой сумму тока базы и тока коллектора соответственно, поэтому выходной ток коллектора меньше, чем входной ток эмиттера, что приводит к усилению тока. Его входные характеристики соответствуют характеристикам диода со смещением в прямом направлении 9.0024

Конфигурация с общим эмиттером

Конфигурация усилителя с общим эмиттером дает самый высокий коэффициент усиления по току и мощности из всех трех конфигураций с биполярными транзисторами, поэтому этот тип конфигурации является наиболее часто используемой схемой для транзисторных усилителей. Входной сигнал между базой и эмиттером мал из-за прямого смещения PN-перехода, а выходной сигнал между коллектором и эмиттером велик из-за обратного смещения PN-перехода.

В основном это связано с тем, что входной импеданс мал, так как он подключен к PN-переходу, смещенному в прямом направлении, а выходной импеданс велик, так как он берется из PN-перехода, смещенного в обратном направлении. Однако его коэффициент усиления по напряжению намного ниже. Конфигурация с общим эмиттером показана ниже.

Рис. 6 Схема усилителя с общим эмиттером

Конфигурация с общим эмиттером представляет собой схему инвертирующего усилителя. Поэтому выходной сигнал не совпадает по фазе с сигналом входного напряжения.

Конфигурация с общим коллектором

Конфигурация с общим коллектором очень удобна для приложений согласования импеданса из-за очень большого отношения входного импеданса к выходному импедансу. В конфигурации входной сигнал напрямую подключен к базе. Когда область эмиттера последовательно подключена к нагрузочному резистору, ток, протекающий через сопротивление нагрузки, равен току эмиттера. Вот почему выход берется с эмиттерной нагрузки, а коэффициент усиления по току конфигурации примерно равен значению β транзистора.

Рис. 7 Схема транзистора с общим коллектором

Этот тип конфигурации биполярного транзистора является неинвертирующей схемой в том смысле, что сигнальные напряжения Vin и Vout «синфазны». Сопротивление нагрузки получает как базовый, так и коллекторный токи, что приводит к большому усилению тока, а также обеспечивает хорошее усиление тока при очень небольшом усилении напряжения.

Вопросы

1. Если ток коллектора (Ic) равен 50 А, а ток базы (Ib) равен 2 А, то каково значение бета?

2. В чем разница между биполярным транзистором PNP и биполярным транзистором NPN?

3. Чему равен коэффициент усиления по току транзистора, если заданное значение альфа (α) равно 0,5?

Ответы

1. Бета-коэффициент (β) = Ic/Ib. Значение бета равно 50 А, деленным на 2 А, что равно 25.

2. Транзистор PNP и транзистор NPN имеют очень похожие характеристики, разница между ними заключается в смещении направлений тока и напряжения.

3. Коэффициент усиления транзистора по току равен бета-коэффициенту (β), который равен (α)/(1-α). Значение бета равно 0,5/(1-0,5), что равно 0,5

Дополнительные ссылки

1. bjt/

2. http://www.electrical4u. com/bipolar-junction-transistor-or-bjt-n-p-n-or-p-n-p-transistor/

Ссылки

1. Касап, С. ( 2006). Принципы электронных материалов и устройств (3-е изд.). Бостон: Макгроу-Хилл.

2. «Учебное пособие по NPN-транзистору — биполярный NPN-транзистор». Учебники по основам электроники . 1 сентября 2013 г. Интернет. 8 декабря 2015 г.

3. «Соединительный транзистор». Соединительный транзистор . Веб. 8 декабря 2015 г.

4. Все изображения были созданы с помощью программного обеспечения на сайте digikey.com

Авторы

1. К. Битти, MSE (Калифорнийский университет, Дэвис).

---

Bipolar Junction Transistor распространяется по незаявленной лицензии, автором, ремиксом и/или куратором является LibreTexts.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   1. биполярный переходной транзистор

Биполярный переходной транзистор (BJT) Формулы и уравнения

Содержание

Биполярный переходной транзистор:

Коэффициент усиления по току в BJT:

В BJT есть два типа усиления по току, т. е. α и β.

Где

• I _E — ток эмиттера
• I _C ток коллектора
• I _B  — базовый ток

Конфигурация с общей базой:

Коэффициент усиления по напряжению с общей базой

В конфигурации с общей базой BJT используется в качестве усилителя по напряжению, где коэффициент усиления A _В представляет собой отношение выходного напряжения к входному напряжению:

Где

• α = I _C  / I _E
• R _L — сопротивление нагрузки
• R _в это входное сопротивление

Похожие сообщения:

• Что такое транзистор NPN? BJT Строительство, работа и применение
• Что такое транзистор PNP? Строительство, работа и применение

Конфигурация с общим эмиттером:

Коэффициент усиления по прямому току:

Это отношение выходного тока, то есть тока коллектора, I _C , к входному току, то есть току базы I _B.

β _F  = h _{FE 0 4 B}

Где

• Β _F — усиление прямого тока
• I _C  ток коллектора
• I _B  — базовый ток

Ток эмиттера:

Ток эмиттера представляет собой комбинацию токов коллектора и базы. Его можно рассчитать с помощью любого из этих уравнений.

• I _E = I _C  + I _B
• I _E = I _C  /  α
• I _E = I _B (1+ β)

Ток коллектора:

Ток коллектора для BJT определяется как:

• I _C = β _F I _B + I _{Генеральный директор} ≈ β _F I _B
• I _C  =  α I _E
• I _C = I _E  – I _B

Где

I _CEO  это ток утечки коллектор-эмиттер (открытая база).