Полевые и биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы

Мощный транзистор изнутри: третий вывод – это корпус, с которым гальванически связан кристалл кремния

Переходы обозначаются буквами p-n в соответствии с теорией электронно-дырочной проводимости. Если к двум выводам транзистора присоединить источник сигнала, сопротивление между его третьим выводом и одним из упомянутых двух изменится. Транзистор, потребляющий от источника сигнала ток, именуется биполярным. Его контактные выводы называются эмиттер, база и коллектор. В зависимости от комбинации переходов биполярные транзисторы могут быть n-p-n и p-n-p.

Обозначение биполярных транзисторов

Однако управляющий сигнал в любом биполярном транзисторе приложен к эмиттеру и базе. Именно в таком варианте диапазон изменения сопротивления между коллектором и эмиттером получается самым существенным для практического использования – получения выходного сигнала. То есть напряжения на резисторе-нагрузке, который одним своим выводом присоединен к транзистору (либо к коллектору, либо к эмиттеру), а другим – к полюсу источника питания.  

Электропитание всегда соответствует своим знаком комбинации переходов биполярного транзистора, + подается на коллектор n-p-n и эмиттер p-n-p транзистора. Таким образом, воздействие маломощным управляющим сигналом в электрической цепи базы и эмиттера обеспечивает появление более мощного выходного сигнала в цепи коллектора и эмиттера. То есть происходит усиление сигнала. Выходной сигнал повторяет по длительности входной сигнал, но имеет иные, более высокие значения силы тока и напряжения (в зависимости от связи нагрузочного резистора с коллектором или эмиттером). 

Входной и коллекторный выходной сигналы противофазные, а в сравнении с эмиттером – синфазные.

Проход тока

Биполярные транзисторы специализированы. В электронике существуют прикладные задачи, соответственно которым выпускаются те или иные модели этих транзисторов. Например, для усиления слабых сигналов применяются маломощные, малошумящие модели. Они, в свою очередь, делятся по частотному диапазону. Для усиления мощности существует отдельная группа этих полупроводниковых приборов. Однако и в ней существует разделение на более или менее высоковольтные и высокочастотные транзисторы.

Биполярные транзисторы

Определение
«биполярный»
указывает на то, что работа транзистора
связана с процессами, в которых принимают
участие носители заряда двух типов —
электроны и дырки.

Биполярный
транзистор представляет собой пластину
полупроводника с тремя чередующимися
областями разной электропроводности
(рис. 1), которые образуют два р — n перехода.
У каждой области свой контактный вывод.
Если в крайних областях преобладает
дырочная электропроводность, а в средней
электронная (рис. 1, а), то такой прибор
называют транзистором структуры p — n —
р. У транзистора структуры n — p — n, наоборот,
по краям расположены области с электронной
электропроводностью, а между ними —
область с дырочной электропроводностью
(рис. 1, б).

а
б

Рис.
1 Схематическое устройство и графическое
обозначение на схемах транзисторов
структуры p-n-p и n-p-n.

Общую
(среднюю) область транзистора называют
базой, одну крайнюю область — эмиттером,
вторую крайнюю область — коллектором.
Это три электрода транзистора.

Существуют
сплавной и диффузионно — сплавной способы
изготовления транзисторов.

Схематическое
устройство и конструкция сплавного
транзистора показана на (рис. 2). Прибор
собран на металлическом диске диаметром
менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен
кристаллодержатель, являющийся внутренним
выводом базы, а снизу — ее наружный
проволочный вывод. Внутренние выводы
коллектора и эмиттера приварены к
проволочкам, которые впаяны в стеклянные
изоляторы и служат внешними выводами
этих электродов. Цельнометаллический
колпак защищает прибор от механических
повреждений и влияния света.

Рис.
2 Устройство и конструкция сплавного
транзистора

структуры
p — n — p.

Коллектором
диффузионно — сплавного транзистора
служит пластина исходного полупроводника.
На поверхность пластины наплавляют
очень близко один от другого два маленьких
шарика примесных элементов. Во время
нагрева до строго определенной температуры
происходит диффузия примесных элементов
в пластинку полупроводника. При этом
один шарик (на рис. 3 — правый) образует
в коллекторе тонкую базовую область, а
второй (на рис. 3 — левый) эмиттерную
область. В результате в пластине исходного
полупроводника получаются два р — n
перехода, образующие транзистор структуры
р — n — р.

Рис.
3 Устройство и конструкция

диффузионно
– сплавного транзистора структуры p —
n — p.

Выходные характеристики

Семейство выходных характеристик транзистора с управляющим рп-переходом в схеме с общим истоком показано на рис. 26.4. Они ана­логичны выходным характеристикам биполярного транзистора. Эти ха­рактеристики показывают зависимость выходного тока ID от выходного напряжения VDS(напряжения между стоком и истоком) для заданных Значений напряжения на затворе VGS(напряжения между затвором и истоком).

Диапазон изменения смещающего напряжения затвор-исток доволь­но велик (несколько вольт) в отличие от биполярного транзистора, где напряжение база-эмиттер практически постоянно. Видно, что при увеличении (по абсолютной величине) напряжения на затворе ток стока уменьшается. Это уменьшение происходит до тех пор, пока расширяющийся обедненный слой перехода затвор-канал не пере­кроет весь канал, останавливая протекание тока. В этом случае говорят, что полевой транзистор находится в состоянии отсечки.

Схема полевого транзистора.

Напряжение отсечки

рассмотрим выходную характеристику для VGS= 0. При уве­личении напряжения VDS(от нулевого значения) ток стока постепенно увеличивается, пока не достигает точки Р, после которой величина тока практически не изменяется. Напряжение в точке Р называется напря­жением отсечки. При этом напряжении обедненный слой, связанный с обратносмещенным переходом затвор-канал, почти полностью перекры­вает канал. Однако протекание тока IDв этой точке не прекращается, поскольку благодаря этому току как раз и создается обедненный слой. Все кривые семейства выходных характеристик имеют свои точки отсеч­ки: P1, P2 и т. д. Если соединить эти точки друг с другом линией, то правее ее лежит область отсечки, являющаяся рабочей областью полевого транзистора.

Полевой транзистор.

Усилитель на полевом транзисторе с общим истоком

Схема типичного усилителя ЗЧ на полевом транзисторе показана на рис. 26.5. В этой схеме через резистор утечки R1 отводится на шасси очень малый ток утечки затвора. Резистор R3 обеспечивает необходимое обратное смещение, поднимая потенциал истока выше потенциала затво­ра. Кроме того, этот резистор обеспечивает также стабильность режима усилителя по постоянному току. R2 – нагрузочный резистор, который может иметь очень большое сопротивление (до 1,5 МОм). Развязыва­ющий конденсатор С2 в цепи истока устраняет отрицательную обратную связь по переменному току через резистор R3. Следует отметить, что раз­делительный конденсатор С1 может иметь небольшую емкость (0,1 мкФ) благодаря высокому входному сопротивлению полевого транзистора.

При подаче сигнала на вход усилителя изменяется ток стока, вызы­вая, в свою очередь, изменение выходного напряжения на стоке транзи­стора. Во время положительного полупериода входного сигнала напря­жение на затворе увеличивается в положительном направлении, обратное напряжение смещения перехода затвор-исток уменьшается и, следовательно, увеличивается ток IDполевого транзистора. Увеличение ID приводит к уменьшению выходного (стокового) напряжения, и на выходе воспроизводится отрицательный полупериод усиленного сигнала. И на­оборот, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует по­ложительный полупериод выходного сигнала. Таким образом, входной и выходной сигналы усилителя с общим истоком находятся в противофазе.

Чем MOSFET лучше БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРАЧем MOSFET лучше БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Отличия биполярных и полевых транзисторов

Полевые транзисторы более предпочтительны по большинству параметров:

  1. У них более высокое быстродействие.
  2. Они имеют маленькие потери на управление.
  3. У полевых транзисторов значительно более высокие усилительные способности.
  4. Они производят меньше шума и потребляют малую мощность.

Однако полевые транзисторы не переносят статического напряжения. Этим их использование и ограничивается, ведь в электронных устройствах оно накапливается постоянно. Там, где необходимо применять полевые транзисторы, необходимо предусмотреть их защиту от статического напряжения.

Как бы то ни было, полевые транзисторы почти полностью вытеснили биполярные из цифровой техники. В аналоговой, наоборот, пока что господствуют биполярные.

Изобретение полевых транзисторов, собственно, и было связано с производством электронно-вычислительных машин. В 1977 году учёные обнаружили, что с их помощью можно ускорить работу компьютерной техники. С этого времени транзисторы нового типа стали находить широкое применение – начиналась эра цифровых устройств.

Относительно недавно, в 1990-х годах, появился ещё один, «гибридный» тип таких компонентов. Это биполярные транзисторы с изолированным затвором, или IGBT. Такой прибор, по сути, является сочетанием биполярного транзистора, играющего роль силового канала, и полевого, являющегося управляющим элементом. Благодаря этому удалось совместить в одном компоненте выгодные выходные показатели (как у биполярного устройства) с предпочтительными входными (как у полевого). Управляются IGBT, как и полевые транзисторы, с помощью электрического поля.

Применяются гибридные компоненты в различных преобразователях, инверторах, импульсных регуляторах тока и т.д.

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы, транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку.

В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер.

Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и очень слабо легированной, большая часть электронов, инжектированная из эмиттера диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб+Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк=α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999, чем больше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер.

В широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β=α/(1-α)=(10-1000). Т.о. изменяя малый ток базы можно управлять значительно большим током коллектора.

Биполярный транзистор – электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, предназначенный для усиления, преобразования и генерации электрических сигналов. Вся конструкция выполняется на пластине кремния, либо германия, либо другого полупроводника, в которой созданы три области с различными типами электропроводности.

Средняя область называется базой, одна из крайних областей – эмиттером, другая – коллектором. Соответственно в транзисторе два p-n-перехода: эмиттерный – между базой и эмиттером и коллекторный – между базой и коллектором.

Область базы должна быть очень тонкой, гораздо тоньше эмиттерной и коллекторной областей (на рисунке это показано непропорционально). От этого зависит условие хорошей работы транзистора. Транзистор работает в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах.

При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном – обратное. В режиме отсечки на оба перехода подано обратное напряжение. Если на эти переходы подать прямое напряжение, то транзистор будет работать в режиме насыщения.

Типы биполярных транзисторов.

Проблемы с видео в MacBook и их лечение

Читателей за год: 6768

В нашу мастерскую часто попадают MacBook’и с неисправностью графического процессора (он же видеокарта, видеоускоритель, видеочип). Некоторые проблемы решаются софтовым путем — настройка или переустановка системы. В большинство же случаев требуются вмешательство на уровне «железа» — компонентный ремонт — замена чипа на паяльной станции.

Оставить комментарий

Что делать если Mac не включается? (видео)

MacBook не включаетсяMacBook не включается

Новое в блоге Поломки iMac. Часть 4. Неисправность видеокарты iMac 10 октября 2019 г. Цены на iPhone резко растут, говорят аналитики. Или нет? 7 октября 2019 г. В США и ЕС запретили перевозить в самолётах MacBook Pro 2015 года из-за дефекта батареи 27 сентября 2019 г. Список расширенных программ замены и ремонта MacBook от Apple 24 сентября 2019 г. MacBook не грузится дальше «яблока» после обновления macOS Mojave 10.14.5 7 июня 2019 г. Проверить статус заказа

Введите номер телефона, указанный в заказе:

Параметры, характеризующие полевой транзистор

  1. Ширина канала – расстояние между p-n-переходами W.
  2. Напряжение отсечки — напряжение на затворе при исчезновении каналов.
  3. Напряжение насыщения – с него начинается формирование пологой части ВАХ.
  4. Стоко-затворная ВАХ (вольт-амперная характеристика).

Рис. №1. Стоко-затворная ВАХ n-канального транзистора с

Ic= Icmax (I – Uзи / U)2 , здесь Icmax стока.

  1. Крутизна определяется по формуле S = dIc / dUзи(мА/В),что является следствием увеличенияU рабочего стока, при этом крутизна полевого транзистора становится меньше.
  2. Внутреннее сопротивление транзистора (дифференциальное сопротивление) rcсоставляет в пологой части характеристики несколько МОм.
  3. Лавинный пробой p-n-переходов возможен после повышения напряжения области стока и истока, что считается причиной ограничения применения полевого транзистора относительноUc.
  4. Коэффициент усиления относительно напряжения µu= srспри уменьшении величины тока стока коэффициент µuповышается.
  5. Инерционность полевого транзистора обуславливается временем,отводимым на заряд барьерной емкости переходов затвора.
  6. Полевой транзистор обладает граничной частотой для улучшения своих качественных частотных свойств.

Проводимость транзистора

Существует две разновидности проводимости – электронная и дырочная, это означает, что в основе работы лежит использование электронов и дырок. Транзистор с электронной проводимостью относится к n-канальным устройствам, p-канальные транзисторы обладают дырочной проводимостью.

Небольшие габаритные размеры МОП-транзисторах позволяет занимать очень малую площадь в конструкции интегральной схемы, в противоположность биполярным аналогам. Благодаря этому достигается значительно уплотненная компоновка элементов в интегральных схемах. Технология производства интегральной схемы на МОП-транзисторах затрачивает намного меньшее количество операций, чем технология производства ИС с применением биполярного транзистора.

Определение полевого транзистора

Транзистор полевого типа считается полупроводниковым прибором, в конструкции которого регулировка осуществляется измерением проводимости проводящего канала, благодаря использованию поперечного электрического поля.

Другими словами, он является источником тока, который управляется Uз-и. От параметра напряжения между затвором и истоком зависит проводимость канала. Помимо p–n – канальных транзисторов существует их разновидность с затвором из металла, который изолирован от канала кремниевым диэлектриком. Это МДП-транзисторы (металл – диэлектрик, (окисел) – проводник). Транзисторы с использованием окисела называются МОП-транзисторы.

Симисторный ключ

Для гальванической развязки цепей управления и питания лучше
использовать оптопару или специальный симисторный драйвер. Например,
MOC3023M или MOC3052.

Эти оптопары состоят из инфракрасного светодиода и фотосимистора. Этот
фотосимистор можно использовать для управления мощным симисторным
ключом.

В MOC3052 падение напряжения на светодиоде равно 3 В, а ток — 60 мА,
поэтому при подключении к микроконтроллеру, возможно, придётся
использовать дополнительный транзисторный ключ.

Встроенный симистор же рассчитан на напряжение до 600 В и ток до
1 А. Этого достаточно для управления мощными бытовыми приборами через
второй силовой симистор.

Рассмотрим схему управления резистивной нагрузкой (например, лампой
накаливания).

Таким образом, эта оптопара выступает в роли драйвера
симистора.

Существуют и драйверы с детектором нуля — например, MOC3061. Они
переключаются только в начале периода, что снижает помехи в
электросети.

Резисторы R1 и R2 рассчитываются как обычно. Сопротивление же
резистора R3 определяется исходя из пикового напряжения в сети питания
и отпирающего тока силового симистора. Если взять слишком большое —
симистор не откроется, слишком маленькое — ток будет течь
напрасно. Резистор может потребоваться мощный.

Нелишним будет напомнить, что 220 В в электросети — это значение
действующего напряжения. Пиковое напряжение равно $\sqrt2 \cdot 220 \approx
310\,В$.

Свойства полевых транзисторов

К полевым транзисторам относятся устройства, в которых управление всеми процессами осуществляется действующим электрическим полем, направленным перпендикулярно току. Они еще носят название униполярных транзисторов. В своей конструкции эти приборы имеют три контакта, называемые истоком, стоком и затвором. Кроме этого, существует проводящий слой, называемый каналом, по которому происходит течение тока.

Устройства данного типа могут быть «р» или «n» канальными. Расположение и конфигурация каналов бывает вертикальное или горизонтальное, объемное или приповерхностное.

Среди приповерхностных каналов также происходит разделение. Они существуют в качестве инверсионных слоев или могут быть обогащенными и обедненными носителями. Все виды каналов формируются под влиянием внешнего электрического поля. В обедненных каналах присутствуют участки с однородными полупроводниками, которые отделяются от поверхности с помощью обедненного слоя. Приборы, имеющие приповерхностные каналы, структурно состоят из металла-диэлектрика-полупроводника. Они получили наименование МДП-транзисторов.

Как работают диод, биполярный и полевой транзисторыКак работают диод, биполярный и полевой транзисторы

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Они позволяют оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах. А управление самой «заслонкой» осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов, не идёт.

Полевые транзисторы обладают тремя контактами:

N-Channel и P-Channel

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.

P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

Виды транзисторов

Существует несколько видов транзисторов. Их около четырёх. Однако основные из них это:

  • Полевые.
  • Биполярные.

Остальные виды собираются из полевых и биполярных. Рассмотрим более подробно каждый вид.

Полевые

Суть этого прибора заключается в управлении параметрами электрического сигнала с помощью электрического поля. Оно появляется при подаче напряжения к какому-либо из выводов:

  1. Затвор нужен для регулирования параметров сигнала, благодаря подаче напряжения на него.
  2. Сток — вывод, через который из канала уходят носители заряда (дырки и электроны).
  3. Исток — вывод, через который в канал приходят электроны и дырки.

Такой транзистор состоит из полупроводника с определённой проводимостью и двух областей, помещённых в него с противоположной проводимостью. При подаче напряжения на затвор между этими двумя областями появляется пространство, через которое протекает ток. Это пространство называется каналом. Ширина этого канала регулируется напряжением, которое мы подаём на затвор. Соответственно, можно увеличивать и уменьшать ширину канала и управлять протекающим током.

Теперь поговорим о приборе с изолированным затвором. Разница в том, что в первом случае этот переход есть всегда, даже когда на затвор не подавалось напряжение. А при его подаче, переход и токопроводящий канал менялись в зависимости от полярности и амплитуды напряжения. Металлический затвор в таких транзисторах изолирован диэлектриком от полупроводниковой области. Их входное сопротивление гораздо больше.

Существует два вида приборов с изолированным затвором:

  • Со встроенным каналом.
  • С индуцированным каналом.

Встроенный канал позволяет протекать электрическому току с определённой амплитудой. При подаче напряжения с определённой амплитудой и полярностью мы можем менять ширину канала и его проводимость. Этот канал встраивается в транзисторы на производственных предприятиях.

Индуцированный канал появляется между двумя областями, о которых мы говорили выше, только при подаче напряжения определённой полярности на затвор. То есть, когда на затвор напряжение не подаётся, ток в нем не протекает.

Все виды полевых транзисторов отличаются друг от друга по следующим параметрам:

  1. Входное сопротивление.
  2. Амплитуда напряжения, которое необходимо подать на затвор.
  3. Полярность.

Каждый из этих видов полевых транзисторов необходим для сборки определённых электрических и логических схем. Так как для реализации двух разных устройств необходимо разные электрические параметры.

Биполярные

Слово «биполярные» означает две полярности. То есть, такие приборы имеют две полярности, благодаря особенностям своего строения. Особенность их строения заключается в том, что они состоят из трёх полупроводниковых областей. Типы проводимости бывают следующими:

  1. Электронная, далее n.
  2. Дырочная, далее p.

Соответственно, можно сделать вывод, что существует два вида биполярных транзисторов:

  • pnp;
  • npn.

Разница между ними заключается в том, что для корректной работы необходимо подавать напряжение разной полярности. К каждой из трёх полупроводниковых областей подключено по одному выводу. Всего их три:

  1. База — центральный слой. Он является самым тонким. На выводе базы находится управляющий ток с небольшой амплитудой.
  2. Коллектор — один из крайних слоёв. Он является самым широким. На него подаётся ток с большой амплитудой.
  3. Эмиттер — вывод, на который подаётся ток с коллектора. На его выходе амплитуда тока немного больше, чем на входе.

Существует три схемы подключения биполярных транзисторов:

  1. С общим эмиттером — входной сигнал подаётся на базу, а выходной снимается с коллектора.
  2. С общим коллектором — входной сигнал подаётся на базу, а снимается с эмиттера.
  3. С общей базой — входной сигнал подаётся на эмиттер, а снимается с коллектора.

Благодаря нескольким электронно-дырочным переходам, образующимся в биполярном транзисторе, можно управлять параметрами электрического сигнала. Полярность и амплитуда подаваемого напряжения зависят от типа биполярного транзистора.

Биполярный СВЧ-транзистор

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

Биполярный СВЧ-транзистор КТ3109А (PNP)

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий