За счет чего происходит усиление в транзисторе

Биполярный транзистор. Что он собой представляет, как устроен и как
работает?

Структура, носители, принципы и режимы работы: нормальный режим (в активной области), режимы отсечки и насыщения. Как и за счёт чего усиливает биполярный транзистор?

Ну вот, а теперь можно переходить к описанию структурной схемы транзистора.

Рис.1

Рассмотрим цепь, иллюстрирующую работу n-p-n транзистора типа в различных режимах.

Рис.2 а) Режим отсечки тр-ра б) Активный режим тр-ра в) Режим насыщения тр-ра

На следующей странице рассмотрим эквивалентную схему транзистора, а также свойства и характеристики различных типов усилительных каскадов.

Источник

Что такое транзистор и как он работает?

Принцип полупроводникового управления электрическим током был известен ещё в начале ХХ века. Несмотря на то, что инженеры, работающие в областях радиоэлектроники, знали как работает транзистор, они продолжали конструировать устройства на основе вакуумных ламп. Причиной такого недоверия к полупроводниковым триодам было несовершенство первых точечных транзисторов. Семейство германиевых транзисторов не отличались стабильностью характеристик и сильно зависели от температурных режимов.

Серьёзную конкуренцию электронным лампам составили монолитные кремниевые транзисторы лишь в конце 50-х годов. С этого времени электронная промышленность начала бурно развиваться, а компактные полупроводниковые триоды активно вытесняли энергоёмкие лампы со схем электронных приборов. С появлением интегральных микросхем, где количество транзисторов может достигать миллиардов штук, полупроводниковая электроника одержала убедительную победу в борьбе за миниатюризацию устройств.

Что такое транзистор?

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов некоторые виды полимеров, и даже углеродных нанотрубок. Видимо в скором будущем мы узнаем о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.

Раньше кристаллы полупроводника располагались в металлических корпусах в виде шляпок с тремя ножками. Такая конструкция была характерна для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских, в т. ч. кремниевых полупроводниковых приборов выполнены на основе легированного в определённых частях монокристалла. Они впрессованы в пластмассовые, металлостеклянные или металлокерамические корпуса. У некоторых из них имеются выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторы.

Электроды современных транзисторов расположены в один ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки плат. Выводы не маркируются на корпусах. Тип электрода определяется по справочникам или путём измерений.

Для транзисторов используют кристаллы полупроводников с разными структурами, типа p-n-p либо n-p-n. Они отличаются полярностью напряжения на электродах.

Схематически строение транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделённых дополнительным слоем. (Смотри рисунок 1). Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью полупроводникового триода.

Рис. 1. Строение транзисторов

На рисунке 1 схематически изображено строение биполярных триодов. Существуют ещё класс полевых транзисторов, о которых речь пойдёт ниже.

Базовый принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не протекает. Электрическому току препятствует сопротивление эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв. Для включения транзистора требуется подать незначительное напряжение на его базу.

На рисунке 2 показана схема, объясняющая принцип работы триода.

Рис. 2. Принцип работы

Управляя токами базы можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, то он изменит амплитуду выходных токов. При этом выходной сигнал точно повторит частоту колебаний на базовом электроде. Другими словами, произойдёт усиление поступившего на вход электрического сигнала.

Таким образом, полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

Работу устройства в режиме электронного ключа можно понять из рисунка 3.

Рис. 3. Триод в режиме ключа

Обозначение на схемах

Общепринятое обозначение: «VT» или «Q», после которых указывается позиционный индекс. Например, VT 3. На более ранних схемах можно встретить вышедшие из употребления обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ». Транзистор изображается в виде символических линий обозначающих соответствующие электроды, обведённые кружком или без такового. Направление тока в эмиттере указывает стрелка.

На рисунке 4 показана схема УНЧ, на которой транзисторы обозначены новым способом, а на рисунке 5 – схематические изображения разных типов полевых транзисторов.

Рис. 4. Пример схемы УНЧ на триодах

Виды транзисторов

По принципу действия и строению различают полупроводниковые триоды:

Эти транзисторы выполняют одинаковые функции, однако существуют различия в принципе их работы.

Полевые

Данный вид триодов ещё называют униполярным, из-за электрических свойств – у них протекает ток только одной полярности. По строению и типу управления эти устройства подразделяются на 3 вида:

Отличительная черта изолированного затвора – наличие диэлектрика между ним и каналом.

Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

Схемы полевых триодов показано на рисунке 5.

Рис. 5. Полевые транзисторы Рис. 6. Фото реального полевого триода

Обратите внимание на название электродов: сток, исток и затвор.

Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать больше года от небольшой батарейки или аккумулятора. Поэтому они нашли широкое применение в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные гаджеты и т.п.

Биполярные

Об этом виде транзисторов много сказано в подразделе «Базовый принцип работы». Отметим лишь, что название «Биполярный» устройство получило из-за способности пропускать заряды противоположных знаков через один канал. Их особенностью является низкое выходное сопротивление.

Транзисторы усиливают сигналы, работают как коммутационные устройства. В цепь коллектора можно включать достаточно мощную нагрузку. Благодаря большому току коллектора можно понизить сопротивление нагрузки.

Более детально о строении и принципе работы рассмотрим ниже.

Комбинированные

С целью достижения определённых электрических параметров от применения одного дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них можно выделить:

Комбинированные транзисторы – это, по сути, элементарная микросхема в одном корпусе.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

Работа биполярных транзисторов основана на свойствах полупроводников и их сочетаний. Чтобы понять принцип действия триодов, разберёмся с поведением полупроводников в электрических цепях.

Полупроводники.

Некоторые кристаллы, такие как кремний, германий и др., являются диэлектриками. Но у них есть одна особенность – если добавить определённые примеси, то они становятся проводниками с особыми свойствами.

Одни добавки (доноры) приводят к появлению свободных электронов, а другие (акцепторы) – образуют «дырки».

Если, например, кремний легировать фосфором (донор), то получим полупроводник с избытком электронов (структура n-Si). При добавлении бора (акцептор) легированный кремний станет полупроводником с дырочной проводимостью (p-Si), то есть в его структуре будут преобладать положительно заряженные ионы.

Односторонняя проводимость.

Проведём мысленный эксперимент: соединим два разнотипных полупроводника с источником питания и подведём ток к нашей конструкции. Произойдёт нечто неожиданное. Если соединить отрицательный провод с кристаллом n-типа, то цепь замкнётся. Однако, когда мы поменяем полярность, то электричества в цепи не будет. Почему так происходит?

В результате соединения кристаллов с разными типами проводимости, между ними образуется область с p-n переходом. Часть электронов (носителей зарядов) из кристалла n-типа перетечёт в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинирует дырки в зоне контакта.

В результате возникают некомпенсированные заряды: в области n-типа – из отрицательных ионов, а в области p-типа из положительных. Разница потенциалов достигает величины от 0,3 до 0,6 В.

Связь между напряжением и концентрацией примесей можно выразить формулой:

V_T – величина термодинамического напряжения, N_n и N_p – концентрация соответственно электронов и дырок, а n_i обозначает собственную концентрацию.

При подсоединении плюса к p-проводнику, а минуса к полупроводнику n-типа, электрические заряды преодолеют барьер, так как их движение будет направлено против электрического поля внутри p-n перехода. В данном случае переход открыт. Но если полюса поменять местами, то переход будет закрыт. Отсюда вывод: p-n переход образует одностороннюю проводимость. Это свойство используется в конструкции диодов.

От диода к транзистору.

Усложним эксперимент. Добавим ещё одну прослойку между двумя полупроводниками с одноименными структурами. Например, между кремниевыми пластинами p-типа вставим прослойку проводимости (n-Si). Не трудно догадаться, что произойдёт в зонах соприкосновения. По аналогии с вышеописанным процессом образуются области с p-n переходами, которые заблокируют движение электрических зарядов между эмиттером и коллектором, причём независимо от полярности тока.

Самое интересное произойдёт тогда, когда мы приложим незначительное напряжение к прослойке (базе). В нашем случае, подадим ток с отрицательным знаком. Как и в случае с диодом, образуется цепь эмиттер-база, по которой потечёт ток. Одновременно прослойка начнёт насыщаться дырками, что приведёт к дырочной проводимости между эмиттером и коллектором.

Посмотрите на рисунок 7. На нём видно, что положительные ионы заполнили всё пространство нашей условной конструкции и теперь ничто не мешает проводимости тока. Мы получили наглядную модель биполярного транзистора структуры p-n-p.

Рис. 7. Принцип работы триода

При обесточивании базы транзистор очень быстро приходит в первоначальное состояние и коллекторный переход закрывается.

Устройство может работать и в усилительном режиме.

Ток коллектора связан прямой пропорциональностью с током базы: I_к = ß*I_Б, где ß – коэффициент усиления по току, I_Б – ток базы.

Если изменить величину управляющего тока, то изменится интенсивность образования дырок на базе, что повлечёт за собой пропорциональное изменение амплитуды выходного напряжения, с сохранением частоты сигнала. Этот принцип используют для усиления сигналов.

Подавая на базу слабые импульсы, на выходе мы получаем такую же частоту усиления, но со значительно большей амплитудой (задаётся величиной напряжения, приложенного к цепочке коллектор эмиттер).

Аналогичным образом работают npn транзисторы. Меняется только полярность напряжений. Устройства со структурой n-p-n обладают прямой проводимостью. Обратную проводимость имеют транзисторы p-n-p типа.

Остаётся добавить, что полупроводниковый кристалл подобным образом реагирует на ультрафиолетовый спектр света. Включая и отключая поток фотонов, или регулируя его интенсивность, можно управлять работой триода или менять сопротивление полупроводникового резистора.

Схемы включения биполярного транзистора

Схемотехники используют следующие схемы подключения: с общей базой, общими электродами эмиттера и включение с общим коллектором (Рис. 8).

Для усилителей с общей базой характерно:

Схемы с общим эмиттером обладают:

При таком подключении достаточно одного источника питания.

Схема подключения по принципу «общий коллектор» обеспечивает:

По аналогичному принципу работают полевые триоды со встроенным и индуцированным каналом. Их схемы вы видели на рисунке 5.

Схемы включения полевого транзистора

На практике применяют схемы подключений по аналогии с биполярным триодом:

На рисунке 10 показаны различные схемы включения.

Рис. 10. Изображение схем подключения полевых триодов

Практически каждая схема способна работать при очень низких входных напряжениях.

Источник

Усиление с помощью транзистора

Биполярные транзисторы

Общие сведения

Наиболее распространены транзисторы с двумя n–р-переходами, называемые биполяр­ными, так как их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были то­чечными, но они работали недостаточ­но устойчиво. В настоящее время из­готовляются и применяются исключи­тельно плоскостные транзисторы.

Устройство плоскостного биполяр­ного транзистора показано схемати­чески на рисунке 4.1. Он представляет собой пластину германия, или кремния, или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной элект­ропроводностью. Для примера взят транзистор типа п–р–п, имеющий среднюю область с дырочной, а две крайние области – с электронной электропроводностью. Широко применяются также транзисторы типа р — п — р, в ко­торых дырочной электропроводностью обладают две крайние области, а сред­няя имеет электронную электропровод­ность.

Рисунок 4.1 – Принцип устройства (а) и условное графическое

обозначение (б) плоскостного транзистора

Средняя область транзистора назы­вается базой, одна крайняя область –эмиттером, другая – коллектором. Та­ким образом, в транзисторе имеются два n–р-перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т. е. об­ласть базы должна быть очень тонкой. Это является условием хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. От базы, эмиттера и коллектора сдела­ны выводы.

Для величин, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору, применяют в качестве индексов буквы «б», «э» и «к». Токи в проводах базы, эмиттера и кол­лектора обозначают соответственно i_б, i_э, i_к.Напряжения между электродами обозначают двойными индексами, на­пример напряжение между базой и эмит­тером u_б-э, между коллектором и базой u_б-э. На условном графическом обозна­чении транзисторов р – п – р и п – р – п стрелка показывает условное (от плюса к минусу) направление тока в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в актив­ном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллектор­ном – обратное. Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обрат­ного напряжения на оба перехода. Если же на обоих переходах напряжение прямое, то транзистор работает в ре­жиме насыщения. Активный режим яв­ляется основным. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Поэтому мы подробно рассмотрим ра­боту транзистора в активном режиме. Режимы отсечки и насыщения характер­ны для импульсной работы транзистора и также будут рассмотрены в дальней­шем.

В схемах с транзисторами обычно образуются две цепи. Входная, или управ­ляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых коле­баний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка. Для величин, относящихся к входной и выходной цепи, применяют соответст­венно индексы «вх» и «вых» или 1 и 2.

Физические процессы

Рассмотрим прежде всего, как ра­ботает транзистор, для примера типа п– р–п, в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений Е₁и Е₂ (рисунок 4.2, а). Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения Е₁ в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение Е₂обычно составляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рисунке 4.2, а видно, что напряжения между электродами транзистора связаны простой зависи­мостью

u_к-э = u_к-б + u_б-э

При работе транзистора в активном режиме обычно всегда u_б-э >1, то

Сравнительно большой ток i_к-э0 объ­ясняется тем, что некоторая часть на­пряжения u_к-э приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напря­жения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении на­пряжения u_к-э ток i_к-э0 резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что, если u_к-э не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдать­ся быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (при условии, что в цепи коллектора нет резистора, огра­ничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения «_к._э, действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток i_э и равный ему ток i_э, на коллекторный переход поступает больше носи­телей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются, и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т. д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации тран­зисторов запрещается разрывать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сначала вклю­чить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Если надо измерить ток г_к._э0, то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разорванном проводе базы.

Усиление с помощью транзистора

На рисунке 4.6 изображена схема усили­тельного каскада с транзистором типа п — р — п. Принято данную схему называть схемой с общим эмиттером, так как эмиттер является общей точкой для входа и выхода схемы. Входное напряжение, которое необходи­мо усилить, подается от источника колебаний ИК на участок база — эмит­тер. На базу подано также положи­тельное смещение от источника Е₁, яв­ляющееся прямым напряжением для эмиттерного перехода. При этом в цепи базы протекает некоторый ток, а следо­вательно, входное сопротивление тран­зистора получается сравнительно не­большим. Чтобы не происходила потеря части входного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Е₁, он зашунтирован конденсатором достаточно большой емкости С₁. Этот конденсатор на самой низкой рабочей частоте должен иметь сопротивление, во много раз меньшее входного сопротив­ления транзистора.

Цепь коллектора (выходная цепь) питается от источника Е₂.Для получе­ния усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка R_н. Источник Е₂зашунтирован конденсато­ром С₂ для того, чтобы не было потери части выходного усиленного на­пряжения на внутреннем сопротивлении источника Е₂.На самой низкой частоте сопротивление этого конденсатора долж­но быть во много раз меньше R_н. В дальнейшем для упрощения схем конденсаторы C₁и С₂ не всегда будут показаны. Можно считать, что они име­ются внутри самих источников Е₁и Е₂. Если эти источники являются выпрями­телями, то в них всегда есть конденса­торы большой емкости для сглаживания пульсаций.

Рисунок 4.6 – Схема включения транзистора в усилительный каскад

Работа усилительного каскада с тран­зистором происходит следующим обра­зом. Изобразим коллекторную цепь в виде эквивалентной схемы (рисунке 4.7). Напряжение источника Е₂делится между сопротивлением нагрузки R_ни внутренним сопротивлением транзистора r₀, ко­торое он оказывает постоянному току коллектора. Это сопротивление прибли­женно равно сопротивлению коллек­торного перехода r_к0 для постоянного тока. В действительности к сопротив­лению r_к0 еще добавляются небольшие сопротивления эмиттерного перехода, а также п- и р-областей, но эти сопротивления можно не принимать во внимание.

Рисунок 4.7 – Эквивалентная схема коллекторной цепи усилительного каскада с транзистором

Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмит­тера, а следовательно, сопротивление коллекторного перехода r_к0. Тогда напряжение источника Е₂ будет перераспре­деляться между R_ни г_к0. При этом переменное напряжение на резисторе нагрузки может быть получено в десят­ки раз большим, чем входное пере­менное напряжение. Изменения тока кол­лектора почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше из­менений тока базы. Поэтому в рас­сматриваемой схеме получается значи­тельное усиление тока и очень боль­шое усиление мощности. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой источником Е₂.

Для большей наглядности рассмот­рим работу усилительного каскада с транзистором на числовом примере. Пусть питающие напряжения Е₁ =0,2 В и Е₂= 12 В, сопротивление резистора нагрузки R_н = 4 кОм и сопротивление транзистора r₀при отсутствии колеба­ний на входе также равно 4 кОм, т. е. полное сопротивление коллекторной цепи равно 8 кОм. Тогда ток кол­лектора, который можно приближен­но считать равным току эмиттера, составляет i_к = E₂/(R_н + r₀) = 12:8 = 1,5 мА. Напряжение Е₂разделится пополам, напряжение на R_ни на г₀ будет по 6 В.

Если от источника колебаний на вход поступает переменное напряжение с амплитудой 0,1 В, то максимальное напряжение на участке база – эмиттер при положительной полуволне становит­ся равным 0,3 В. Предположим, что под влиянием этого напряжения ток эмиттера возрастает до 2,5 мА. Таким же практически станет и ток коллектора. Он создаст на резисторе нагрузки паде­ние напряжения 2,5´4 = 10 В, а падение напряжения на сопротивлении r₀тран­зистора уменьшится до 12–10 = 2 В. Сле­довательно, это сопротивление умень­шится до 2:2,5 = 0,8 кОм. Через пол­периода, когда источник колебаний даст напряжение, равное – 0,1 В, произойдет обратное явление. Минимальное напря­жение база – эмиттер станет 0,2–0,1 = 0,1 В. Токи эмиттера и коллектора уменьшатся до 0,5 мА. На резисторе R_н падение напряжения уменьшится до 0,5 ´ 4 = 2 В, а на сопротивлении r₀ оно возрастет до 10 В; следовательно, это сопротивление увеличится до 10:0,5 = 20 кОм. Таким образом, подача на вход транзистора перемен­ного напряжения с амплитудой 0,1 В вызывает изменение сопротивления r₀от 0,8 до 20 кОм, и при этом напря­жения на резисторе нагрузки и на транзисторе изменяются на 4 В в ту и другую сторону (от 10 до 2 В). Следо­вательно, выходное напряжение имеет амплитуду колебаний 4 В, т. е. оно в 40 раз больше входного напряжения. (Этот числовой пример является прибли­женным, так как на самом деле зави­симость между током коллектора и вход­ным напряжением нелинейна.)

Рисунок 4.8 – Усиление колебаний с помощью транзистора

Колебания напряжений и токов для рассмотренного примера показаны гра­фиками на рисунке 4.8. Графикам этим соответствуют следующие уравнения: входное напряжение u_вх = U_{m вх} sinwt; на­пряжение на участке база – эмиттер u_б-э = U_б-э0 + U_{m б-э} sin wt, где U_{m б-э} = U_{m вх}; ток коллектора i_{к =} I_{к0 +} I_{m к}sinwt. Аналогично выражается напряжение на нагрузке: U_R = U_R0 + U_mR sinwt, где

Дата добавления: 2018-04-05 ; просмотров: 1473 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник