Home » Misc » Транзистор биполярный npn

Транзистор биполярный npn


Биполярный транзистор / Хабр

1. Основные сведения

Биполярным транзистором называется трехэлектродный усилительный полупроводниковый прибор, имеющий трехслойную p-n-p, либо n-p-n структуру с двумя взаимодействующими (ключевое слово) p-n переходами.

Свое имя «TRANSferresISTOR» (дословно – «переходное сопротивление») этот полупроводниковый прибор получил в 1948 году от Уильяма Шокли. Термин «биполярный» подчеркивает тот факт, что принцип действия транзистора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц обоих знаков -  как дырок, так и электронов.

Рис. 1. Упрощенный вид внутреннего устройства биполярного транзистора p-n-p структуры.

На рис. 1 показан упрощенный вид внутренней структуры объемного маломощного биполярного p-n-p транзистора. Крайнюю слева р+ область называют эмиттером. Промежуточная n область называется базой. Крайняя p область справа – коллектор. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным.

Для того, чтобы уменьшить интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе, необходимо выполнить условие , то есть физическая толщина базы должна быть меньше диффузионной длины. Это означает автоматическое выполнение условия , что обуславливает взаимодействие переходов.

Эмиттер предназначен для инжекции дырок в базу. Область эмиттера имеет небольшие размеры, но большую степень легирования –  концентрация акцепторной примеси NA в эмиттере кремниевого транзистора достигает ~ 1017 – 1018 ат/см3 (этот факт обозначен символом р+).   Область базы легирована нормально – концентрация донорной примеси ND в ней составляет ~ 1013 – 1014 ат/cм3.   В этом случае эмиттерный переход получается резко несимметричным, поскольку обедненная зона располагается, в основном, в базе. Диффузия носителей становится односторонней, так как резко уменьшается встречный поток электронов из базы в эмиттер, что также уменьшает интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе.

Теперь выделим еще раз особенности структуры, которые обеспечивают хорошие усилительные свойства транзистора, уменьшая интенсивность процессов рекомбинации:

Область коллектора имеет наибольшие размеры, поскольку в его функцию входит экстракция носителей, диффундировавших через базу.  Кроме того, на коллекторе рассеивается большая мощность, что требует эффективного отвода тепла. 

Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Биполярные транзисторы являются усилительными приборами и, поэтому, применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десятков гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте:

  1. низкочастотные­ не более 3 МГц;

  2. средней частоты - от 3 МГц до 30МГц;

  3. высокочастотные- от 30 МГц до 300 МГц;

  4. сверхвысокочастотные - более 300 МГц

По мощ­ности выделяют следующем образом:

  • маломощные - не более 0,3 Вт;

  • средней мощности - от 0,3 Вт до1,5 Вт;

  • большой мощности - более 1,5 Вт.

В настоящее время парк биполярных транзисторов очень разнообразен. Сюда входят как обычные транзисторы, которые работают в самых различных аналоговых, импульсных и цифровых устройствах, так и специальные, например, лавинные тран­зисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносе­кундного диапазона. Следует упомянуть многоэмиттерные, а также составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.

2. Принцип действия

Рассмотрим активный режим работы транзистора, когда эмиттерный переход открыт прямым смещением Uэб, а коллекторный закрыт обратным смещением Uкб. Для этого воспользуемся одномерной моделью транзистора, которая показана на рис. 2. Модель характерна тем, что все физические величины зависят только от продольной координаты, поперечные же размеры бесконечны. Стрелками на рисунке обозначены положительные направления токов (от «+» к «–»), дырки обозначены открытыми, а электроны – закрытыми кружками.  Сокращения: ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход.

Рис. 2. Иллюстрация принципа действия биполярного транзистора p-n-p структуры.

Предположим, что в начальный момент времени ключ «К» разомкнут. Эмиттерный переход закрыт, поскольку потенциальный барьер в обедненной области перехода запрещает диффузию носителей, несмотря на огромный градиент концентраций на переходе – дырок слева 1017см-3, а справа 106см-3. Это режим отсечки. Транзистор закрыт, существует только небольшой обратный тепловой ток обратно смещенного коллекторного перехода.

Теперь замкнем ключ «К». Потенциальный барьер понижается вследствие частичной компенсации внутреннего электрического поля встречно направленным внешним электрическим полем источника Uэб. Начинается процесс диффузии, вследствие огромного градиента концентраций дырок между эмиттером и базой. Дырки диффундируют или инжектируются из эмиттера в базу, где меняют статус – становятся неосновными. Для неосновных носителей нет потенциального барьера, другими словами, диффундируя через базу в направлении коллекторного перехода, они попадают во втягивающее поле коллекторного перехода и экстрагируются в область коллектора. В цепи коллектора эти дырки создают дрейфовый ток, пропорциональный току эмиттера:

(2. 1)

где α – доля дырок, достигших коллектора, или коэффициент передачи тока эмиттера.  Поскольку небольшая часть дырок, инжектированных из эмиттера в базу, все же успевает рекомбинировать, то всегда α <1. При достаточно тонкой базе α может доходить до 0,99 и более. Уменьшение концентрации электронов в базе в результате рекомбинации восполняется потоком электронов от внешнего источника Uэб через внешний вывод базы. Таким образом внутренний ток рекомбинации, являющийся дырочным, полностью компенсируется электронным током через электрод базы:

(2.2)

В цепи коллектора кроме управляемого тока протекает неуправляемый дрейфовый обратный ток Iкб0, обусловленный, в основном, тепловой генерацией электронно-дырочных пар в объеме перехода. Этот ток очень мал, он не зависит от напряжения Uкб, а зависит только от температуры.   Обратный ток коллектора Iкб0 измеряется при разомкнутой цепи эмиттера, о чем говорит индекс «0» (ноль).

Полный ток, протекающий во внешней цепи коллектора, имеет дырочный характер и равен

                                         (2.3)

В нормальных условиях работы поэтому с хорошей точностью полагают, что ток во внешней цепи коллектора равен

                                               (2.4)

а ток во внешней цепи базы имеет электронный характер и равен

                                       (2.5)

Согласно первому закону Кирхгофа,

                                         (2.6)

Для удобства, формально, вводят коэффициент передачи тока базы

                                            (2. 7)

Коэффициент связан с коэффициентом соотношением

                                              (2.8)

3. Режимы работы и способы включения

Рис. 3.1. Условное обозначение на схеме биполярного транзистора p-n-p структуры и n-p-n структуры .

Условные обозначения биполярного транзистора на схеме, показаны на рис. 3.1, а показано условное графическое обозначение биполярного транзистора по ГОСТ для формата листа А4. Стрелка на выводе эмиттера всегда направлена от «p» к «n», то есть указывает направление прямого тока открытого перехода. Кружок обозначает корпус дискретного транзистора. Для транзисторов в составе интегральных схем он не изображается. На рис. 3.1, б и в показаны структуры p-n-p и n-p-n соответственно. Принцип действия транзисторов обеих структур одинаков, а полярности напряжений между их электродами разные. Поскольку в транзисторе два перехода (эмиттерный и коллекторный) и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора.

  • Активный режим, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Активный режим работы является основным и используется в усилительных схемах.

  • Режим насыщения- оба перехода открыты.

  • Режим отсечки- оба перехода закрыты.

  • Инверсный режим- эмиттерный переход закрыт, коллекторный - открыт.

В большинстве транзисторных схем транзистор рассматривается как четырехполюсник. Поэтому для такого включения один из выводов транзистора должен быть общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора, которые показаны на рис. 3.2: а) с общей базой (ОБ), б) общим эмиттером (ОЭ) и в) общим коллектором (ОК).  На рисунке указаны положительные направления токов, а полярности напряжений соответствуют активному режиму работы.

Рис. 3.2. Схемы включения транзистора слева направо: схема с ОБ, ОЭ и ОК.

В схеме ОБ входную цепь является цепь эмиттера, а выходной – цепь коллектора.  Эта схема наиболее проста для анализа, поскольку напряжение Uэб прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение Uкб – к коллекторному, причем источники имеют разные знаки.

В схеме ОЭ входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь коллектора. Напряжение Uбэ> 0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и открывает его. Напряжение Uкэ той же полярности распределяется между обоими переходами: Uкэ = Uкб + Uбэ. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо выполнить условие Uкб = Uкэ -  Uбэ> 0, что обеспечивается неравенством Uкэ> Uбэ> 0.

В схеме ОК входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь эмиттера.

4. Статические вольт-амперные характеристики

Транзистор, как любой четырехполюсник, можно охарактеризовать четырьмя величинами - входными и выходными напряжениями и токами: Uвх = U1, Uвых = U2, Iвх = I1, Iвых = I2. Функциональные зависимости между этими постоянными величинами называются статическими характеристиками транзистора. Чтобы установить функциональные связи между указанными величинами, необходимо две из них взять в качестве независимых аргументов, а две оставшиеся выразить в виде функций этих независимых аргументов. Как правило, применительно к биполярному транзистору в качестве независимых аргументов выбирают входной ток и выходное напряжение.  В этом случае

                                              (4.1)

Обычно соотношения (4.1) представляют в виде функций одного аргумента. Для этого второй аргумент, называемый параметром характеристики, фиксируют. В основном, используют два типа характеристик транзистора:

                                       (4.2)

                                     (4. 3)

Следует отметить, что общепринято представление вольт-амперной характеристики как функции тока от напряжения, поэтому входная характеристика используется в виде обратной функции

                                    (4.4)

 Статические характеристики транзистора могут задаваться аналитическими выражениями, но в большинстве случаев их представляют графически в виде семейства характеристик, которые и приводятся в справочниках.

4.1. Статические характеристики в схеме с ОБ

В схеме с ОБ (рис. 3.2.а) входным током является ток эмиттера Iэ, а выходным – ток коллектора Iк, соответственно, входным напряжением является напряжение Uэб, а выходным – напряжение Uкб.

Входная характеристика в схеме ОБ представлена зависимостью

                                       (4. 5)

которая, в свою очередь, является прямой ветвью вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода. Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, а. Зависимость Iэ от Uкб как от параметра связана с эффектом Эрли: увеличение обратного смещения коллекторного перехода Uкб уменьшает эффективную толщину базы W, что приводит к некоторому росту Iэ. Это проявляется в смещении входной характеристики в сторону меньших значений . Режиму отсечки формально соответствует обратное напряжение Uэб> 0, хотя реально эмиттерный переход остается закрытым () и при прямых напряжениях .

Выходная характеристика транзистора в схеме ОБ представляет собой зависимость

                                    (4.6)

Семейство выходных характеристик n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, б. Форма кривых в активной области соответствует форме обратной ветви вольт-амперной характеристики коллекторного перехода.

Рис. 4.1. Семейства входных (а) и выходных (б) характеристик биполярного транзистора в схеме с ОБ.

Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид

                                             (4.7)

Отсюда следует, что ток коллектора определяется только током эмиттера и не зависит от напряжения Uкб, т.е. характеристики в активном режиме расположены параллельно оси абсцисс. На практике же при увеличении Uкб имеет место небольшой рост Iк, связанный с эффектом Эрли, характеристики приобретают очень незначительный наклон. Кроме того, в активном режиме характеристики практически эквидистантны (расположены на одинаковом расстоянии друг от друга), и лишь при очень больших токах эмиттера из-за уменьшения α кривые несколько приближаются друг к другу.

При Iэ = 0 транзистор находится в режиме отсечки и в цепи коллектора протекает только неуправляемый тепловой ток (Iк = Iкб0).

В режиме насыщения на коллекторном переходе появляется открывающее его прямое напряжение Uкб, большее порогового значения Uкб пор, и возникает прямой диффузионный ток навстречу нормальному управляемому току Iк.  Этот ток называют инверсным.  Инверсный ток резко увеличивается с ростом , в результате чего  Iк очень быстро уменьшается и, затем, меняет знак.

 

4.2. Статические характеристики в схеме с ОЭ

В схеме с ОЭ (рис. 3.2, б) входным током является ток базы Iб, а выходным – ток коллектора Iк. Соответственно, входным напряжением является напряжение Uбэ, а выходным – Uкэ. 

Рис. 4.2. Семейства входных (а) и выходных характеристик (б) биполярного транзистора в схеме с ОЭ.

Входная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

                                     (4.8)

что, как и в схеме с ОБ, соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода.

Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.2, а. Зависимость тока базы Iб от напряжения на коллекторе Uкэ, как и в предыдущем случае, обусловлена эффектом Эрли. Уменьшение эффективной ширины базы W с ростом Uкэ приводит к уменьшению тока рекомбинации, а, следовательно, тока базы в целом. В результате, характеристики смещаются в сторону больших значений Uбэ. Следует отметить, что Iб = 0 при некотором значении Uпор> 0, когда рекомбинационный ток (1-α)Iэ становится равным тепловому току Iкэ0. При Uбэ <Uпор, Iб = - Iкэ0, что соответствует режиму отсечки.

 При Uкэ <Uбэ открывается коллекторный переход, и транзистор переходит в режим насыщения. В этом режиме вследствие двойной инжекции в базе накапливается очень большой избыточный заряд электронов, интенсивность рекомбинации которых с дырками резко возрастает, и ток базы стремительно растет.  

Выходная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

                                     (4.9)

Семейство выходных характеристик показано на рис. 7.6б.  Для получения идеализированной выходной характеристики в активном режиме из соотношения (2.2), учитывая (2.6), исключим ток эмиттера. Тогда

                            (4.10)

Ток Iкэ0 называют сквозным тепловым током транзистора, причем, как видно из (4.11),

                                           (4. 11)

Семейство выходных характеристик целиком расположено в первом квадранте. Данный факт обусловлен тем, что в схеме с ОЭ напряжение Uкэ распределено между обоими переходами.  При Uкэ <Uбэ напряжение на коллекторном переходе меняет знак и становится прямым. В результате транзистор переходит в режим насыщения при Uкэ> 0. В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, т.е. Iк становится неуправляемым и не зависит от тока базы.

Как видно из рис. 4.2 .б, в активном режиме кривые проходят под углом к оси абсцисс, причем этот угол увеличивается с ростом тока базы.  Такое поведение кривых обусловлено эффектом Эрли. Однако рост Iк при увеличении Uкэ выражен значительно ярче, чем в схеме с ОБ, поскольку в активном режиме эмиттерный переход приоткрыт падением напряжения на материале базы в результате протекания коллекторного тока. Это приводит к дополнительному увеличению коллекторного тока Iк с ростом напряжения Uкэ. Этим же объясняется отсутствие эквидистантности и наличие в β раз большего, чем Iкб0, сквозного теплового тока Iкэ0 (4.11). 

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером VКЭ (VCE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE — 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру IBE, и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы IB, сильно меняется ток коллектора IС. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = IC / IB

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0. 1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы I

b

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0. 6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора I

С

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).

3. Расчет выходного напряжения V

out

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

  • Режим отсечки (cut off mode).
  • Активный режим (active mode).
  • Режим насыщения (saturation mode).
  • Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0. 7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора IС к току базы IB. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается Rin (Rвх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

Rвх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление Rout = 0 (Rвых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Что такое транзистор NPN? Определение, типы и приложения.

star_borderПодписаться на статью

EmmaAshely

6star_border 1вопрос_ответ 5thumb_up

Ваша следующая статья

 

Дэйв из DesignSpark

Как вы относитесь к этой статье? Помогите нам предоставить лучший контент для вас.

Дэйв из DesignSpark

Спасибо! Ваш отзыв получен.

Дэйв из DesignSpark

Не удалось отправить отзыв.

Повторите попытку позже.

Дэйв из DesignSpark

Что вы думаете об этой статье?

Транзисторы NPN представляют собой тип биполярных транзисторов с тремя слоями, которые используются для усиления сигнала. Это устройство, которое управляется током. Транзистор отрицательный-положительный-отрицательный обозначается аббревиатурой NPN. В этой конфигурации полупроводник p-типа сплавлен между двумя полупроводниковыми материалами n-типа.

Он разделен на три секции: эмиттерную, базовую и коллекторную. В транзисторе NPN поток электронов заставляет его проводить ток.

Символ NPN:

На следующей диаграмме показано символическое представление NPN-транзистора:

Направление тока, протекающего через устройство, четко показано стрелкой, направленной наружу, на клемме эмиттера на символическом изображении. Электроны составляют большинство носителей в транзисторах NPN.

Конструкция транзистора NPN:

Транзистор NPN изготавливается двумя способами.

Транзисторы NPN образуются, когда полупроводниковый материал p-типа (кремний или германий) сплавляется между двумя полупроводниковыми материалами n-типа, как мы уже знаем.

Конструктивная структура NPN-транзистора показана на схеме ниже:

NPN-транзистор состоит из нескольких различных компонентов.

Он разделен на три секции: эмиттерную, базовую и коллекторную.

Соединение эмиттер-база — это область, соединяющая эмиттер и базовую область. Соединение коллектор-база, с другой стороны, является точкой, где встречаются области базы и коллектора. Он функционирует как два диода PN-перехода из-за наличия двух переходов между тремя областями.

Уровни легирования в каждой из трех областей разные. Эмиттерная область имеет много легирования, в то время как базовая область также имеет много легирования. А уровень легирования области коллектора умеренный, находится где-то между эмиттерной и базовой областью. Его обратным является PNP-транзистор, в котором P-область зажата между двумя областями N-типа.

Стоит отметить, что области эмиттера и коллектора нельзя поменять местами. Причина этого в том, что толщина области коллектора немного больше, чем у области эмиттера. Так что больше энергии может быть рассеяно.

Работа NPN-транзистора:

Давайте теперь посмотрим, как работает NPN-транзистор.

Когда на транзистор не подается смещение или между его выводами не подключена батарея. Тогда это называется несмещенным состоянием транзистора. Мы уже говорили о том, как работает диод с PN-переходом в отсутствие смещения. Как мы уже знаем, транзистор состоит из двух PN-переходов.

В результате в условиях отсутствия смещения электроны в эмиттерной области начинают двигаться в сторону базовой области из-за колебаний температуры. Однако по прошествии определенного времени на переходе эмиттер-база транзистора образуется область обеднения. Только около 5% электронов объединяются с дырками в этой области после достижения области базы, а остальные дрейфуют через область коллектора. Точно так же через некоторое время на переходе база-коллектор транзистора образуется область обеднения.

Стоит отметить, что толщина или тонкость обедненной области определяется концентрацией легирования материала. Иными словами, в случае слаболегированной области ширина обедненной области будет больше, чем в случае сильнолегированной области. Поэтому ширина обеднения на переходе коллектор-база больше, чем на переходе эмиттер-база. Эти две области истощения служат потенциальным камнем преткновения для любого дальнейшего потока большинства носителей.

На следующей диаграмме показано состояние смещения NPN-транзистора:

Ширина обедненной области, также называемой PN-переходом, сужается в результате прямого приложенного напряжения на переходе эмиттер-база. Точно так же ширина перехода коллектор-база увеличивается за счет обратного приложенного напряжения. Вот почему по сравнению с переходом коллектор-база на предыдущем рисунке переход эмиттер-база имеет тонкую область обеднения.

Электроны начинают инжектироваться в область эмиттера в результате прямого приложенного напряжения VBE. Электроны в этой области обладают достаточной энергией, чтобы преодолеть барьерный потенциал перехода эмиттер-база и достичь области базы.

Движение носителей заряда в NPN-транзисторе показано на диаграмме ниже:

Поскольку базовая область очень тонкая и слегка легированная. В результате только несколько электронов объединяются с дырками, как только они достигают места назначения. Из-за сильного электростатического поля электроны начинают дрейфовать в области коллектора из-за очень тонкой области базы и обратного напряжения на переходе коллектор-база. В результате эти электроны теперь собираются на выводе коллектора транзистора. Электроны начинают двигаться к коллектору по мере того, как рекомбинирующие дырки и электроны отделяются друг от друга. В результате этого движения через устройство также протекает очень небольшой базовый ток. Поэтому ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора. IE = IB + IC

Применение диода NPN:

Транзисторы с диодами NPN (NPN) используются в различных устройствах,

  1. Они используются в высокочастотных устройствах.
  2. В коммутационных устройствах чаще всего используются NPN-транзисторы.
  3. Этот компонент используется в усилительных цепях.
  4. Для усиления слабых сигналов используется в парных цепях Дарлингтона.
    5. Транзисторы
  5. NPN используются в приложениях, где требуется сток тока.
  6. Этот компонент используется в некоторых классических схемах усилителей, таких как схемы двухтактных усилителей.
  7. Например, в датчиках температуры.
  8. Приложения с чрезвычайно высокой частотой.
  9. Эта переменная используется в логарифмических преобразователях.
  10. Поскольку усиление сигнала осуществляется с помощью NPN-транзисторов. В усилительных схемах он используется таким образом.
  11. Логарифмические преобразователи - еще одна область, где он используется.
  12. Характеристика переключения транзистора NPN является одним из его наиболее значительных преимуществ. В результате он обычно используется для переключения приложений.

Транзистор NPN термины, которые важно знать:

Область эмиттера: Это самая большая часть структуры, которая больше базовой области, но меньше области коллектора. В нем много допинга. Он используется для переноса основных носителей в базовую область, то есть электронов. Это область с прямым смещением, что означает, что она всегда снабжена базовой областью со смещением в прямом направлении.

Район основания: Регион основания расположен в середине конструкции. По сравнению с областями эмиттера и коллектора транзистора он имеет небольшую область. Он слегка легирован, чтобы обеспечить минимальную рекомбинацию и высокий ток на коллекторе.

Область коллектора: Это крайняя правая секция структуры, и ее функция выражена в ее названии: она собирает носители, передаваемые базовой областью. По сравнению с базовой областью эта область получает обратное смещение.

Хотите продолжить чтение статей от DesignSpark?

Станьте участником, чтобы бесплатно получить неограниченный доступ ко всему контенту DesignSpark!

Зарегистрируйтесь, чтобы стать участником

Уже являетесь участником DesignSpark? Логин

Поделиться этой записью

thumb_upМне нравится star_borderПодписаться на статью

Привет, я студент электротехнического факультета. Сейчас работаю в магазине электроники. Я работаю там на электрических компонентах. Там я узнаю много полезных практических концепций. С другой стороны, я даю онлайн-обучение некоторым старшеклассникам. Я люблю электрические и электронные устройства и планирую получить степень магистра в области электроники.

Рекомендуемые статьи

Ваша следующая статья

 

В чем разница между транзисторами PNP и NPN?

Обновлено 26. 10.2022

Транзистор, пожалуй, самое важное изобретение в электронной технике и основа практически всех интегральных схем (ИС). Транзистор представляет собой электронное устройство с тремя выводами, которое можно использовать для управления потоком электрического тока, и он был первым электронным устройством, которое могло усиливать или переключать электрический ток. Это простое устройство можно использовать для создания сложных электронных схем, и, хотя существуют и другие типы транзисторов, транзисторы с биполярным переходом по-прежнему широко используются в цифровых схемах.

Оба используются в различных схемах усиления и модуляции; наиболее частым среди его применений является полное включение и выключение, что называется режимом переключения. Легко запомнить, что NPN означает «отрицательный-положительный-отрицательный», а PNP означает «положительный-отрицательный-положительный». Давайте подробнее рассмотрим, как работают транзисторы NPN и PNP.

Существует два основных типа транзисторов: транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET). BJT изготовлены из легированных материалов и могут быть сконфигурированы как NPN и PNP. Транзистор представляет собой активное устройство с тремя выводами, и эти три вывода известны как эмиттер (E), база (B) и коллектор (C) 9.0167 (рис. 1) . База отвечает за управление транзистором, в то время как коллектор является положительным выводом, а эмиттер — отрицательным выводом.

Физика полупроводников БЯТ здесь обсуждаться не будет, но стоит упомянуть, что БЯТ изготавливается с тремя отдельно легированными областями с двумя переходами. PNP-транзистор имеет одну N-область между двумя P-областями (фиг. 2) , в то время как NPN-транзистор имеет одну P-область между двумя N-областями (фиг. 3) .

Соединения между областями N и P аналогичны соединениям в диодах, и они также могут быть смещены в прямом или обратном направлении. BJT могут работать в разных режимах в зависимости от смещения перехода:

  • Зона отсечки: BJT работает в этой зоне при операциях переключения. В отсечке транзистор неактивен.
  • Активная область: BJT работает в этой зоне для цепей усилителя, поскольку транзистор может действовать как достаточно линейный усилитель.
  • Область насыщения: BJT работает в этой зоне при операциях переключения. Транзистор выглядит как короткое замыкание между выводами коллектора и эмиттера.
  • Реверс Активная область: Как и в активном режиме, ток пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении. Этот режим используется редко.

В транзисторе NPN положительное напряжение подается на клемму коллектора для создания тока, протекающего от коллектора к эмиттеру. В транзисторе PNP положительное напряжение подается на эмиттерную клемму для создания тока, протекающего от эмиттера к коллектору. В транзисторе NPN ток течет от коллектора (C) к эмиттеру (E) (рис. 4) .

Однако в транзисторе PNP ток течет от эмиттера к коллектору (рис. 5) .

Here is a list of some classic general-purpose BJTs (Fig. 6) :

  • NPN - 2N2222
  • NPN - 2N3904
  • NPN - TIP120
  • PNP - 2N2907
  • PNP - 2N3906

Основной принцип любого биполярного транзистора заключается в управлении током третьей клеммы напряжением между двумя другими клеммами. Принцип работы НПН и ПНП абсолютно одинаков. Разница только в их смещении и полярности питания для каждого типа.

Будущее транзисторов PNP и NPN неясно. Это обе хорошо зарекомендовавшие себя технологии с долгой историей использования. Однако более новые технологии, такие как MOSFET (полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник) и JFET (полевые транзисторы с переходом), становятся все более популярными, и вполне возможно, что они могут в конечном итоге заменить транзисторы PNP и NPN.

Тем не менее, оба транзистора, скорее всего, будут использоваться в высокоскоростных маломощных устройствах следующего поколения. Транзисторы PNP имеют преимущество более низкого напряжения включения, что делает их идеальными для использования в высокоскоростных приложениях.

Learn more