Биполярный транзистор -устройство, принцип работы, технические характеристики, схемы включения, область применения. Сравнение с лампой.

Раздел Техническая информация → Транзисторы

 

Сырьем для транзисторов может служить обычный песок. Не вериться? Песок представляет собой окись кремния SiO₂.
Кремний является основой для производства подавляющего большинства полупроводниковых элементов электроники. Разумеется, нужны и другие материалы: пластмасса, керамика, алюминий, серебро и даже золото. Разрезать аккуратно и точно кремниевую пластинку лучше всего алмазной пилой.
Но вернемся к окиси кремния. Кремний из окиси можно восстановить химической переработкой. Чистый кремний относится к классу полупроводников. Кратко вспомним, что такое полупроводник и чем он отличается от проводника или диэлектрика.
Электрический проводник-это вещество, оказывающее малое сопротивление протекающему через него току. Электрический ток, в свою очередь, есть направленное движение электрических зарядов. Значит, в проводнике должны быть свободные заряды, которые могут легко передвигаться в любом направлении. Все металлы -хорошие проводники. В металлах внешние электроны атомов становятся свободными, когда атомы объединяются в кристаллическую решетку.

 

Свободные электроны образуют так называемый электронный газ, заполняющий весь объем металла. Если в проводнике течет ток, электроны перемещаются преимущественно в одном направлении. Если же тока нет, электроны все равно движутся, но это движение хаотическое, тепловое. Оно создает шум-небольшое, случайным образом изменяющееся напряжение на выводах проводника или полупроводникового элемента.

Из самого названия «полупроводник» ясно, что он еще «не дорос» до настоящего проводника и, следовательно, проводит ток гораздо хуже. Свободных электронов в полупроводнике мало, поскольку почта все электроны как бы привязаны к своим атомам. Правда, при сильном нагреве тепловое движение становится интенсивнее и некоторые из электронов отрываются от своих атомов, становясь свободными. Проводимость вещества при этом увеличивается. Вот почему полупроводниковые приборы очень боятся перегрева-проводимость может возрасти настолько, что ток в полупроводнике резко увеличится и наступит так называемый тепловой пробой. Чтобы не углубляться, посмотрим лишь несколько цифр.
Удельное сопротивление вещества-величина, обратная проводимости,-измеряется в омах на метр (Ом-м). Это сопротивление бруска вещества сечением 1 м² и длиной 1 м. Вот это брусочек! Но что поделаешь, в международной системе единиц СИ единицей длины служит метр. Ну так вот: сопротивление медного бруска составляет всего 0,017·10^-6 Ом. А сопротивление бруска тех же размеров, изготовленного из такого типичного диэлектрика, как стекло, равно 5·10¹³Ом, т.е. на двадцать один порядок (10²¹) больше! Удельное сопротивление полупроводников находится где-то между этими крайними значениями. Дать конкретные величины трудно, они зависят от вида вещества, его чистоты и других факторов.
Чем чище полупроводник, тем ближе его свойства к свойствам диэлектрика. Но если в полупроводник введена примесь, то проводимость резко возрастает.

Различают два вида примесей: акцепторные и донорные.
Валентность вещества акцепторной примеси меньше, чем валентность самого полупроводника. Это значит, что во внешнем электронном слое атомов примеси меньше электронов, чем у атомов полупроводника. В этом случае примесь по отношению к электронам атомов полупроводника ведет себя как агрессор: она захватывает их. В результате в кристаллической решетке вещества появляются атомы, которым не хватает одного электрона.

Заряд этих атомов положителен. Они притягивают отрицательно заряженные электроны, и при первой же возможности атом, у которого не хватает электрона, захватывает его у соседнего атома. Положительный заряд при этом перемещается к соседнему атому. Тот, в свою очередь, захватывает электрон у соседа. Таким образом, положительный заряд перемещается еще дальше. Теперь оказалось, что в толще полупроводника с акцепторной примесью «гуляет сам по себе» положительный заряд, обусловленный нехваткой одного электрона. Заряд этот очень образно называют «дыркой».

Иное дело, если в полупроводник введена донорная примесь.
Валентность вещества примеси на единицу больше валентности самого полупроводника. Это значит, что во внешней электронной оболочке атомов вещества примеси на один электрон больше, чем у атомов полупроводника. Объединяясь в кристаллы, атомы примеси используют для валентных связей все внешние электроны, кроме одного. В образовавшемся кристалле «лишние» электроны атомов примеси оказываются без работы. «Безработные» электроны свободно перемещаются по всему кристаллу, но все рабочие места-валентные связи-заняты. Эти электроны легко устремляются по направлению даже слабого электрического поля, создавая электрический ток.

Таким образом, вводя различные примеси, мы можем получить полупроводник с дырочной проводимостью (р-типа) и с электронной проводимостью (n-типа). Сами названия р и n произошли от начальных букв английских слов positive и negative, обозначающих знак свободных зарядов (положительный — «дырочный» или отрицательный — «электронный»). Чем выше концентрация примеси в полупроводнике, тем выше и его проводимость. Как только физики и инженеры научились получать полупроводники с различными типами проводимости, тут же появились и приборы, выполненные на их основе.

Биполярный транзистор

Значение «Би» означает, что имеется два основными носителями которыми являются электроны и дырки. По способу чередования областей различают npn и pnp транзисторы.
Обозначение биполярного транзистора на схеме.

Принцип работы биполярного транзистора можно объяснить, опираясь на те же явления, которые наблюдаются в рп-выпрямителе. У npn-транзистора одна n-область находится в контакте с р-областью, а та в свою очередь контактирует со второй n-областью (рис.).

Главным здесь, как мы сейчас видим, является то, что средняя р-область очень узка и относительно слабо легирована, рпр-транзистор получается заменой в npn-транзисторе р и n областей. На практике применяются транзисторы обоих видов; функции их схожи, но в pnp-транзисторе носителями заряда в основном являются дырки, а в npn-транзисторе — электроны. Так как в кремнии электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то в большинстве случаев кремниевые pnp-транзисторы превосходят pnp-транзисторы. Чтобы рассмотреть принцип действия прп-транзистора, обратимся еще раз к рис.

В таком транзисторе есть два p-n-перехода, т.е. n-p-переход слева и p-n-переход справа. Приложим положительное высокое напряжение Uк к правой n-области и отрицательное напряжение UЕ к левой n-области. Пусть на p-область действует напряжение Vв, которое больше Ue, но меньше Uk. В результате на левом n-p -переходе мы имеем прямое смещение (пропускное направление), а на правом p-n-переходе -обратное смещение (запирающее направление). Электроны из инжектирующей левой n-области, называемой эмиттером, диффундируют в р-область, где в нормальном случае они бы рекомбиннровали, если бы p-область, т. е. так называемая база, не была настолько узкой, что электроны успевают проскочить через нее не рекомбинируя. Таким образом удается добиться того, чтобы электроны попали в правую n-область и там поступали на электрод. Поэтому правую n-область называют коллектором. Он собирает инжектированные из левой n-области — эмиттера — электроны.
Различные роли обеих n-областей, которые без приложенного к ним напряжения совершенно равноправны, конечно же, являются следствием того, что к правой n-области приложено положительное напряжение, а к левой — отрицательное. Соединим теперь базу через источник напряжения и проводник с эмиттером, как это показано на рис. Мы получим две цепи тока -базовую и коллекторную. В базовой цепи в ток вносят вклад лишь те электроны, которые, как мы видели в случае с прямосмещенным переходом (в пропускном направлении), рекомбинируют в p-области. Но из-за узости p-области их очень мало. Следовательно, выходящий из базы поток электронов очень невелик. Большая часть тока, поступающего с эмиттера, течет через коллектор (рис.).

Однако мы знаем, что в ток через р-n-переход вносят вклад не только электроны, но и дырки. В нашем конкретном случае это означает, что из базы в эмиттер поступает поток дырок.
Он существенно превысил бы сравнительно слабый поток электронов и стал бы причиной появления в целом относительно сильного тока в базовой цепи, если бы его не удалось уменьшить каким-либо способом. В биполярном транзисторе с этой целью слабо легируют базу. В результате концентрация дырок в базе является низкой и из базы может поступить лишь небольшой поток дырок. Вывод, сделанный выше в отношении потока электронов, остается справедливым и для суммарного потока электронов и дырок: большая часть тока течет по коллекторной и меньшая-по базовой цепи.
Какую же пользу можно извлечь из всего этого? Если изменить напряжение между эмиттером и базой при постоянном напряжении между базой и коллектором, то изменится ток, идущий от эмиттера. Это изменение в большей мере затронет коллекторную цепь и в меньшей -базовую. Таким образом, путем небольшого изменения тока в базовой цепи можно получить значительное изменение тока в коллекторной цепи. В данном случае транзистор работает как усилитель тока. Но так как сопротивление базовой цепи значительно меньше (прямосмещенный р-n-переход) сопротивления коллекторной цепи (обратносмещенный p-n -переход), то и потребляемая в базовой цепи электрическая мощность значительно меньше, чем в коллекторной. В итоге с помощью небольшой электрической мощности в базовой цепи можно управлять величиной мощности в коллекторной цепи.

Сравнение с электронной лампой

Ту же функцию в вакуумной электронике выполняют трех электродные электронные лампы. Эмиттер транзистора соответствует катоду электронной лампы, коллектор-аноду и база-сетке.

Схема включения транзистора, показанная на рис., где эмиттер соединен с базой и коллектором, а база и коллектор-соответственно только с эмиттером, называется схемой с общим эмиттером.

Она является одной из трех возможных схем включения транзистора. Если транзистор включен по схеме с общим коллектором, то коллектор является общей областью для обеих цепей тока, а при включении по схеме с общей базой такой областью становится база.

Схема с питанием входных и выходных цепей транзистора от одного источника постоянного напряжения.

В микроэлектронике применяются также транзисторы, обладающие двумя и более изолированными друг от друга эмиттерными областями. В результате появляются разнообразные варианты схем включения. Существует также возможность получения транзисторов с несколькими коллекторами.
Рис. npn-транзистор с базой, общей для двух цепей. Здесь показаны потоки электронов и дырок, т.е. потоки основных носителей заряда.
С помощью транзисторов можно осуществлять увеличение или преобразование электрической мощности. В микроэлектронике транзисторы являются прежде всего усилительными приборами с различными принципами усиления сигналов электрической природы и используются в ключевых схемах. Важной характеристикой такого транзисторного ключа является время, необходимое для одного переключения из положения «включено» в положение «выключено» или наоборот, короче говоря, время задержки. Чтобы получить представление о величине времени задержки биполярного транзистора, рассмотрим следующий пример. Пусть к эмиттеру, базе и коллектору npn -транзистора приложены определенные электрические напряжения Ue, Ub и Uk. В коллекторной цепи появится ток определенной силы. Если напряжение, приложенное к базе, возрастает до Ub + ΔUb, то сопротивление как левого n-p- перехода, так и правого p-n -перехода уменьшается и в результате ток в коллекторной цепи увеличивается. Но при этом мы полагаем, что во время пролета электронов через базу напряжение на ней остается неизменным и равным UB + ΔUb. Ситуация изменяется, если за это время приложенное к базе напряжение меняется. Когда оно, например, снова уменьшается до UB, а электроны еще не успели проскочить через базу, то вызванное ΔUb возрастание тока в коллекторной цепи не так велико, как при неизменном напряжении Ub + ΔUb. Отсюда можно сделать вывод о том, что эффективность переключения транзистора падает, если команды на переключение в форме более высоких или низких напряжений поступают на базу с интервалами, которые меньше времени, затрачиваемого электронами на пролет через базу. Время задержки Т транзистора представляет собой, таким образом, время, необходимое для пролета электронов через базу. Поэтому становится ясно: чем тоньше база, тем меньше время задержки. Делается понятным и стремление сделать как можно тоньше прежде всего базу. Тем самым мы также доказали высказанное в гл. 2 утверждение, что с уменьшением размеров полупроводниковых электронных элементов их быстродействие возрастает. Ориентировочно время пролета Т сквозь базу инжектированных эмиттером носителей заряда легко определить, зная коэффициент диффузии электронов D и ширину базы Ь. В общем случае справедливо выражение Т ≈ b2/D. Если для кремния ширину базы принять равной 0,7 мкм и коэффициент диффузии электронов 50 см2/с, то время задержки для pnp-транзистора составит Т ≈ 10^-10 с. Коэффициент диффузии менее подвижных по сравнению с электронами дырок в кремнии почти в 3 раза меньше. Поэтому и время задержки pnp-транзистора в 3 раза больше, чем у npn-транзистора. Еще более высокой подвижностью по сравнению с электронами кремния обладают электроны арсенида галлия (GaAs). Поэтому из арсенида галлия n-типа можно изготавливать сверхбыстродействующие рпр-транзисторы.
Итак, теперь мы в состоянии рассчитать требуемую энергию для выполнения одной операции переключения в npn-транзисторе. Необходимое на одно переключение время Т следует умножить на израсходованную при этом электрическую мощность Р. В биполярном транзисторе преобразование электрической мощности осуществляется в базовой цепи. Вообще мощность равна произведению напряжения на силу тока. В нашем конкретном примере сила тока зависит от величины транзистора. Чем меньше транзистор, тем слабее возникающие в нем токи. В интегральных микросхемах транзисторы размещаются на площади 1000 мкм2 и менее. Сила тока в базовой цепи составляет всего несколько микроампер, а напряжение — около 1 В. Следовательно, мощность, необходимая для переключения, равна произведению одного вольта на несколько микроампер, т. е. нескольким микроваттам. При Р=10^-5 Вт и Т = 10″10 с получаем энергию переключения, равную 10^-5 х 10^-10 Вт.с=10^-15 Дж. Это очень малая энергия, которая, однако, не имеет ничего общего с действительным энергопотреблением транзистора. Энергозатраты в коллекторной цепи гораздо выше.

Транзисторы

Транзистор — это полупроводниковый прибор, составленный из двух pn-переходов, как показано на рис. 21.1. У транзистора три вывода: эмиттер, база и коллектор. Существуют два типа транзисторов: pnp-транзисторы (рис. 21.1(а)) и npn-транзисторы (рис. 21.1(б)). По принципу работы они ничем не отличаются друг от друга, за исключением полярности подава­емого постоянного напряжения смещения.

Рассмотрим транзистор npn-типа (рис. 21.2). Переход база – эмиттер (или просто эмиттерный переход) этого транзистора смещен в прямом направлении напряжением V_BE, поэтому электроны из области эмитте­ра будут перетекать через этот переход в область базы, создавая ток I_е. Это обычный прямой ток рта-перехода, смещенного в прямом направлении. Как только электроны попадают в область базы, они начинают испыты­вать притяжение положительного потенциала коллектора. Если область базы сделать очень тонкой, то почти все эти электроны проскочат через нее к коллектору. Только очень малая часть электронов собирается ба­зой, формируя базовый ток I_b. Фактически более 95% всех электронов эмиттерного тока I_е собираются коллектором и формируют коллектор­ный ток I_c транзистора. Таким образом,

I_е = I_c + I_b.

Так как базовый ток I_b очень мал (чаще всего он измеряется микроампе­рами), то им обычно пренебрегают. Тем самым предполагается, что токи I_c и I_е равны, и каждый из них принято называть током транзистора.

 

   

Рис. 21.1. Транзисторы и их условны: обозначения: (а) pnp-тип, (б) npn-тип.

             Рис. 21.2. Подача напряжений                               Рис. 21.3. Подача напряжений

               смещения npn-транзистора.                                      сме­щения pnp-транзистора.      

 

Обратите внимание, что переход база — коллектор (или просто кол­лекторный переход) смещен в обратном направлении напряжением V_CD. Это необходимое условие работы транзистора, поскольку в противном случае электроны не притягивались бы к коллектору. При этом в со­ответствии с правилом выбора направления тока (от положительного по­тенциала к отрицательному) считается, что ток транзистора течет от кол­лектора к эмиттеру.

Для рпр-транзистора полярности подачи постоянных напряжений смещения должны быть изменены на обратные, как показано на рис. 21.3. В этом случае ток транзистора представляет собой перемещение дырок от эмиттера к коллектору или электронов от коллектора к эмиттеру. 

Схемы включения транзистора

Имеются три основные схемы включения транзистора в электронные цепи.

1. Схема с общим эмиттером (ОЭ). Общим выводом здесь является эмиттер: входной сигнал подается между базой и эмиттером, а вы­ходной сигнал снимается между коллектором и эмиттером (рис. 21.4). Эта схема получила наиболее широкое распространение из-за своей гибкости и высокого коэффициента усиления.

2. Схема с общей базой (ОБ). Базовый вывод транзистора является об­щим выводом для входного и выходного сигналов (рис. 21.5).

3. Схема с общим коллектором (ОК). В этой схеме общим выводом для входного и выходного сигналов является коллектор. Ее называют так­же эмиттерным повторителем (рис. 21.6).

Интересно, что на внутреннем уровне транзистор работает во всех схе­мах включения совершенно одинаково, тогда как внешнее поведение его в каждом случае различно.

         

           

 

Рис. 21.4. Схема с общим эмитте­ром (ОЭ).                      Рис. 21.5. Схема с общей базой (ОБ).

                          

Рис. 21.6. Схема с общим коллек­тором (ОК).

Обратите внимание, что выходной сигнал

снимается с эмит­тера.

Каждая схема включения характеризует­ся своим собственным набором основных параметров, в который входят коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления и АЧХ.

 

Характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером

Поведение транзистора в статических условиях, то есть в отсутствие вход­ного сигнала, определяют характеристики трех типов.

1. Входные характеристики, или зависимости входного тока от входного напряжения.

2. Выходные характеристики, или зависимости выходного тока от выход­ного напряжения.

3. Передаточные характеристики, или зависимости выходного тока от входного тока.

Описываемые ниже характеристики относятся к npn-транзистору (рис. 21.7). Для pnp-транзистора нужно изменить полярность напряже­ния постоянного тока на отрицательную.

Входные характеристики

На рис. 21.8 представлены входные характеристики для npn -транзистора. Они ничем не отличаются от характеристик pn -перехода диода, смещен­ного в прямом направлении, поскольку вход (переход база — эмиттер)

Рис. 21.8. Входные характеристики транзистора.

как раз и является таким переходом. Заметим, что, как и в диоде, вход­ной ток I_b начинает протекать через эмиттерный переход только тогда, когда на этом переходе устанавливается требуемое значение прямого на­пряжения. Если это напряжение (0,3 В для Ge и 0,6 В для Si) уста­новлено, то в дальнейшем напряжение V_be между базой и эмиттером практически не изменяется даже при сильном увеличении тока базы. Таким образом, транзистор можно рассматривать как токовый элемент, допускающий изменение входного тока при постоянном входном напря­жении.

Выходные характеристики

На рис. 21.9 приведено семейство кривых, называемых выходными харак­теристиками транзистора, которые устанавливают связь тока коллектора (выходного тока) I_c с напряжением на коллекторе (выходным напряже­нием) V_CE. Для определенных значений тока базы (входного тока) I_b. Эти кривые устанавливают также взаимосвязь между входным током, с одной стороны, и выходным током и выходным напряжением — с другой. На­пример, для транзистора с выходными характеристиками, приведенными на рис. 21.9, при    I_b = 40 мкА и V_CE= 6 В ток коллектора I_c = 4 мА. Это значение легко определяется из выходной характеристики, соответству­ющей выбранному току базы.

Характеристика для I_b = 0 соответствует транзистору в непроводя­щем состоянии, т. е. в состоянии отсечки, когда величина напряжения V_CEменьше требуемой величины прямого падения напряжения на эмиттерном переходе. Теоретически ток транзистора равен нулю при I_b = 0; однако реально очень слабый ток утечки всегда протекает через коллекторный переход.

 

Рис. 21.9. Семейство выходных характеристик транзистора.

Статический коэффициент усиления тока β

Очень важным параметром любого транзистора является его коэффициент усиления по постоянному току, называемый статическим коэффициентом усиления тока. Это коэффициент усиления тока для транзистора, находящегося в статическом режиме, то есть в отсутствие входного сигнала. Статический коэффициент усиления тока является без­размерной величиной (отношение величин двух токов) и определяется по формуле

                                                             Выходной ток                 I_c 

                                                 β =       —————————-     =   ——

                                                             Входной ток                    I_b

Величину β можно рассчитать с помощью выходных характеристик транзистора. Например, если транзистор работает в режиме, определяемом точкой Q (рабочая точка), при                    I_b, = 40 мкА и I_c = 4 мА, то

 

Передаточные характеристики

Эти характеристики устанавливают взаимосвязь между входным и вы­ходным токами транзистора (рис. 21.10). С помощью такой характери­стики можно рассчитать статический коэффициент усиления тока. На­пример, если точка Q — рабочая точка транзистора, то

Рис. 21.10. Передаточная характеристика транзистора.

В этом видео рассказывается о принципах работы транзистора:

Добавить комментарий

Транзисторы

Рассмотрим приборы, которые включают в себя два р-п перехода — транзисторы. Между двумя полупроводниками п-типа создается тонкая прослойка из полупроводника р-типа (на рисунке толщина полупроводников обозначена чисто условно, а не пропорционально их реальным размерам).

Или же, можно сделать наоборот: между двумя полупроводниками р-типа помещают тонкую прослойку полупроводника п-типа.

Соответственно, транзисторы делятся на два типа: рпр транзисторы и прп транзисторы. Прослойку, находящуюся между полупроводниками одного типа называют базой (иногда основанием). Транзистор может быть включен в цепь, представленную на рисунке.

Обратите внимание на то, как подключена первая батарея: ток обусловлен движением основных носителей, то есть пэ эн переход в левой части схемы является прямым. В этом случае, полупроводник в левой части нашей схемы называется эмиттером. Обратимся теперь к правой части нашей схемы. Вторая батарея включена таким образом, что ток обусловлен движением неосновных носителей, то есть этот р-п переход является обратным. В этом случае, полупроводник в правой части схемы называется коллектором. На нашей схеме для наглядности мы подробно показали транзистор, но на стандартных схемах он обозначается более компактно.

На условном обозначении транзистора вы можете найти букву Э, обозначающую эмиттер, букву К, обозначающую коллектор и букву Б, обозначающую база.

Давайте рассмотрим протекание тока в каждом из полупроводников, входящих в транзистор. Обратим внимание сначала на р-п переход между эмиттером и базой. Эмиттер является полупроводником р-типа в данном случае, поэтому основными носителями заряда в нем являются дырки. Эти дырки проникают в базу, где основными носителями заряда являются электроны. Но, поскольку толщина базы очень мала, число электронов там очень невелико, несмотря на то, что они являются основными носителями. Попавшие в базу дырки практически не объединяются с электронами, в результате чего проникают в коллектор посредством диффузии.

Теперь обратим внимание на р-п переход между базой и коллектором. Этот переход обратный, и образовывает заслон для основных носителей базы, то есть, электронов. Однако, дырки проникают в коллектор под воздействием электрического поля, в результате чего цепь замыкается. Сила тока в эмиттере равна сумме токов в базе и коллекторе: 𝐼_э=𝐼_б+𝐼_к. Но ток в базе ничтожно мал, поэтому мы можем считать, что сила тока в коллекторе почти такая же, как и в эмиттере: 𝐼_э ≈ 𝐼_к.

Мы еще ни слова не сказали о сопротивлении, которое создается включенным в нашу цепь резистором. Надо сказать, это сопротивление практически не влияет на ток в коллекторе. Дело в том, что ток в коллекторе практически полностью обусловлен строением самого транзистора, а именно — свойствами полупроводников, из которых он изготовлен, и напряжением, которое подается на эмиттер. В данном случае, конечно, речь идет о применении источника переменного тока. Итак, сопротивление может быть довольно большим, но при этом оно не будет влиять на ток в коллекторе. Изменение же напряжения на эмиттере будет вызывать синхронное изменение напряжения на резисторе. Таким образом, если мы используем резистор с очень большим сопротивлением, мы сможем получать мощные сигналы на нем, создавая лишь небольшие изменения напряжения на эмиттере. Это свойство, так или иначе, используется во многих микросхемах, микропроцессорах и так далее. Транзисторы используются повсеместно: в приемниках, компьютерах и даже в приборах, предназначенных для космических исследований. Транзисторы с успехом заменили электронные лампы, которые были громоздкими и значительно менее безопасными. Первый компьютер, как раз, работал на электронных лампах, и занимал помещение, сравнимое с размерами спортзала. Сегодня в компьютерах используются маленькие микросхемы с транзисторами, каждый из вас знает, насколько меньшее пространство занимает современный компьютер, чем спортзал.

Возможно, вас впечатлит тот факт, что на сегодняшний день, на каждого жителя Земли приходится приблизительно 10 миллиардов транзисторов.

Транзисторы | Автомобильное

Общепринятое условное обозначение и внешний вид некоторых образцов транзисторов показаны на рисунке. Из рисунка видно, что этот элемент имеет три вывода: эмиттер (Е), базу (В) и коллектор (С) и что существуют транзисторы двух типов структуры: прп и рпр. Стрелка в обозначении транзисторов указывает направление протекания тока. В схеме подключения транзистора из трех выводов два обычно используются в качестве входных, а третий и один из двух первых являются выходными.

Рис. Транзисторы и их условные обозначения

На рисунке показан прп-транзистор, включенный по схеме с заземленным (общим) эмиттером. Зависимость между током базы Iв и током коллектора Iс для данной схемы выражается следующей формулой:

Ic = hFE*Iв

,где hFE — коэффициент усиления тока транзистора.

Если напряжение, приложенное между базой и эмиттером, обозначить как VBe, то ток базы Iв = (Vi—VBe)/R. Напряжение Vce, приложенное между коллектором и эмиттером, определяется из соотношения Vce = Vc—IcRc. Кроме того, ток эмиттера Ie = Iв+Iс.

Транзисторные схемы по своему назначению разделяются на переключающие и усилительные. В переключающих схемах, управляя током базы, можно, подобно ключу, отпирать и запирать коллекторный выход. В открытом состоянии транзистора ток коллектора большой и транзистор работает в режиме насыщения; в закрытом состоянии ток коллектора практически отсутствует — при этом говорят, что транзистор работает в режиме отсечки. В усилительных же схемах используется активная область характеристики транзистора. При этом с коллекторного выхода снимается усиленный входной сигнал.

Рис. Схема с заземленным (общим) эмиттером

Рис. Семейство выходных статических характеристик транзистора

Пример схемы усилителя на транзисторе показан на рисунке. Когда между базой и эмиттером транзистора прикладывается входное напряжение, начинают протекать небольшой ток базы и ток коллектора. Но, если приложенное напряжение не превышает некоторой величины Е0, коллекторный ток отсутствует. В схемах усиления ток базы определенной величины, называемый током смещения, вызывает протекание начального коллекторного тока. Режим подбирается так, чтобы форма усиленного коллекторного тока была идентична форме тока входного сигнала. В схеме, показанной на рисунке, напряжение смещения задается резистором R1.

Рис. Схема транзисторного усилителя

Рис. Принцип усиления сигнала транзистором: Iс — ток коллектора; Vвe — напряжение эмиттер—база.

В электронных схемах современных автомобилей транзисторные усилители практически не используются (за исключением аппаратуры связи), но широко применяются переключающие схемы на транзисторах.

Составной транзистор. Транзисторная сборка Дарлингтона.

Особенности и области применения составных транзисторов

Если открыть любую книгу по электронной технике, сразу видно как много элементов названы по именам их создателей: диод Шоттки, диод Зенера (он же стабилитрон), диод Ганна, транзистор Дарлингтона.

Инженер-электрик Сидни Дарлингтон (Sidney Darlington) экспериментировал с коллекторными двигателями постоянного тока и схемами управления для них. В схемах использовались усилители тока.

Инженер Дарлингтон изобрёл и запатентовал транзистор, состоящий из двух биполярных и выполненный на одном кристалле кремния с диффундированными n (негатив) и p (позитив) переходами. Новый полупроводниковый прибор был назван его именем.

В отечественной технической литературе транзистор Дарлингтона называют составным. Итак, давайте познакомимся с ним поближе!

Устройство составного транзистора.

Как уже говорилось, это два или более транзисторов, изготовленных на одном полупроводниковом кристалле и запакованные в один общий корпус. Там же находится нагрузочный резистор в цепи эмиттера первого транзистора.

У транзистора Дарлингтона те же выводы, что и у всем знакомого биполярного: база (Base), эмиттер (Emitter) и коллектор (Collector).

Схема Дарлингтона

Как видим, такой транзистор представляет собой комбинацию нескольких. В зависимости от мощности в его составе может быть и более двух биполярных транзисторов. Стоит отметить, что в высоковольтной электронике также применяется транзистор, состоящий из биполярного и полевого. Это IGBT транзистор. Его также можно причислить к составным, гибридным полупроводниковым приборам.

Основные особенности транзистора Дарлингтона.

Основное достоинство составного транзистора это большой коэффициент усиления по току.

Следует вспомнить один из основных параметров биполярного транзистора. Это коэффициент усиления (h₂₁). Он ещё обозначается буквой β («бета») греческого алфавита. Он всегда больше или равен 1. Если коэффициент усиления первого транзистора равен 120, а второго 60 то коэффициент усиления составного уже равен произведению этих величин, то есть 7200, а это очень даже неплохо. В результате достаточно очень небольшого тока базы, чтобы транзистор открылся.

Инженер Шиклаи (Sziklai) несколько видоизменил соединение Дарлингтона и получил транзистор, который назвали комплементарный транзистор Дарлингтона. Вспомним, что комплементарной парой называют два элемента с абсолютно одинаковыми электрическими параметрами, но разной проводимости. Такой парой в своё время были КТ315 и КТ361. В отличие от транзистора Дарлингтона, составной транзистор по схеме Шиклаи собран из биполярных разной проводимости: p-n-p и n-p-n. Вот пример составного транзистора по схеме Шиклаи, который работает как транзистор с n-p-n проводимостью, хотя и состоит из двух различной структуры.

схема Шиклаи

К недостаткам составных транзисторов следует отнести невысокое быстродействие, поэтому они нашли широкое применение только в низкочастотных схемах. Такие транзисторы прекрасно зарекомендовали себя в выходных каскадах мощных усилителей низкой частоты, в схемах управления электродвигателями, в коммутаторах электронных схем зажигания автомобилей.

Хорошо зарекомендовал себя для работы в электронных схемах зажигания мощный n-p-n транзистор Дарлингтона BU931.

Основные электрические параметры:

• Напряжение коллектор – эмиттер 500 V;

• Напряжение эмиттер – база 5 V;

• Ток коллектора – 15 А;

• Ток коллектора максимальный – 30 А;

• Мощность рассеивания при 25⁰С – 135 W;

• Температура кристалла (перехода) – 175⁰С.

На принципиальных схемах нет какого-либо специального значка-символа для обозначения составных транзисторов. В подавляющем большинстве случаев он обозначается на схеме как обычный транзистор. Хотя бывают и исключения. Вот одно из его возможных обозначений на принципиальной схеме.

Напомню, что сборка Дарлингтона может иметь как p-n-p структуру, так n-p-n. В связи с этим, производители электронных компонентов выпускают комплементарные пары. К таким можно отнести серии TIP120-127 и MJ11028-33. Так, например, транзисторы TIP120, TIP121, TIP122 имеют структуру n-p-n, а TIP125, TIP126, TIP127 — p-n-p.

Также на принципиальных схемах можно встретить и вот такое обозначение.

Примеры применения составного транзистора.

Рассмотрим схему управления коллекторным двигателем с помощью транзистора Дарлингтона.

При подаче на базу первого транзистора тока порядка 1мА через его коллектор потечёт ток уже в 1000 раз больше, то есть 1000мА. Получается, что несложная схема обладает приличным коэффициентом усиления. Вместо двигателя можно подключить электрическую лампочку или реле, с помощью которого можно коммутировать мощные нагрузки.

Если вместо сборки Дарлингтона использовать сборку Шиклаи то нагрузка подключается в цепь эмиттера второго транзистора и соединяется не с плюсом, а с минусом питания.

Если совместить транзистор Дарлингтона и сборку Шиклаи, то получится двухтактный усилитель тока. Двухтактным он называется потому, что в конкретный момент времени открытым может быть только один из двух транзисторов, верхний или нижний. Данная схема инвертирует входной сигнал, то есть выходное напряжение будет обратно входному.

Это не всегда удобно и поэтому на входе двухтактного усилителя тока добавляют ещё один инвертор. В этом случае выходной сигнал в точности повторяет сигнал на входе.

Применение сборки Дарлингтона в микросхемах.

Широко используются интегральные микросхемы, содержащие несколько составных транзисторов. Одной из самых распространённых является интегральная сборка L293D. Её частенько применяют в своих самоделках любители робототехники. Микросхема L293D — это четыре усилителя тока в общем корпусе. Поскольку в рассмотренном выше двухтактном усилителе всегда открыт только один транзистор, то выход усилителя поочерёдно подключается или к плюсу или к минусу источника питания. Это зависит от величины входного напряжения. По сути дела мы имеем электронный ключ. То есть микросхему L293 можно определить как четыре электронных ключа.

Вот «кусочек» схемы выходного каскада микросхемы L293D, взятого из её даташита (справочного листа).

Как видим, выходной каскад состоит из комбинации схем Дарлингтона и Шиклаи. Верхняя часть схемы — это составной транзистор по схеме Шиклаи, а нижняя часть выполнена по схеме Дарлингтона.

Многие помнят те времена, когда вместо DVD-плееров были видеомагнитофоны. И с помощью микросхемы L293 осуществлялось управление двумя электродвигателями видеомагнитофона, причём в полнофункциональном режиме. У каждого двигателя можно было управлять не только направлением вращения, но подавая сигналы с ШИМ-контроллера можно было в больших пределах управлять скоростью вращения.

Весьма обширное применение получили и специализированные микросхемы на основе схемы Дарлингтона. Примером может служить микросхема ULN2003A (аналог К1109КТ22). Эта интегральная схема является матрицей из семи транзисторов Дарлингтона. Такие универсальные сборки можно легко применять в радиолюбительских схемах, например, радиоуправляемом реле. Об этом я поведал тут.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать: