Принцип работы биполярного транзистора. Как работает транзистор и где используется

Первоначальное название радиодетали – триод, по числу контактов. Этот радиоэлемент способен управлять током в электрической цепи, под воздействием внешнего сигнала. Уникальные свойства применяются в усилителях, генераторах и других аналогичных схемных решениях.

Обозначение транзисторов на схеме

Долгое время в радиоэлектронике царствовали ламповые триоды. Внутри герметичной колбы, в специальной газовой или вакуумной среде размещались три основных компонента триода:

• Катод
• Сетка

Когда на сетку подавался управляющий сигнал небольшой мощности, между катодом и анодом можно было пропускать несравнимо большие значения. Величина рабочего тока триода многократно выше, чем управляющего. Именно это свойство позволяет радиоэлементу выполнять роль усилителя.

Триоды на основе радиоламп работаю достаточно эффективно, особенно при высокой мощности. Однако габариты не позволяют применять их в современных компактных устройствах.

Представьте себе мобильный телефон или карманный плейер, выполненный на таких элементах.

Вторая проблема заключается в организации питания. Для нормального функционирования, катод должен быть сильно разогрет, чтобы началась эмиссия электронов. Нагрев спирали требует много электроэнергии. Поэтому ученые всего мира всегда стремились создать более компактный прибор с такими же свойствами.

Первые образцы появились в 1928 году, а в середине прошлого столетия был представлен работающий полупроводниковый триод, выполненный по биполярной технологии. За ним закрепилось название «транзистор».

Что такое транзистор?

Транзистор – полупроводниковый электроприбор в корпусе или без него, имеющий три контакта для работы и управления. Главное свойство такое же, как у триода – изменение параметров тока между рабочими электродами при помощи управляющего сигнала.

Благодаря отсутствию необходимости разогрева, транзисторы затрачивают мизерное количество энергии на обеспечение собственной работоспособности. А компактные размеры рабочего полупроводникового кристалла, позволяют использовать радиодеталь в малогабаритных конструкциях.

Благодаря независимости от рабочей среды, кристаллы полупроводника можно использовать как в отдельном корпусе, так и в микросхемах. В комплекте с остальными радиоэлементами, транзисторы выращивают прямо на монокристалле.

Выдающиеся механические свойства полупроводника нашли применение в подвижных и переносных устройствах. Транзисторы нечувствительны к вибрации, резким ударам. Обладают неплохой температурной стойкостью (при сильной нагрузке применяют радиаторы охлаждения).

Транзистор (transistor, англ.) – триод, из полупроводниковых материалов, с тремя выходами, основное свойство которого – сравнительно низким входным сигналом управлять значительным током на выходе цепи. В радиодеталях, из которых собирают современные сложные электроприборы, используются полевые транзисторы. Их свойства позволяют решать задачи по выключению или включению тока в электрической цепи печатной платы, или его усилению.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор - это устройство с тремя или четырьмя контактами, в котором ток на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. Поэтому их называют полевыми.

Контакты:

Полевой транзистор с п – р переходом – особый вид транзисторов, которые служат для управления током .

Он отличается от простого обычного тем, что ток в нем проходит, не пересекая зоны р — n перехода, зоны, образующейся на границы этих двух зон. Размер р — n зоны регулируется.

Полевые транзисторы, их виды

Полевые транзисторы с п – р переходом делят на классы:

1. По типу канала проводника: n или р. От канала зависит знак, полярность, сигнала управления. Она должна быть противоположна по знаку n -зоне.
2. По структуре прибора: диффузные, сплавные по р – n — переходом, с затвором , тонкопленочные.
3. По числу контактов: 3-х и 4-контактные. В случае 4-контактного прибора, подложка также исполняет роль затвора.
4. По используемым материалам: германий, кремний, арсенид галлия.

Классы делятся по принципу работы:

• устройство под управлением р — n перехода;
• устройство с изолированным затвором или с барьером Шоттки.

Полевой транзистор, принцип работы

По-простому, как работает полевой транзистор с управляющим р-п переходом, можно сказать так: радиодеталь состоит из двух зон: р — перехода и п — перехода. По зоне п течет электрический ток. Зона р – перекрывающая зона своего рода вентиль. Если на нее сильно надавить, она перекрывает зону для прохождения тока и его проходит меньше. Или, если давление снизить пройдет больше. Такое давление осуществляют увеличением напряжения на контакте затвора, находящегося в зоне р.

Прибор с управляющим р — п канальным переходом - это полупроводниковая пластина с электропроводностью одного из этих типов. К торцам пластины подсоединены контакты: сток и исток, в середине - контакт затвора. Действие устройства основано на изменяемости толщины пространства р-п перехода. Поскольку в запирающей области почти нет подвижных носителей заряда, ее проводимость равна нулю . В полупроводниковой пластине, в области не под воздействием запирающего слоя, создается проводящий ток канал. При подаче отрицательного напряжения по отношению к истоку, на затвор создается поток, по которому истекают носители заряда.

В случае изолированного затвора, на нем расположен тонкий слой диэлектрика. Этот вид устройства работает на принципе электрического поля . Чтобы разрушить его достаточно небольшого электричества. Поэтому для защиты от статического напряжения, которое может достигать тысяч вольт, создают специальные корпуса приборов — они позволяют минимизировать воздействие вирусного электричества.

Зачем нужен полевой транзистор

Рассматривая работу сложной электронной техники, как работу полевого транзистора (как одного из компонентов интегральной схемы) сложно представить, что основных направления его работы пять:

1. Усилители высоких частот.
2. Усилители низких частот.
3. Модуляция.
4. Усилители постоянного тока.
5. Ключевые устройства (выключатели).

На простом примере работу транзистора, как выключателя, можно представить как компоновку микрофона с лампочкой. Микрофон улавливает звук, от этого появляется электрический ток. Он поступает на запертый полевой транзистор. Своим присутствием ток включает устройство, включает электрическую цепь, к которой подключена лампочка. Лампочка загорается при улавливании звука микрофоном, но горит за счет источника питания, не связанного с микрофоном и более мощного.

Модуляция применяется для управления информационным сигналом. Сигнал управляет частотой колебания. Модуляция применяется для качественного звукового сигнала в радио, для передачи звукового ряда в телевизионных передачах, трансляции цвета и телевизионного сигнала высокого качества. Она применяется везде, где требуется работа с материалом высокого качества.

Как усилитель полевой транзистор упрощенно работает так: графически любой сигнал, в частности, звуковой ряд, можно представить в виде ломаной линии, где ее длина – это время, а высота изломов частота звука. Для усиления звука на радиодеталь подают мощное напряжение, которое приобретает необходимые частоты, но с более большими значениями, за счет подачи слабого сигнала на управляющий контакт. Другими словами, устройство пропорционально перерисовывает изначальную линию, но с более высокими пиковыми значениями.

Применение полевых транзисторов

Первым прибором, поступившим в продажу, где использовался полевой транзистор с управляющим p-n переходом, был слуховой аппарат . Его появление зафиксировано в пятидесятых годах прошлого века. В промышленных масштабах их применяли в телефонных станциях.

В современном мире, устройства применяют во всей электротехнике . Благодаря маленьким размерам и разнообразию характеристик полевого транзистора, встретить его можно в кухонной технике, аудио и телевизионной технике, компьютерах и электронных детских игрушках. Их применяются в системах сигнализации как охранных механизмов, так и пожарной сигнализации.

На заводах транзисторное оборудование применяется для регуляторов мощности станков . В транспорте от работы оборудования на поездах и локомотивов, до системы впрыска топлива частных автомобилей. В ЖКХ от систем диспетчеризации, до систем управления уличным освещением.

Одна из важнейших областей применения транзисторов – производство процессоров . По сути, весь процессор состоит из множества миниатюрных радиодеталей. Но при переходе на частоту работы выше 1,5 ГГц, они лавинообразно начинают потреблять энергию. Поэтому производители процессоров пошли по пути многоядерности, а не путем увеличения тактовых частот.

Плюсы и минусы полевых транзисторов

Полевые транзисторы своими характеристиками оставили далеко позади другие виды устройства. Широкое применение они нашли в интегральных схемах в роли выключателей.

• каскад деталей расходует мало энергии;
• усиление выше, чем у других видов;
• высокая помехоустойчивость достигается отсутствием прохождения тока в затворе;
• более высокая скорость включения и выключения – они могут работать на недоступных другим транзисторам частотах.

• более низкая температура разрушения, чем у других видов;
• на частоте 1,5 ггц, потребляемая энергия начинает резко возрастать;
• чувствительность к статическому электричеству.

Характеристики полупроводниковых материалов, взятых за основу полевых транзисторов, позволили применять устройства в быту и производстве . На основе плевых транзисторов создали бытовую технику в привычном для современного человека виде. Обработка высококачественных сигналов, производство процессоров и других высокоточных компонентов невозможна без достижений современной науки.

Если рассматривать механические аналоги, то работа транзисторов напоминает принцип действия гидравлического усилителя руля в автомобиле. Но, сходство справедливо только при первом приближении, поскольку в транзисторах нет клапанов. В этой статье мы отдельно рассмотрим работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора

Основой устройства биполярного транзистора является полупроводниковый материал. Первые полупроводниковые кристаллы для транзисторов изготавливали из германия, сегодня чаще используется кремний и арсенид галлия. Сначала производят чистый полупроводниковый материал с хорошо упорядоченной кристаллической решеткой. Затем придают необходимую форму кристаллу и вводят в его состав специальную примесь (легируют материал), которая придаёт ему определённые свойства электрической проводимости. Если проводимость обуславливается движением избыточных электронов, она определяется как донорная (электронная) n-типа. Если проводимость полупроводника обусловлена последовательным замещением электронами вакантных мест, так называемых дырок, то такая проводимость называется акцепторной (дырочной) и обозначается проводимостью p-типа.

Рисунок 1.

Кристалл транзистора состоит из трёх частей (слоёв) с последовательным чередованием типа проводимости (n-p-n или p-n-p). Переходы одного слоя в другой образуют потенциальные барьеры. Переход от базы к эмиттеру называется эмиттерным (ЭП), к коллектору – коллекторным (КП). На рисунке 1 структура транзистора показана симметричной, идеализированной. На практике при производстве размеры областей значительно ассиметричны, примерно как показано на рисунке 2. Площадь коллекторного перехода значительно превышает эмиттерный. Слой базы очень тонкий, порядка нескольких микрон.

Рисунок 2.

Принцип действия биполярного транзистора

Любой p-n переход транзистора работает аналогично . При приложении к его полюсам разности потенциалов происходит его "смещение". Если приложенная разность потенциалов условно положительна, при этом p-n переход открывается, говорят, что переход смещён в прямом направлении. При приложении условно отрицательной разности потенциалов происходит обратное смещение перехода, при котором он запирается. Особенностью работы транзистора является то, что при положительном смещении хотя бы одного перехода, общая область, называемая базой, насыщается электронами, или электронными вакансиями (в зависимости от типа проводимости материала базы), что обуславливает значительное снижение потенциального барьера второго перехода и как следствие, его проводимость при обратном смещении.

Режимы работы

Все схемы включения транзистора можно разделить на два вида: нормальную и инверсную .

Рисунок 3.

Нормальная схема включения транзистора предполагает изменение электрической проводимости коллекторного перехода путём управления смещением эмиттерного перехода.

Инверсная схема , в противоположность нормальной, позволяет управлять проводимостью эмиттерного перехода посредством управления смещением коллекторного. Инверсная схема является симметричным аналогом нормальной, но в виду конструктивной асимметрии биполярного транзистора малоэффективна для применения, имеет более жёсткие ограничения по максимально допустимым параметрам и практически не используется.

При любой схеме включения транзистор может работать в трёх режимах: Режим отсечки , активный режим и режим насыщения .

Для описания работы направление электрического тока в данной статье условно принято за направление электронов, т.е. от отрицательного полюса источника питания к положительному. Воспользуемся для этого схемой на рисунке 4.

Рисунок 4.

Режим отсечки

Для p-n перехода существует значение минимального напряжения прямого смещения, при котором электроны способны преодолеть потенциальный барьер этого перехода. То есть, при напряжении прямого смещения до этой пороговой величины через переход не может протекать ток. Для кремниевых транзисторов величина такого порога равна примерно 0,6 В. Таким образом, при нормальной схеме включения, когда прямое смещение эмиттерного перехода не превышает 0,6 В (для кремниевых транзисторов), ток через базу не протекает, она не насыщается электронами, и как следствие отсутствует эмиссия электронов базы в область коллектора, т.е. ток коллектора отсутствует (равен нулю).

Таким образом, для режима отсечки необходимым условием являются тождества:

U БЭ <0,6 В

I Б =0

Активный режим

В активном режиме эмиттерный переход смещается в прямом направлении до момента отпирания (начала протекания тока) напряжением больше 0,6 В (для кремниевых транзисторов), а коллекторный – в обратном. Если база обладает проводимостью p-типа, происходит перенос (инжекция) электронов из эмиттера в базу, которые моментально распределяются в тонком слое базы и почти все достигают границы коллектора. Насыщение базы электронами приводит к значительному уменьшению размеров коллекторного перехода, через который электроны под действием отрицательного потенциала со стороны эмиттера и базы вытесняются в область коллектора, стекая через вывод коллектора, обуславливая тем самым ток коллектора. Очень тонкий слой базы ограничивает её максимальный ток, проходящий через очень малое сечение поперечного разреза в направлении вывода базы. Но эта малая толщина базы обуславливает её быстрое насыщение электронами. Площадь переходов имеет значительные размеры, что создаёт условия для протекания значительного тока эмиттер-коллектор, в десятки и сотни раз превышающий ток базы. Таким образом, пропуская через базу незначительные токи, мы можем создавать условия для прохождения через коллектор токов гораздо большей величины. Чем больше ток базы, тем больше её насыщение, и тем больше ток коллектора. Такой режим позволяет плавно управлять (регулировать) проводимостью коллекторного перехода соответствующим изменением (регулированием) тока базы. Это свойство активного режима транзистора используется в схемах различных усилителей.

В активном режиме ток эмиттера транзистора складывается из тока базы и коллектора:

I Э = I К + I Б

Ток коллектора можно выразить соотношением:

I К = α I Э

где α – коэффициент передачи тока эмиттера

Из приведённых равенств можно получить следующее:

где β – коэффициент усиления тока базы.

Режим насыщения

Предел увеличения тока базы до момента, когда ток коллектора остаётся неизменным определяет точку максимального насыщения базы электронами. Дальнейшее увеличение тока базы не будет изменять степень её насыщения, и ни как не будет влиять на ток коллектора, может привести к перегреву материала в области контакта базы и выходу транзистора из строя. В справочных данных на транзисторы могут быть указаны величины тока насыщения и максимально допустимого тока базы, либо напряжения насыщения эмиттер-база и максимально допустимого напряжения эмиттер-база. Эти пределы определяют режим насыщения транзистора при нормальных условиях его работы.

Режим отсечки и режим насыщения эффективны при работе транзисторов в качестве электронных ключей для коммутации сигнальных и силовых цепей.

Отличие в принципе работы транзисторов с различными структурами

Выше был рассмотрен случай работы транзистора n-p-n структуры. Транзисторы p-n-p структуры работают аналогично, но есть принципиальные отличия, которые следует знать. Полупроводниковый материал с акцепторной проводимостью p-типа обладает сравнительно низкой пропускной способностью электронов, так как основан на принципе перехода электрона от одного вакантного места (дырки) к другому. Когда все вакансии замещены электронами, то их движение возможно только по мере появления вакансий со стороны направления движения. При значительной протяжённости участка такого материала он будет обладать значительным электрическим сопротивлением, что приводит к большим проблемам при его использовании в качестве наиболее массивных коллекторе и эмиттере биполярных транзисторов p-n-p типа, чем при использовании в очень тонком слое базы транзисторов n-p-n типа. Полупроводниковый материал с донорной проводимостью n-типа обладает электрическими свойствами проводящих металлов, что делает его более выгодным для использования в качестве эмиттера и коллектора, как в транзисторах n-p-n типа.

Эта отличительная особенность различных структур биполярных транзисторов приводит к большим затруднениям при производстве пар компонент с различными структурами и аналогичными друг другу электрическими характеристиками. Если обратить внимание на справочные данные характеристик пар транзисторов, можно заметить, что при достижении одинаковых характеристик двух транзисторов различных типов, например КТ315А и КТ361А, несмотря на их одинаковую мощность коллектора (150 мВт) и примерно одинаковый коэффициент усиления по току (20-90), у них отличаются максимально допустимые токи коллектора, напряжения эмиттер-база и пр.

P.S. Данное описание принципа действия транзистора было интерпретировано с позиции Русской Теории , поэтому здесь нет описания действия электрических полей на вымышленные положительные и отрицательные заряды. Русская Физика даёт возможность пользоваться более простыми, понятными механическими моделями, наиболее приближенными к действительности, чем абстракции в виде электрических и магнитных полей, положительных и электрических зарядов, которые вероломно подсовывает нам традиционная школа. По этой причине не рекомендую без предварительного анализа и осмысления пользоваться изложенной теорией при подготовке к сдаче контрольных, курсовых и иных видов работ, Ваши преподаватели могут просто не принять инакомыслие, даже конкурентоспособное и вполне состоятельное с точки зрения здравого смысла и логики. Кроме того, с моей стороны это первая попытка описания работы полупроводникового прибора с позиции Русской Физики, может уточняться и дополняться в дальнейшем.

В этой статье постараемся описать принцип работы самого распространенного типа транзистора — биполярного. Биполярный транзистор является одним из главных активных элементов радиоэлектронных устройств. Предназначение его – работа по усилению мощности электрического сигнал поступающего на его вход. Усиление мощности осуществляется посредством внешнего источника энергии. Транзистор — это радиоэлектронный компонент, обладающий тремя выводами

Конструкционная особенность биполярного транзистора

Для производства биполярного транзистора нужен полупроводник дырочного или электронного типа проводимости, который получают методом диффузии либо сплавления акцепторными примесями. В результате этого с обоих сторон базы образуются области с полярными видами проводимостей.

Биполярные транзисторы по проводимости бывают двух видов: n-p-n и p-n-p. Правила работы, которым подчинен биполярный транзистор, имеющий n-p-n проводимость (для p-n-p необходимо поменять полярность приложенного напряжения):

1. Положительный потенциал на коллекторе имеет большее значение по сравнению с эмиттером.
2. Любой транзистор имеет свои максимально допустимые параметры Iб, Iк и Uкэ, превышение которых в принципе недопустимо, так как это может привести к разрушению полупроводника.
3. Выводы база — эмиттер и база — коллектор функционируют наподобие диодов. Как правило, диод по направлению база — эмиттер открыт, а по направлению база — коллектор смещен в противоположном направлении, то есть поступающее напряжение мешает протеканию электрического тока через него.
4. Если пункты с 1 по 3 выполнены, то ток Iк прямо пропорционален току Iб и имеет вид: Iк = hэ21*Iб, где hэ21 является коэффициентом усиления по току. Данное правило характеризует главное качество транзистора, а именно то, что малый ток базы оказывает управление мощным током коллектора.

Для разных биполярных транзисторов одной серии показатель hэ21 может принципиально разниться от 50 до 250. Его величина так же зависит от протекающего тока коллектора, напряжения между эмиттером и коллектором, и от температуры окружающей среды.

Изучим правило №3. Из него вытекает, что напряжение, приложенное между эмиттером и базой не следует значительно увеличивать, поскольку, если напряжение базы будет больше эмиттера на 0,6…0,8 В (прямое напряжение диода), то появится крайне большой ток. Таким образом, в работающем транзисторе напряжения на эмиттере и базе взаимосвязаны по формуле: Uб =Uэ + 0,6В (Uб=Uэ+Uбэ)

Еще раз напомним, что все указанные моменты относятся к транзисторам, имеющим n-p-n проводимость. Для типа p-n-p все следует изменить на противоположное.

Еще следует обратить внимание на то, что ток коллектора не имеет связи с проводимостью диода, поскольку, как правило, к диоду коллектор — база поступает обратное напряжение. В добавок, ток протекающий через коллектор весьма мало зависит от потенциала на коллекторе (данный диод аналогичен малому источнику тока)

При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу. Таки образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера. Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.

В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе восполняется от плюса источника ЕЭ. В результате этого в электрической цепи базы будет течь довольно слабый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под разгоняющим воздействием поля запертого коллекторного перехода, как неосновные носители, будут перемещаться в коллектор, создавая коллекторный ток. Перенос носителей зарядов из зоны, где они были неосновными, в зону, где они становятся основными, именуется экстракцией электрических зарядов.

Когда-то транзистором называли радиоприемник, но речь в нашей статье пойдет не о радиоприемнике. Так что же это такое транзистор и как он работает.

Есть такой класс материалов, за свои свойства названный полупроводниками. Отличительной их особенностью является проводимость - они могут быть как проводниками электрического тока, так и диэлектриками, т.е. изоляторами и не проводить электрический ток.

Вот такой материал используется для изготовления транзистора - широко применяющегося в промышленности и служащего основой почти всей современной электроники.

Не касаясь технологии изготовления, типов транзисторов, их применения, просто отметим, что существуют транзисторы разных типов, например, npn транзистор. Такое название он получил из-за используемого материала и типа проводимости. Того, что сказано, пока достаточно и углубляться в технологию изготовления и разнообразие транзисторов сейчас не будем.

Как работает транзистор? Он предназначен для управления электрическим током, конструктивно изготавливается в металлическом или пластмассовом корпусе и имеет три вывода, называемые эмиттер, база, коллектор. Уже название выводов говорит об их назначении: эмиттер эмитирует электроны, база ими управляет, коллектор их собирает. Все эти процессы происходят внутри транзистора.

Чтобы понять, как работает транзистор, рассмотрим гораздо более простой пример - водопроводный кран.

У него тоже три вывода - по одному вода поступает в кран, по другому выливается из крана, третьим является вентиль, который управляет работой крана. Когда вентиль открыт, вода свободно протекает через кран, когда вентиль закрыт, вода не течет. Это имитация одного из вариантов того, как работает транзистор. Такой режим работы называется ключевой - транзистор открыт - протекает или закрыт, тогда ток не идет. Для открытия транзистора на базу подается напряжение, если напряжение есть, то транзистор открыт, если нет, то он закрыт. Все происходит, как в открыт - вода течет, вентиль закрыт - воды нет.

Выше была рассмотрена работа транзистора, когда он используется как ключ: либо закрыт, либо открыт. Однако существуют и другие режимы работы. Вновь в качестве примера рассмотрим водопроводный кран. Если немного приоткрыть вентиль, то вода из крана будет литься постоянно, и напор воды будет определяться тем, насколько сильно мы открыли кран.

Примерно такой же режим работы есть и у транзистора. На его базу поступает напряжение, он открывается, и через него идет ток. Меняя величину напряжения на базе, можно регулировать величину тока, проходящего через транзистор. Полная аналогия с положением вентиля на кране: больше открыт - больше льется воды (т.е. тока для транзистора); меньше открыт - меньше течет воды (тока для транзистора). Такой режим работы транзистора называется усилительным, когда при помощи небольшого напряжения, подаваемого на базу, можно управлять значительным током, снимаемым с коллектора.

В заключение надо отметить, что транзисторы могут быть разного типа, все определяется используемым при изготовлении материалом. Они могут отличаться по мощности, могут управлять и пропускать через себя значительные потоки электрического тока. Транзисторы могут быть разного конструктивного исполнения. Существуют и другие режимы работы транзисторов, отличающиеся от рассмотренных. Но основное представление о том, как работает транзистор, дано выше.

Все изложенное приблизительно, но все же позволяет понять работу транзистора. На самом деле работа транзистора происходит гораздо сложнее. Есть специальные параметры, используя которые можно по формулам рассчитать и задать необходимый режим работы, но это уже совсем иная тема для разговора и для другой статьи.