Устройство, принцип действия и режим работы биполярных транзисторов

Устройство, принцип действия и режим работы биполярных транзисторов

Радиоэлектроника богата всевозможными деталями. Каждый из таких элементов выполняет отведенную ему определенную роль. Транзистор же характеризуется своей многофункциональностью и способностью выполнять различные задачи. Чтобы понять, что отличает его от других радиодеталей, необходимо рассмотреть устройство и принцип действия биполярных транзисторов.

Строение транзистора

Биполярный транзистор относится к полупроводникам — материалам, которые хуже проводят электричество, чем проводники, но и не являются диэлектриками. Но если его температуру довести до абсолютного нуля, он станет диэлектриком. С другой стороны, при повышении температуры проводимость прибора будет увеличиваться. Это делает его уязвимым к перегреву. Повышение проводимости увеличивает ток, который может вывести устройство из строя.

Для наглядности можно привести в пример алмаз (адамант). В естественных условиях он является полупроводником, но если поместить его в вакуум или инертный газ и нагреть, он превратится в графит, который является хорошим проводником. В промышленных целях для производства транзисторов широко используют такие материалы, как кремний, германий и другие. По используемому материалу транзисторы бывают:

• германиевые;
• кремниевые;
• арсенид-галлиевые.

Сам по себе полупроводник очень чувствителен к внешнему влиянию (деформации, облучению и температуре), внутренним дефектам и примесям. В естественных условиях он ведет себя как переменный резистор, сопротивление которого меняется от температуры (используется для производства варисторов). При добавлении примесей свойства полупроводника резко меняются, и он превращается в проводник. Примеси делятся на:

• донорные;
• акцепторные.

Донорные, например, мышьяк, легко отдают свои электроны, переводя полупроводник в отрицательно заряженный материал. Для обозначения такого материала используют букву «п». К акцепторным относится трехвалентный индий. При соединении с кремнием, у которого четырехвалентная связь, одного электрона не хватает, поэтому образуется так называемая «дырка». Такой материал обозначают буквой «р».

Использование полупроводников п- и р-типа

Когда проводники разного типа соединяются, между ними образуется р-п переход, благодаря которому электроны могут двигаться только в одну сторону. Подключив область «п» к минусу источника питания, а область «р» — к плюсу, можно создать прямое подключение, при котором электроны свободно передвигаются. Если полярность источника поменять местами, то электроны из электронной области уйдут к источнику, а прибор закроется, потому что граница р-п не даст электронам пройти через дырочную область.

Радиоэлемент, состоящий из двух противоположных типов проводимости, называется диодом. Его особенностью является то, что он ток пропускает только в одном направлении и не регулирует потоком электронов. Чтобы получился биполярный транзистор, добавляют третью область «п» или «р» — этим и отличается устройство транзистора. В результате кристалл получается с тремя областями и двумя р-п переходами. С учётом того, как следуют друг за другом области, различают следующие типы:

• р-п-р;
• п-р-п.

Первую область называют эмиттером, вторую (среднюю) — базой, а третью — коллектором. База всегда имеет знак, противоположный эмиттеру и коллектору.

Назначение базы, коллектора и эмиттера

База управляет током между коллектором и эмиттером. Будет понятнее, если транзистор разбить на два отдельных участка: эмиттер — база и база — коллектор. Поскольку база находится в средней части, получаем два диода, направленных друг к другу (тип р-п-р) либо в противоположную сторону (тип п-р-п). Поскольку источник питания подключается к эмиттеру и коллектору, а на базу подается управляющее напряжение, то один из диодов подключен в обратном направлении, т. е. закрыт. Почти всегда им является переход базы — коллектор. Задача базы — постепенно открывать этот переход.

В эмиттерную область больше всего добавляют примеси, потому что она является инжектором или генератором основных носителей. Коллектор, напротив, разбавляется примесями минимально, только бы не пропускать ток в закрытом состоянии.

База должна удовлетворять жесткие требования. Во-первых, насколько быстро срабатывает транзистор, напрямую зависит от толщины базы — чем она тоньше, тем выше быстродействие. Во-вторых, чем тоньше база, тем меньшее напряжение можно подать на транзистор, иначе произойдет электрический пробой между эмиттером и коллектором.

Чтобы понять, как работает биполярный транзистор, можно привести пример. Горизонтально расположен водопроводный кран. Рядом (по ходу крана, а не под ним) находится желоб, по которому вода может уходить в нужное место. Когда начинают открывать кран, напор воды небольшой, она течет вертикально, не попадая на желоб. При дальнейшем открывании крана напор будет увеличиваться, пока не наступит момент попадания воды в лоток.

Как расстояние между краном и стоком определяет напор воды, который поможет достичь желоба, так и толщина базы влияет на напряжение насыщения, после чего происходит открывание транзистора. Конечно, пример грубый и нужен только для того, чтобы примерно понять принцип действия транзистора. Но именно напряжение между эмиттером и базой будет тем самым «краном», открывающим транзистор.

После того как кристалл сформирован, к каждой его области прикрепляются металлические выводы, все тщательно изолируется и защищается корпусом. Существуют бескорпусные и прозрачные транзисторы, а также те, что предназначены для работы с радиатором.

Режимы и схемы подключения

Благодаря развитию науки и техники разрабатываются новые транзисторы, направленные на устранение вредных факторов. К ним относятся как физические (например, сколы и примеси), так и электрические (сопротивление материала). Устранение таких недостатков ведет к повышению быстродействия, понижению потребляемой мощности и ряду других преимуществ. Но задачи транзистора остаются те же самые:

• усиление сигнала;
• генерация;
• переключение.

Прежде чем разобрать каждую из этих задач, важно понять, как работает транзистор. В виде примера возьмем транзистор р-п-р-типа. К эмиттеру подключается плюс, а к коллектору — минус. Такое включение называется нормальным, противоположное — инверсным. Эмиттер насыщается дырками, являющимися на самом деле атомами, которые не могут перемещаться, поскольку у них не хватает электронов. Увеличивается область, в которой не хватает электронов. В коллекторе, наоборот, происходит перенасыщение электронов.

База становится изолятором между этими областями, т. к. находящиеся в ней электроны уходят через эмиттер в источник питания. При появлении на базе отрицательного напряжения электроны постепенно превращают ее в проводник. Это приводит к тому, что транзистор открывается, а между эмиттером и коллектором появляется ток. Из этого можно сделать вывод, что режимы работы транзистора — закрытое состояние, насыщение и открытое состояние — полностью зависят от напряжения на базе.

Следующее, на что необходимо обратить внимание, — это то, какая схема подключения используется. Для примера возьмем батарейку и лампочку. Каждый из этих элементов имеет по два вывода, то есть всего их четыре. Это правило действует для постоянного (импульсного) тока. Транзистор является преобразователем, иными словами, имеет вход и выход. В этом случае он должен иметь не три, а четыре вывода. На практике же он, как правило, имеет три вывода. Получается, что один из его выводов должен быть общим как для входа, так и для выхода. На основании этого имеются следующие виды подключения:

• с общим эмиттером (происходит усиление напряжения и тока, используется чаще остальных видов);
• с общей базой (усиливает только ток, используется редко);
• с общим коллектором (усиливает напряжение, часто используется для согласования каскадов с разным сопротивлением).

Область применения

Транзистор используется для усиления непрерывных сигналов различной формы в аналоговых схемах. Ярким примером служит человеческая речь. В такие сигналы легко вплетаются шумы, для устранения которых применяются фильтры. Аналоговые схемы являются противоположностью дискретных цифровых сигналов.

В схеме генерации транзистор вырабатывает сигналы различных форм. Например, в телевидении генераторы на транзисторах позволяют создавать промежуточную частоту, с помощью которой передаются видео и звук. В самих телевизорах такие генераторы помогают создавать изображение на экране, задавая частоту по строке и кадрам.

В переключающих схемах нужно быстро отключать и подключать нагрузку, выполняя задачу реле, например, подключая более мощные тиристоры, контакторы и т. д. Особенно жесткие требования предъявляются к схемам с инертными нагрузками в виде индуктивности. Они используются для усиления цифрового сигнала в компьютерах и другой технике.

В настоящее время транзисторы почти полностью заменили электронные лампы. Эти приборы обладают рядом преимуществ, среди которых следует выделить:

• малый размер;
• более легкое производство, что ведет к снижению себестоимости;
• для управления нужно гораздо меньше напряжения;
• не требуют разогрева, что приводит к пониженному потреблению энергии и уменьшению времени подготовки к работе;
• большая устойчивость к механическим нагрузкам;
• увеличенный срок службы.

Для производства транзисторов сегодня используются лучшие материалы. От некоторых металлов (например, от германия) при изготовлении приборов уже отказались. Но даже современные транзисторы имеют свои недостатки и ограничения. К ним можно отнести следующее:

• при напряжении выше 1 кВ кремниевые приборы работать не могут;
• создание мощных передатчиков требует очень сложной согласованности;
• сильная чувствительность к радиации и электромагнитному влиянию.

Последние разработки приблизились к решению многих проблем. Кроме этого, сегодня раскрываются новые возможности и направления использования биполярных устройств.

Что такое транзистор

Предлагаю тебе, мой уважаемый начинающий электронщик, прочесть эту статью, в которой я описал, пожалуй, самый основной из существующих электронных компонентов — транзистор.

Изобретение транзистора в ХХ веке по праву является одним из значимых событий, транзистор как электронный компонент пришел на смену электронным лампам. Электронные лампы на тот период времени, безраздельно служили во всех радиоэлектронных устройствах, при этом электронные лампы имели множество недостатков. Одним из самых значительных недостатков была их большая потребляемая мощность, так – же лампы имели очень большой вес и габариты, но при этом не отличались механической прочностью. Электронная аппаратура становилась все сложнее, большое количество электронных ламп требовало большего потребления энергии, возросло количество отказов техники — к примеру вычислительные машины (компьютеры того времени) собранные на лампах, могли работать без поломок лишь считанные минуты, а габариты этих “компьютеров” были таковы, что занимали целый многоэтажный дом.

Полупроводниковый транзистор лишен всех тех недостатков которые присущи электронным лампам и во многом превосходит их. Низкое энергопотребление, малый вес и размер, а механическая прочность такова, что если сбросить современный транзистор с высоты 10го этажа с ним ничего не случится.

Первый транзистор разработали ученые – физики У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтен, в 1956 году они были удостоены нобелевской премии. Теперь эти имена известны всему миру.

И так, давай поближе познакомимся с этим замечательным электронным компонентом.

Биполярный транзистор

Устройство биполярного транзистора.

Транзистор это — электронный прибор, корпус которого выполнен из металла или пластика. В корпусе находится кристалл кремния, который обработан специальным образом. Этот кристалл состоит из трех частей — коллектор, эмиттер, база, к ним подключены электроды которые выведены из корпуса транзистора. Рассмотрим условное обозначение транзистора, очень напоминает диод, (особенно выделенная часть). В принципе, транзистор, с натяжкой можно назвать диодом, так как транзистор тоже является полупроводником, но у транзистора есть дополнительный элемент – “база”.

База расположена между коллектором и эмиттером и является преградой для прохождения напряжения. Для того чтобы транзистор мог выполнять возложенные на него обязанности необходимо “активировать” базу, после чего транзистор будет работать как ключевой элемент, как усилитель тока, или напряжения.

Принцип работы транзистора.

Обычно в специальной литературе и интернет сайтах, описание работы транзистора сводится к разжевыванию теории электронно — дырочного перехода, диффузии и прочей нудной теории. Думаю, если бы мне, когда я только начинал увлекаться радиоэлектроникой, таким образом объяснили принцип работы транзистора, забросил бы я это дело и пошел с пацанами делать самопалы и пугачи, ну или в худшем случае в авиомодельный кружок). Но к счастью для меня в радиокружках того времени работали люди которые умели так преподать теорию, что было понятно и не напряжно. Постараюсь и я, все объяснить в простой и доступной форме.

И так, биполярные транзисторы бывают двух типов PNP транзистор и NPN транзистор еще их называют — “прямой” и “обратный” транзистор. P-N-P – это прямой транзистор (легко запомнить, первая буква Р -соответственно прямой), N-Р-N – обратный.

На схеме обозначаются:

Рассмотрим схему работы транзистора в ключевом режиме.

Транзистор типа N-P-N, на коллектор транзистора подан (+V) напряжение для питания лампочки накаливания, лампочка не будет светиться так как напряжение через транзистор не проходит в таком случае говорят транзистор “закрыт”. Для того чтобы транзистор “открылся” на базу транзистора так же необходимо подать напряжение (+Vбазы). Напряжение +Vбазы (зеленые стрелки), пройдет через выключатель К1, резистор R1, через базу на эмиттер и с эмиттера на минус источника питания. Транзистор откроется, напряжение +V (красные стрелки), пройдет через лампочку, коллектор и базу на эмиттер транзистора и с эмиттера на –V источника питания, цепь “замкнется” и лампочка будет светиться.

В этом примере транзистор работает как ключ, открывает и закрывает прохождение электрического тока.

Теперь рассмотрим работу в ключевом режиме транзистора типа P-N-P.

В этом случае, наша схема будет отличаться тем что, отрицательное напряжение питания подается через лампочку на коллектор, а плюс источника подключен к эмиттеру транзистора, на базу нужно подавать отрицательное напряжение –Vб. Отпирающее напряжение (зеленые стрелки) плюса источника питания через эмиттер через базу VT, резистор R1, выключатель пройдет на минус источника питания и транзистор откроется. Плюс источника питания (красные стрелки) через эмиттер, базу проходит на коллектор и через лапочку накаливания на минус питания, лампочка будет светиться.

Запомни простую истину – обратный транзистор открывается подачей положительного напряжения на базу, прямой отрицательного. Еще проще – обратный транзистор открывается плюсом, прямой минусом. Плюс питания у обратного транзистора подается на коллектор а минус на эмиттер, у прямого наоборот, минус на коллекторе плюс на эмиттере. Соответственно ток в обратном транзисторе течет от коллектора к эмиттеру в прямом транзисторе от эмиттера к коллектору.

Где можно применить работу транзистора в ключевом режиме?

Главное достоинство транзистора заключается еще и в том, что подавая на базу совсем небольшое напряжение всего в несколько десятков вольта, можно коммутировать мощные исполнительные устройства, например, вместо лампочки можно поставить реле, и оно будет своими контактами включать мощный электромотор тем самым используя низкое напряжение управления мы обеспечиваем безопасность человека.

Еще один пример.

На схеме изображен N-P-N транзистор в базу которого включен переменный резистор R1, при помощи этого резистора можно плавно изменять величину напряжения приложенного к базе транзистора. Перемещая ползунок резистора (вывод со стрелочкой) ближе к плюсу источника питания (в верх по схеме) мы тем самым будем увеличивать сопротивление резистора R1, соответственно величина напряжения на базе транзистора уменьшится, транзистор закроется, если ползунок перемещать в противоположную сторону, напряжение на базе увеличится. Ты догадался, что будет происходить с лампочкой? Очень надеюсь, что догадался, зря я что ли уже столько букв написал). Да, лампочка будет изменять интенсивность свечения. Чем больше напряжение на базе транзистора, тем ярче будет светиться лампочка. Эту схему можно с успехом применить, для регулировки свечения лампочки ручного фонарика).

Теперь разберемся с работой транзистора в режиме усиления.

Транзистор может работать не только как ключевой элемент, но и как усилитель тока, напряжения или того и другого одновременно. Существует несколько способов включения транзистора – это с общим коллектором, общей базой, и общим эмиттером. Схема с общим эмиттером получила наибольшее применение поэтому ее и рассмотрим.

Схема с транзистором работающем в режиме усиления, более сложная чем ключевая, но тем не менее разобраться с принципом ее работы не так сложно.

В ключевом режиме транзистор находится в режиме отсечки (закрыт) или в режиме насыщения (открыт) для того чтобы транзистор работал как усилитель его нужно заставить работать в “пограничном” режиме между отсечкой и насыщением. Помнишь, мы регулировали свечение лампочки, изменяя напряжение на базе транзистора при помощи переменного сопротивления (потенциометра). Когда лампочка горела в пол накала это и был “пограничный” режим, или если говорить другими (умными словами), мы задавали смещение на базу транзистора. Идем дальше. Допустим ты решил услышать, о чем говорят твои рыбки в аквариуме :), нашел подводный микрофон и поместил его к рыбкам, но микрофон выдает очень слабый сигнал и если подключить к нему наушники ничего не услышишь. Значит нужно усилить сигнал чтобы он был достаточной силы.

Схема усилителя. На этой схеме, различных электронных компонентов значительно больше чем в схеме где транзистор работает как ключ, но если ты читал мои предыдущие статьи в рубрике электроника для начинающих , ты знаешь, что такое электролитический конденсатор.

В схеме усилителя резистор R1 является самым главным, он задает ток смещения на базе Т1 чтобы отпереть транзистор, вывести его из режима отсечки в активный режим, или иными словами задать базовый ток. От того, какой номинал (величину сопротивления) резистора мы будем использовать, будет зависеть сила тока, который потечет через цепь +Uпит – R1 — база — эмиттер и на минус источника питания. Задавая нужный базовый ток резистором R1, мы выбираем режим работы нашего усилителя, при котором сигнал с микрофона не будет больше режима насыщения и отсечки, а будет примерно в середине активного режима транзистора. Микрофон выдает сигнала который представляет собой переменный ток, надеюсь ты уже знаешь, что переменный ток имеет как положительную, так и отрицательную полярность, соответственно на базу транзистора будет подаваться либо (+) либо (–) в зависимости от этого транзистор будет больше открываться или наоборот закрываться. Следовательно, напряжение на коллекторе в точке подключения конденсатора С2 так же будет меняться и на входе конденсатора С2 ты получишь копию входного микрофонного сигнала, только многократно усиленную.

Ведь на вход усилителя, мы подаем с микрофона очень маленькое напряжение, измеряемое в микровольтах, а на коллекторе транзистора, пульсация напряжения будет в несколько Вольт, теперь можно подключить наушники и услышать рыбок :).

Конечно, эту схему усилителя собирать не стоит, так как она имеет некоторые недостатки, но, как пример работы транзистора в качестве усилителя, очень даже годится. Теперь ты знаешь, как работает транзистор – это НЕ сложно!

Транзисторы. Классификация и принцип работы (и шпаргалка).

Транзисторы подразделяют на две большие подгруппы — биполярные и полевые. Они обычно используются для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В 1956 г. за изобретение биполярного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя p-n -переходами, имеющий три вывода. Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и элект­ронов), а управление протекающим через него током осу­ществляется с помощью управляющего тока.

Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором.

Устройство транзистора. Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (р-n-р или n-р-n) и соответственно два p-n -перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.

Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод на­зывают эмиттером, а другой крайний слой и соответству­ющий вывод — коллектором.

Дадим схематическое, упрощенное изображение струк­туры транзистора типа n-р-n (рис. 1, а) и два допусти­мых варианта условного графического обозначения (рис. 1, б). Транзистор типа р-n-р устроен аналогично. При этом «стрелочка» эмиттера будет напрвлена в противоположном направлении — в сторону базы. Стрелки эмиттеров показывают направление токов через транзистор.

Рис. 1. Cхематическое изображение струк­туры транзистора

Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители элект­ричества двух знаков — электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна.

Транзисторы типа n-р-n более распространены в сравнении с транзисторами типа р-n-р, так как обычно имеют луч­шие параметры. Это объясняется следующим образом: ос­новную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-р-n играют электроны, а в транзисторах р-n-р — дыр­ки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.

Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.

Количественное своеобразие структуры транзистора. Для определенности обратимся к транзистору типа n-р-n. В основе работы биполярного транзистора лежат не какие-либо новые физические процессы, еще не рассмотренные при изучении полупроводникового диода: своеобразие транзистора определяется особенностями его конструкции.

Основными элементами транзистора являются два соединенных p—n -перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, представленное на рис. 2, а.

Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p—n -переходы транзисто­ра сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Имен­но это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 2, б).

Рис.2. Структура транзистора.

В схеме с диодами ток каждого диода зависит только от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.

Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину, а именно: очень малое расстояние между переходами транзистора. Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает ка­чественное своеобразие транзистора.

Вообще полезно отметить, что в электронике достаточно часто реализуется следующий способ получения устрой­ства, обладающего новым качеством: особым образом со­единяют два одинаковых, уже хорошо изученных элемента.

Основные физические процессы. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в эмиттере сравнительно велика, поэтому этот слой низкоомный. Концен­трация атомов примеси (и дырок) в базе сравнительно низка, поэтому этот слой высокоомный. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в коллекторе может быть как больше концентрации атомов примеси в базе, так и меньше ее. С помощью источников напряжения сместим эмиттерный переход в прямом, а коллекторный — в обратном направлении (рис. 3). Тогда через эмиттерный переход потечет ток I_э, который будет обеспечиваться главным образом инжекцией электронов из эмиттера в базу. Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной вследствие указанного выше различия в концентрациях атомов примесей.

Рис.3. Физические процессы в транзисторе.

Из-за малой толщины базы почти все электроны, пройдя базу, через так называемое время пролета достигают коллектора. Только малая доля электронов рекомбинирует в базе с дырками. Убыль этих дырок компенсируется протеканием тока базы i_э. Из изложенного следует, что i_б « i_э.

Обратное смещение коллекторного перехода способ­ствует тому, что электроны, подошедшие к нему, захваты­ваются электрическим полем перехода и переносятся в коллектор. В то же время это поле препятствует переходу электронов из коллектора в базу. Ток коллектора i_K лишь незначительно меньше тока эмиттера, т. е. i_K= i_Э.

где а_ст — так называемый статический коэффициент передачи эмиттерного тока (термин статический подчеркивает тот факт, что этот коэффициент связывает по­стоянные токи); I_ко — так называемый обратный ток коллектора. Природа обратного тока коллектора такая же, как и у обратного тока диода (т. е. тока диода, включенного в об­ратном направлении). Ток I_ко протекает и тогда, когда ток эмиттера равен нулю.

Работа транзистора. Поскольку биполярные транзисторы состоят из двух p-n -переходов, то проверку целостности транзистора можно осуществить, контролируя сопротивление этих переходов при прямом и обрат­ном подключении напряжения к ним. Транзистор n-р-n проверяется по сопротивлениям переходов.

Для нормальной работы n-р-n -транзистора требуется положительное напряжение на коллектор. Базовый переход открывается положительным напряжением. Базовый ток вызывает появление коллекторного тока (рис. 4, а). При отрицательном напряжении в базе транзистор закрывается. Если плавно менять напряжение U_б, то ток I_б меняется, как показано на рис. 4, б. Если дискретно задавать значения I_б1, I_б2 и т.д. и плавно менять напряжение U_K, то получим семейство коллекторных (выходных) характеристик (рис. 4, в).

Для нормаль­ной работы р-n-p -транзистора требуется отрицательное напряжение на коллекторе. Открывается базовый переход отрицательным напряжением (рис. 4, г). При положительном напряжении в базе транзистор закрывается. Если плавно менять напряжение U_б, то ток I_б меняется, как показано на рис. 4, д. Если дискретно задавать значении I_б1, I_б2 и т. д. и плавно менять напряжение U_K, то получим семейство кол­лекторных (выходных) характеристик (рис. 4, е).

Рис. 4. Входные и выходные характеристики транзисторов.

В усилительных схемах транзисторы могут применяться в двух режимах: в схеме с обшей базой (рис. 5, а) и в схеме с обшим эмиттером (рис. 5, б). Во входной цепи, кроме источника постоянного напря­жения, необходимого для обеспечения активного режима работы, также используют источник входного переменно­го напряжения. Изобразим две характерные схемы вклю­чения транзистора.

Рис. 5. Схемы включения транзистора.

• Схемас общей базой (ОБ)(рис. 5.а). Если сопротивле­ние нагрузки достаточно велико, то амплитуда перемен­ной составляющей напряжения и_ыхзначительно больше амплитуды напряжения и_вх. Учитывая, что i_вых=i_вх, можно утверждать, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы доста­точно большой, а соответствующее входное сопротивле­ние малое.
• Схема с общим эмиттером (ОЭ)(рис. 5.б). Так как i_вых » i_вх, а при достаточно большом сопротивлении R_н, амплитуда переменной составляющей напряжения и_выхзна­чительно больше амплитуды напряжения и_вх, следователь­но, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения.Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.
• Схема с общим коллектором(ОК)эквивалентна схеме с обшим эмиттером и по-этому не нашла широкого применения (за исключением эмиттерных повторителей). Само напряжение и_бэ и особенно переменная состав­ляющая этого напряжения достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения и_вхпримерно равна амплитуде переменной составляющей на­пряжения и_вых. В соответствии с этим усилительные кас­кады, в которых транзисторы включены по схеме с общим коллектором, называют эмиттерными повторителями. Учитывая также, что i_вx « i_вых, отмечают, что схема уси­ливает ток, но не усиливает напряжение.

Схема усилителя с общим эмиттером наиболее часто используется на практике, т.к. она обеспечивает усиление по напряжению и току, хорошо каскадируется, т.е. обеспечивает согласование входного сопротивления последующего каскада с выходным сопротивлением предыдущего каскада.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.

Полевым или униполярным транзистором называется транзистор, в котором управление происходит под действием электрического поля перпендикулярного току. На схемах их обозначают, как показано на рисунке ниже:

,

где: З- затвор, И- исток, С- сток.

Проводящий слой, по которому протекает ток, называется каналом. Различают р- и n-канальные транзисторы. Каналы могут быть приповерхностными и объемными, горизонтальными и вертикальными. Пример полевого транзистора с n — p переходом и n- каналом приведен на рис. 6.

Рис. 6. Полевой транзистор: а -конструкция транзистора; б- структура кристалла.

В свою очередь приповерхностные каналы делятся на обогащенные или обедненные но­сителями, либо инверсионные слои. Их формирует внешнее электрическое поле. Обед­ненные каналы представляют собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем.

На рис. 7 приведены схемы каналов в полевых транзисторах. Транзисторы с при­поверхностным каналом имеют структуру металл диэлектрик полупроводник (МДП). Такие транзисторы принято называть МДП-транзисторами. Если диэлектриком является диоксид кремния SiO₂, то используется название МОП-транзисторы. Транзисторы с объ­емным каналом получили название полевых транзисторов.

Рис. 7. Каналы в униполярных транзисторах:

а- приповерхностный n- канал;

б- объемный p- канал,

1 — обедненный слой.

Таким образом, работа полевого транзистора представляется следующим образом: сила проходящего через него тока регулируется внешним электрическим полем, т.е напряжением. Это принципиальное различие между ним и биполярным транзистором, где сила основного тока регулируется управляющим током (рис.8).

Рис. 9. Принцип действия полевого и биполярного транзисторов.

Поэтому ВАХ полевого транзистора обратно эквивалентна ВАХ биполярного. Более наглядно это показано на рисунке 9. При увеличении значения Uзи происходит постепенное закрытие проводящего канала.

Рис. 9. Сравнительная выходная ВАХ полевого (а) и биполярного (б) транзисторов.

Краткое описание транзисторов, диаграммы, схемы включения и h-параметры можно скачать здесь Транзисторы Биполярные и Полевые (шпаргалка и h-параметры).doc (431 kB)

Полевые транзисторы. Основные типы. Характеристики

MOSFET — (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) использует изолятор обычно SiO2 между затвором и каналом.

JFET — полевой транзисторе с управляющим p-n переходом
MESFET — (Metal–Semiconductor Field-Effect Transistor) разновидность p-n перехода JFET с барьером Schottky; используются с GaAs и др. III-V полупроводниками.
ISFET — ion-sensitive field-effect transistor – ионно-чувствительный полевой транзистор.
ChemFET — chemical field-effect transistor — МОСФЕТ транзисторы, заряд на затворе которых определяется химическими процессами.
EOSFET — electrolyte-oxide-semiconductor field effect transistor вместо металла в качестве затвора используется электролит.
CNTFET — Carbon nanotube field-effect transistor — полевой транзистор с углеродными нанотрубками.

DEPFET – полевой транзистор с полностью обедненной подложкой, используются как сенсоры, усилители и ячейки памяти одновременно. Может быть использован как датчик фотонов.
DGMOSFET — с двумя затворами.
DNAFET — специальный FET используемый как биосенсор, с затвором из 1-й ДНК молекулы чтобы определять соответствующую нить ДНК.
FREDFET — (Fast Reverse or Fast Recovery Epitaxial Diode FET) специальный полевой транзистор, разработанный для обеспечения сверхбыстрого закрытия встроенного диода (is a specialized FET designed to provide a very fast recovery (turn-off) of the body diode)
HEMT — (high electron mobility transistor) или HFET(heterostructure FET) полевой транзистор с высокой подвижностью зарядов, гетероструктурные (шестигранные) FET. Изолятор затвора формируется из полностью обедненного материала с большой шириной запрещенной зоны.
HIGFET — (heterostructure insulated gate field effect transisitor), гетероструктурные MISFET используются в основном в исследовательских целях.
MODFET — (Modulation-Doped Field Effect Transistor) использует квантовую структуру, сформированную градиентным легированием активной области.
NOMFET – (Nanoparticle Organic Memory Field-Effect Transistor) — память на основе органических наночастиц.
OFET – (Organic Field-Effect Transistor) — канал из органического полупроводника.
GNRFET – (Field-Effect Transistor that uses a graphene nanoribbon for its channel). С каналом из графеновой пленки.
VFET – (Vertical Field-Effect Transistor), вертикальный полевой транзистор, полевой транзистор с вертикальной структурой, полевой транзистор с вертикальным каналом.
VeSFET — (Vertical-Slit Field-Effect Transistor) is a square-shaped junction-less FET with a narrow slit connecting the source and drain at opposite corners. Two gates occupy the other corners, and control the current through the slit… полевой транзистор квадратной формы, без перехода с близким расположением истока и стока на противоположных углах. Два других входа, занимающие другие углы — затворы, которые контролируют переход.
TFET — (Tunnel Field-Effect Transistor) — основан на эффекте тунеллирования … из полосы в полосу.
IGBT — (insulated-gate bipolar transistor) устройство для контроля мощности. Представляет из себя гибрид полевого транзистора с проводящим каналом, как у биполярного транзистора. Обычно используются для напряжений 200-3000V сток-исток. Мощные MOSFETs обычно используются до 200 V.