Curentul de colector invers. Să înțelegem împreună principiile de funcționare a unui tranzistor

Denumirea tranzistorului dispozitivului semiconductor este format din două cuvinte: transfer - transfer+ rezista - rezistenta. Pentru că poate fi într-adevăr reprezentată sub forma unei rezistențe, care va fi reglată de tensiunea unui electrod. Un tranzistor este uneori numit și triodă semiconductoare.

Primul tranzistor bipolar a fost creat în 1947, iar în 1956, trei oameni de știință au primit Premiul Nobel pentru fizică pentru invenția sa.

Un tranzistor bipolar este un dispozitiv semiconductor care constă din trei semiconductori cu tipuri alternative de conductivitate a impurităților. Un electrod este conectat și scos la fiecare strat. Un tranzistor bipolar folosește simultan sarcini ai căror purtători sunt electroni ( n - „negativ”) și găuri (p – „pozitiv ”), adică purtători de două tipuri, de unde formarea prefixului numelui „bi” - doi.

Tranzistoarele diferă în ceea ce privește tipul de alternanță a stratului:

P n p -tranzistor (conductie directa);

Npn- tranzistor (conducție inversă).

Baza (B) este electrodul care este conectat la stratul central al tranzistorului bipolar. Electrozii din straturile exterioare se numesc emițător (E) și colector (K).

Figura 1 – Proiectarea tranzistorului bipolar

Diagramele indică „ VT „, în documentația veche în limba rusă puteți găsi denumirile „T”, „PP” și „PT”. Tranzistoarele bipolare sunt afișate pe scheme electrice, în funcție de alternanța conductivității semiconductoarelor, după cum urmează:

Figura 2 – Desemnarea tranzistoarelor bipolare

În figura 1 de mai sus, diferența dintre colector și emițător nu este vizibilă. Dacă vă uitați la o reprezentare simplificată în secțiune transversală a unui tranzistor, puteți vedea că zona p-n Tranziția colectorului este mai mare decât cea a emițătorului.

Figura 3 – Secțiunea transversală a tranzistorului

Baza este realizată dintr-un semiconductor cu conductivitate slabă, adică rezistența materialului este mare. O condiție prealabilă este un strat de bază subțire pentru ca efectul tranzistorului să apară. Din zona de contact p-n Deoarece joncțiunile colectorului și emițătorului sunt diferite, polaritatea conexiunii nu poate fi schimbată. Această caracteristică clasifică tranzistorul ca un dispozitiv asimetric.

Un tranzistor bipolar are două caracteristici curent-tensiune (caracteristici volt-ampere): intrare și ieșire.

Caracteristica curent-tensiune de intrare este dependența curentului de bază ( eu B ) de la tensiunea bază-emițător ( U FI).

Figura 4 – Caracteristica curent-tensiune de intrare a unui tranzistor bipolar

Caracteristica curent-tensiune de ieșire este dependența de curentul colectorului ( eu K ) de la tensiunea colector-emițător ( U KE).

Figura 5 – Caracteristica curent-tensiune de ieșire a tranzistorului

Să ne uităm la principiul de funcționare al unui tranzistor bipolar. tip npn, pentru pnp în mod similar, numai că nu electronii sunt considerați, ci găurile.Tranzistorul are două joncțiuni p-n. În modul de funcționare activ, unul dintre ele este conectat cu polarizare directă, iar celălalt cu polarizare inversă. Când joncțiunea EB este deschisă, electronii de la emițător se deplasează cu ușurință la bază (are loc recombinarea). Dar, așa cum am menționat mai devreme, stratul de bază este subțire și conductivitatea sa este scăzută, astfel încât unii electroni au timp să se deplaseze la joncțiunea bază-colector. Câmp electric ajută la depășirea (întărirea) barierei de tranziție a stratului, deoarece electronii aici sunt purtători minoritari. Pe măsură ce curentul de bază crește, joncțiunea emițător-bază se va deschide din ce în ce mai mulți electroni vor putea curge de la emițător la colector. Curentul colectorului este proporțional cu curentul de bază și cu o mică modificare a acestuia din urmă (control), curent de colector se schimba semnificativ. Acesta este modul în care are loc amplificarea semnalului într-un tranzistor bipolar.

Figura 6 – Modul activ de funcționare a tranzistorului

Privind poza, poți explica principiul de funcționare al unui tranzistor putin mai simplu. Imaginează-ți că CE este conducta de apa, iar B este un robinet cu ajutorul căruia poți controla debitul apei. Adică decât mai actuale intri in baza, cu atat iesi mai mult din ea.

Valoarea curentului de colector este aproape egală cu curentul emițătorului, excluzând pierderile de recombinare în bază, care formează curentul de bază, deci formula este valabilă:

I E = I B + I K.

Parametrii de bază ai tranzistorului:

Câștigul de curent este raportul dintre valoarea efectivă a curentului de colector și curentul de bază.

Rezistența de intrare - urmând legea lui Ohm, aceasta va fi egală cu raportul tensiune emițător-bază U EB pentru a controla curentul I B .

Câștig de tensiune – parametrul este determinat de raportul tensiunii de ieșire U EC pentru a introduce U BE.

Răspunsul în frecvență descrie capacitatea unui tranzistor de a funcționa până la o anumită frecvență limită a semnalului de intrare. După depășirea frecvenței maxime, procesele fizice din tranzistor nu vor avea timp să apară, iar abilitățile sale de amplificare se vor reduce la nimic.

Circuite de comutare pentru tranzistoare bipolare

Pentru a conecta tranzistorul, avem la dispoziție doar cele trei terminale ale sale (electrozi). Prin urmare, pentru funcționarea sa normală, sunt necesare două surse de alimentare. Un electrod al tranzistorului se va conecta la două surse simultan. În consecință, există 3 scheme de conectare pentru un tranzistor bipolar: OE - cu un emițător comun, OB - o bază comună, OK - un colector comun. Fiecare are atât avantaje, cât și dezavantaje în funcție de aplicație și de caracteristicile necesare, alegerea conexiunii se face.

Circuitul de conectare cu un emițător comun (CE) se caracterizează prin cea mai mare amplificare a curentului, respectiv a tensiunii și a puterii. Cu această conexiune, tensiunea alternativă de ieșire este deplasată cu 180 de grade electrice față de intrare. Principalul dezavantaj este răspunsul la frecvență joasă, adică valoarea scăzută a frecvenței de tăiere, care nu face posibilă utilizarea acestuia cu un semnal de intrare de înaltă frecvență.

(OB) oferă un răspuns în frecvență excelent. Dar nu oferă un câștig de tensiune a semnalului atât de mare ca în cazul OE. Și amplificarea curentului nu are loc deloc, așadar această diagramă numit adesea adept curent deoarece are proprietatea de stabilizare a curentului.

Circuitul cu un colector comun (CC) are aproape același câștig de curent ca și cu OE, dar câștigul de tensiune este aproape egal cu 1 (puțin mai mic). Decalajul de tensiune nu este tipic pentru această diagramă de conectare. De asemenea, îl numesc un adept emițător, deoarece tensiunea de ieșire ( U EB ) corespund tensiunii de intrare.

Aplicarea tranzistorilor:

Circuite amplificatoare;

Generatoare de semnal;

Chei electronice.

TEMA 4. TRANZISTOARE BIPOLARE

4.1 Proiectare și principiu de funcționare

Un tranzistor bipolar este un dispozitiv semiconductor format din trei regiuni cu tipuri alternative de conductivitate electrică și este potrivit pentru amplificarea puterii.

Tranzistoarele bipolare produse în prezent pot fi clasificate după următoarele criterii:

După material: germaniu și siliciu;

După tipul de conductivitate a zonelor: tipuri p-n-p și n-p-n;

După putere: scăzut (Pmax £ 0,3 W), mediu (Pmax £ 1,5 W) și putere mare(Rmax > 1,5W);

După frecvență: frecvență joasă, frecvență medie, frecvență înaltă și cuptor cu microunde.

În tranzistoarele bipolare, curentul este determinat de mișcarea purtătorilor de sarcină de două tipuri: electroni și găuri (sau majoritar și minoritar). De aici și numele lor - bipolar.

În prezent, doar tranzistoare cu planare joncțiune pn mi.

Structura unui tranzistor bipolar plan este prezentată schematic în Fig. 4.1.

Este o placă de germaniu sau siliciu în care sunt create trei regiuni cu conductivități electrice diferite. La tranzistor tip n-p-n regiunea din mijloc are conductivitate în găuri, iar regiunile cele mai exterioare au conductivitate electronică.

Tranzistoarele Pnp au zona de mijloc cu electronice, iar regiunile ultraperiferice cu conductivitate electrică orificii.

Regiunea de mijloc a tranzistorului se numește bază, o regiune extremă este emițătorul, iar cealaltă este colectorul. Astfel, tranzistorul are două joncțiuni p-n: emițătorul - între emițător și bază și colectorul - între bază și colector. Aria joncțiunii emițătorului este mai mică decât aria joncțiunii colectorului.

Emițătorul este regiunea tranzistorului al cărei scop este de a injecta purtători de sarcină în bază. Un colector este o regiune al cărei scop este extragerea purtătorilor de sarcină din bază. Baza este regiunea în care purtătorii de sarcină care nu sunt majoritari pentru această regiune sunt injectați de către emițător.

Concentrația purtătorilor principali de sarcină în emițător este de multe ori mai mare decât concentrația purtătorilor principali de sarcină din bază, iar concentrația lor în colector este ceva mai mică decât concentrația în emițător. Prin urmare, conductivitatea emițătorului este cu câteva ordine de mărime mai mare decât conductivitatea de bază, iar conductivitatea colectorului este ceva mai mică decât conductivitatea emițătorului.

Se trag concluzii de la bază, emițător și colector. În funcție de care dintre borne este comună pentru circuitele de intrare și de ieșire, există trei circuite pentru conectarea tranzistorului: cu o bază comună (CB), un emițător comun (CE) și un colector comun (CC).

Circuitul de intrare sau de control servește la controlul funcționării tranzistorului. În circuitul de ieșire, sau controlat, se obțin oscilații amplificate. Sursa de oscilații amplificate este inclusă în circuit de intrare, iar sarcina este pornită la ieșire.

Să luăm în considerare principiul de funcționare al unui tranzistor folosind exemplul unui tranzistor pnp conectat conform unui circuit cu o bază comună (Fig. 4.2).

Figura 4.2 – Principiul de funcționare al unui tranzistor bipolar (tip pnp)

Tensiunile externe ale două surse de alimentare EE și Ek sunt conectate la tranzistor astfel încât joncțiunea emițătorului P1 este polarizată în direcția înainte (tensiune directă), iar joncțiunea colectorului P2 este polarizată în direcția inversă (tensiune inversă) .

Dacă se aplică o tensiune inversă joncțiunii colectorului și circuitul emițătorului este deschis, atunci un mic curent inversat Iko (unități de microamperi) curge în circuitul colectorului. Acest curent apare sub influența tensiunii inverse și este creat de mișcarea direcțională a purtătorilor de sarcină minoritari, a găurilor de bază și a electronilor colector prin joncțiunea colectorului. Curentul invers circulă prin circuit: +Ek, colector de bază, -Ek. Magnitudinea curent invers tensiunea colectorului nu depinde de tensiunea colectorului, ci depinde de temperatura semiconductorului.

Când o tensiune constantă EE este conectată la circuitul emițătorului în direcția înainte, bariera de potențial a joncțiunii emițătorului scade. Începe injectarea găurilor în bază.

Tensiunea externă aplicată tranzistorului se dovedește a fi aplicată în principal tranzițiilor P1 și P2, deoarece au rezistență ridicatăîn comparație cu rezistența regiunilor de bază, emițător și colector. Prin urmare, găurile injectate în bază se deplasează prin aceasta prin difuzie. În acest caz, găurile se recombină cu electronii bazei. Deoarece concentrația purtătorului în bază este mult mai mică decât în ​​emițător, foarte puține găuri se recombină. Cu o grosime mică a bazei, aproape toate găurile vor ajunge la joncțiunea colectorului P2. În locul electronilor recombinați, electronii de la sursa de energie Ek intră în bază. Găurile care se recombină cu electronii din bază creează un curent de bază IB.

Sub influența tensiunii inverse Ek, bariera de potențial a joncțiunii colectorului crește, iar grosimea joncțiunii P2 crește. Dar bariera potențială a joncțiunii colectorului nu împiedică găurile să treacă prin ea. Găurile care intră în regiunea joncțiunii colectorului cad într-un câmp puternic de accelerație creat la joncțiune de tensiunea colectorului și sunt extrase (retrase) de colector, creând un curent de colector Ik. Curentul colectorului circulă prin circuit: +Ek, colector de bază, -Ek.

Astfel, în tranzistor circulă trei curenți: emițător, colector și curent de bază.

În fir, care este terminalul de bază, curenții emițătorului și colectorului sunt direcționați în direcții opuse. Prin urmare, curentul de bază este egal cu diferența dintre curenții emițătorului și colectorului: IB = IE - IK.

Procesele fizice dintr-un tranzistor n-p-n decurg în mod similar proceselor dintr-un tranzistor p-n-p.

Curentul total al emițătorului IE este determinat de numărul de purtători de sarcină principali injectați de emițător. Partea principală a acestor purtători de sarcină care ajung la colector creează un curent de colector Ik. O mică parte din purtătorii de sarcină injectați în bază se recombină în bază, creând un curent de bază IB. În consecință, curentul emițătorului va fi împărțit în curenți de bază și de colector, adică. IE = IB + Ik.

Curentul emițătorului este curentul de intrare, curentul colectorului este curentul de ieșire. Curentul de ieșire face parte din curentul de intrare, adică.

(4.1)

unde a este coeficientul de transfer de curent pentru circuitul OB;

Deoarece curentul de ieșire este mai mic decât curentul de intrare, coeficientul a<1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина a составляет 0,95¸0,995.

Într-un circuit emițător comun, curentul de ieșire este curentul colectorului, iar curentul de intrare este curentul de bază. Câștig de curent pentru circuitul OE:

(4.2) (4.3)

În consecință, câștigul de curent pentru circuitul OE este de zeci de unități.

Curentul de ieșire al tranzistorului depinde de curentul de intrare. Prin urmare, un tranzistor este un dispozitiv controlat de curent.

Modificările curentului emițătorului cauzate de modificările tensiunii joncțiunii emițătorului sunt complet transmise circuitului colectorului, provocând o modificare a curentului colectorului. Și pentru că Tensiunea sursei de alimentare a colectorului Ek este semnificativ mai mare decât cea a emițătorului Ee, atunci puterea consumată în circuitul colector Pk va fi semnificativ mai mare decât puterea în circuitul emițător Re. Astfel, este posibil să se controleze puterea mare în circuitul colector al tranzistorului cu putere scăzută cheltuită în circuitul emițător, adică are loc o creștere a puterii.

4.2 Circuite de conectare pentru tranzistoare bipolare

Tranzistorul este conectat la circuitul electric în așa fel încât unul dintre bornele sale (electrodul) să fie intrarea, al doilea este ieșirea, iar al treilea este comun circuitelor de intrare și ieșire. În funcție de electrodul comun, există trei circuite de comutare a tranzistorului: OB, OE și OK. Aceste circuite pentru un tranzistor pnp sunt prezentate în Fig. 4.3. Pentru un tranzistor n-p-n în circuitele de comutare, se modifică doar polaritatea tensiunilor și direcția curenților. Pentru orice circuit de comutare a tranzistorului (în modul activ), polaritatea surselor de alimentare trebuie selectată astfel încât joncțiunea emițătorului să fie pornită în direcția înainte, iar joncțiunea colectorului în direcția inversă.

Figura 4.3 – Circuite de conectare pentru tranzistoare bipolare: a) OB; b) OE; c) OK

4.3 Caracteristicile statice ale tranzistoarelor bipolare

Modul static de funcționare al tranzistorului este modul în care nu există sarcină în circuitul de ieșire.

Caracteristicile statice ale tranzistoarelor sunt dependențele exprimate grafic ale tensiunii și curentului circuitului de intrare (caracteristicile curent-tensiune de intrare) și ale circuitului de ieșire (caracteristicile curent-tensiune de ieșire). Tipul de caracteristici depinde de metoda de pornire a tranzistorului.

4.3.1 Caracteristicile unui tranzistor conectat conform circuitului OB

IE = f(UEB) cu UKB = const (Fig. 4.4, a).

IK = f(UKB) cu IE = const (Fig. 4.4, b).

Figura 4.4 – Caracteristicile statice ale unui tranzistor bipolar conectat conform circuitului OB

Caracteristicile curent-tensiune de ieșire au trei regiuni caracteristice: 1 – dependență puternică a lui Ik de UKB (regiune inițială neliniară); 2 – dependența slabă a lui Ik de UKB (regiune liniară); 3 – defectarea joncțiunii colectorului.

O caracteristică a caracteristicilor din regiunea 2 este creșterea ușoară a acestora odată cu creșterea tensiunii UCB.

4.3.2 Caracteristicile unui tranzistor conectat conform circuitului OE:

Caracteristica de intrare este dependența:

IB = f(UBE) cu UKE = const (Fig. 4.5, b).

Caracteristica de ieșire este dependența:

IK = f(UKE) cu IB = const (Fig. 4.5, a).

Figura 4.5 – Caracteristicile statice ale unui tranzistor bipolar conectat conform circuitului OE

Tranzistorul din circuitul OE asigură amplificarea curentului. Câștig de curent în circuitul OE:

Dacă coeficientul a pentru tranzistori este a = 0,9¸0,99, atunci coeficientul b = 9¸99. Acesta este cel mai important avantaj al comutării tranzistorului conform circuitului OE, care, în special, determină aplicarea practică mai largă a acestui circuit de comutare în comparație cu circuitul OB.

Din principiul de funcționare al tranzistorului, se știe că două componente de curent curg prin borna de bază în sens opus (Fig. 4.6): curentul invers al joncțiunii colectorului IKO și o parte din curentul emițătorului (1 - a) IE. În acest sens, valoarea zero a curentului de bază (IB = 0) este determinată de egalitatea componentelor curente specificate, adică. (1 − a)IE = IKO. Curentul de intrare zero corespunde curentului emițătorului IE=IKO/(1−a)=(1+b)IKO și curentului colectorului

. Cu alte cuvinte, la curent de bază zero (IB = 0), un curent trece prin tranzistorul din circuitul OE, numit curent inițial sau curent IKO(E) și egal cu (1+ b) IKO.

Figura 4.6 – Circuit de conectare pentru un tranzistor cu un emițător comun (circuit OE)

4.4 Parametrii de bază

Pentru a analiza și calcula circuite cu tranzistoare bipolare, se folosesc așa-numiții parametri h - ai tranzistorului conectat conform circuitului OE.

Starea electrică a unui tranzistor conectat conform circuitului OE este caracterizată de valorile IB, IBE, IK, UKE.

Sistemul de parametri h − include următoarele mărimi:

1. Impedanta de intrare

h11 = DU1/DI1 la U2 = const. (4,4)

reprezintă rezistența tranzistorului la curentul de intrare alternativ la care apare un scurtcircuit la ieșire, adică în absenţa tensiunii de ieşire AC.

2. Coeficient de feedback de tensiune:

h12 = DU1/DU2at I1= const. (4,5)

arată ce proporție din tensiunea AC de intrare este transferată la intrarea tranzistorului datorită feedback-ului din acesta.

3. Coeficient de forță de curent (coeficient de transfer de curent):

h21 = DI2/DI1at U2= const. (4,6)

arată amplificarea curentului alternativ de către tranzistor în regim fără sarcină.

4. Conductivitate de ieșire:

h22 = DI2/DU2 la I1 = const. (4,7)

reprezintă conductanţa pentru curent alternativ între bornele de ieşire ale tranzistorului.

Rezistența de ieșire Rout = 1/h22.

Pentru un circuit emițător comun, se aplică următoarele ecuații:

(4.8)

Pentru a preveni supraîncălzirea joncțiunii colectorului, este necesar ca puterea eliberată în aceasta în timpul trecerii curentului colectorului să nu depășească o anumită valoare maximă:

(4.9)

În plus, există limitări ale tensiunii colectorului:

și curent de colector:

4.5 Moduri de operare ale tranzistoarelor bipolare

Tranzistorul poate funcționa în trei moduri, în funcție de tensiunea la joncțiunile sale. Când funcționează în modul activ, tensiunea la joncțiunea emițătorului este directă, iar la joncțiunea colectorului este inversă.

Modul de întrerupere sau blocare este realizat prin aplicarea tensiunii inverse la ambele joncțiuni (ambele joncțiuni p-n sunt închise).

Dacă tensiunea la ambele joncțiuni este directă (ambele joncțiuni p-n sunt deschise), atunci tranzistorul funcționează în modul de saturație.

În modul cutoff și modul de saturație, nu există aproape niciun control al tranzistorului. În modul activ, un astfel de control este efectuat cel mai eficient, iar tranzistorul poate îndeplini funcțiile unui element activ al unui circuit electric (amplificare, generare etc.).

4.6 Domeniul de aplicare

Tranzistoarele bipolare sunt dispozitive semiconductoare pentru scopuri universale și sunt utilizate pe scară largă în diverse amplificatoare, generatoare, dispozitive de impuls și comutare.

4.7 Cea mai simplă etapă de amplificare folosind un tranzistor bipolar

Cel mai utilizat circuit este pentru pornirea unui tranzistor folosind un circuit cu un emițător comun (Fig. 4.7)

Elementele principale ale circuitului sunt sursa de alimentare Ek, elementul controlat - tranzistorul VT și rezistența Rk. Aceste elemente formează circuitul principal (de ieșire) al etapei amplificatorului, în care, datorită fluxului de curent controlat, se creează o tensiune alternativă amplificată la ieșirea circuitului.

Elementele rămase joacă un rol suport. Condensatorul Cp este un condensator de separare. În absența acestui condensator în circuitul sursei de semnal de intrare, un curent continuu ar fi creat de la sursa de alimentare Ek.

Figura 4.7 – Diagrama celui mai simplu etaj de amplificare pe un tranzistor bipolar conform unui circuit cu emițător comun

Rezistorul RB, conectat la circuitul de bază, asigură funcționarea tranzistorului în regim de repaus, adică. în absenţa unui semnal de intrare. Modul de repaus este asigurat de curentul de bază de repaus IB » Ek/RB.

Cu ajutorul rezistorului Rk se creează o tensiune de ieșire, adică. Rк îndeplinește funcția de a crea o tensiune variabilă în circuitul de ieșire datorită fluxului de curent în acesta, controlat prin circuitul de bază.

Pentru circuitul colector al etapei amplificatorului, putem scrie următoarea ecuație a stării electrice:

Ek = Uke + IkRk, (4,10)

adică suma căderii de tensiune pe rezistorul Rk și tensiunea colector-emițător Uke a tranzistorului este întotdeauna egală cu o valoare constantă - fem-ul sursei de alimentare Ek.

Procesul de amplificare se bazează pe conversia energiei unei surse de tensiune constantă Ek în energia unei tensiuni alternative în circuitul de ieșire prin modificarea rezistenței elementului controlat (tranzistor) conform legii specificate de semnalul de intrare.

Când o tensiune alternativă uin este aplicată la intrarea etajului amplificatorului, o componentă de curent alternativ IB~ este creată în circuitul de bază al tranzistorului, ceea ce înseamnă că curentul de bază se va schimba. O modificare a curentului de bază duce la o modificare a valorii curentului de colector (IK = bIB) și, prin urmare, la o modificare a valorilor tensiunii pe rezistența Rk și Uke. Abilitățile de amplificare se datorează faptului că modificarea valorilor curentului colectorului este de b ori mai mare decât curentul de bază.

4.8 Calculul circuitelor electrice cu tranzistoare bipolare

Pentru circuitul colector al etajului amplificator (Fig. 4.7), în conformitate cu cea de-a doua lege a lui Kirchhoff, ecuația (4.10) este valabilă.

Caracteristica volt-amper a rezistorului colector RK este liniară, iar caracteristicile volt-ampere ale tranzistorului sunt caracteristici neliniare ale colectorului tranzistorului (Fig. 4.5, a) conectate conform circuitului OE.

Calculul unui astfel de circuit neliniar, adică determinarea IK, URK și UKE pentru diferite valori ale curenților de bază IB și rezistența rezistenței RK, poate fi efectuat grafic. Pentru a face acest lucru, pe familia caracteristicilor colectorului (Fig. 4.5, a) este necesar să se deseneze din punctul EK pe axa absciselor caracteristica volt-amperi a rezistenței RK, satisfăcând ecuația:

Uke = Ek − RkIk. (4,11)

Această caracteristică este construită în două puncte:

Uke = Ek cu Ik = 0 pe abscisă și Ik = Ek/Rk cu Uke = 0 pe ordonată. Caracteristica I-V a rezistenței colectorului Rk astfel construită se numește linie de sarcină. Punctele în care se intersectează cu caracteristicile colectorului oferă o soluție grafică a ecuației (4.11) pentru o rezistență dată Rк și diferite valori ale curentului de bază IB. Din aceste puncte puteți determina curentul colectorului Ik, care este același pentru tranzistorul și rezistența Rk, precum și tensiunea UKE și URK.

Punctul de intersecție a liniei de sarcină cu una dintre caracteristicile statice curent-tensiune se numește punctul de funcționare al tranzistorului. Schimbând IB, îl puteți muta de-a lungul liniei de încărcare. Poziția inițială a acestui punct în absența unui semnal alternativ de intrare se numește punct de repaus - T0.

a) b)

Figura 4.8 – Calcul grafic-analitic al modului de funcționare al unui tranzistor utilizând caracteristicile de ieșire și intrare.

Punctul de repaus (punctul de operare) T0 determină ICP curent și tensiunea UCP în regim de repaus. Folosind aceste valori, puteți găsi puterea RKP eliberată în tranzistor în modul de repaus, care nu trebuie să depășească puterea maximă RK maximă, care este unul dintre parametrii tranzistorului:

RKP = IKP ×UKEP £ RK max. (4,12)

Cărțile de referință de obicei nu oferă o familie de caracteristici de intrare, ci doar caracteristici pentru UKE = 0 și pentru unele UKE > 0.

Caracteristicile de intrare pentru diferite UCE-uri care depășesc 1V sunt situate foarte aproape unele de altele. Prin urmare, calculul curenților și tensiunilor de intrare se poate face aproximativ folosind caracteristica de intrare pentru UCE > 0, preluată din cartea de referință.

Punctele A, To și B ale caracteristicii de funcționare a ieșirii sunt transferate la această curbă și se obțin punctele A1, T1 și B1 (Fig. 4.8, b). Punctul de operare T1 determină tensiune constantă bazele de date UBEP și curent constant Bazele IBP.

Rezistența rezistorului RB (asigură funcționarea tranzistorului în regim de repaus), prin care se va furniza o tensiune constantă de la sursa EK la bază:

(4.13)

În modul activ (amplificare), punctul de repaus al tranzistorului To este situat aproximativ în mijlocul secțiunii liniei de sarcină AB, iar punctul de operare nu se extinde dincolo de secțiunea AB.

Am analizat articolul astfel: parametru important tranzistorul ca coeficient beta (β) . Dar există un alt parametru interesant în tranzistor. În sine, este nesemnificativ, dar poate face o mulțime de afaceri! Este ca o pietricică care intră în adidașii unui atlet: pare mic, dar provoacă neplăceri atunci când aleargă.

Deci, de ce aceeași „pietrișă” interferează cu tranzistorul? Să aflăm...

După cum ne amintim, un tranzistor este format din trei semiconductori. Joncțiunea P-N, pe care o numim bază-emițător joncțiunea emițătorului, și tranziția, care este colector de bază - tranziție de colector.

Întrucât în ​​acest caz avem tranzistor NPN, ceea ce înseamnă că curentul va curge de la colector la emițător, cu condiția să deschidem baza, aplicându-i o tensiune mai mare de 0,6 Volți (bine, astfel încât tranzistorul să se deschidă).

Să ne distram să luăm un cuțit subțire și subțire și să tăiem emițătorul chiar de-a lungul joncțiunii P-N. Vom ajunge cu ceva de genul acesta:

Stop! Avem o diodă? El este acela. Amintiți-vă, în articolul Curent-Voltage Characteristic (CVC) ne-am uitat la CVC-ul diodei:

În partea dreaptă a caracteristicii curent-tensiune, vedem cum ramura graficului a zburat foarte brusc în sus. În acest caz, am aplicat o tensiune constantă diodei așa, adică conectarea directă a diodei.

Dioda a trecut curent electric prin ea însăși. Am efectuat chiar și experimente cu conexiunea directă și inversă a diodei. Cei care nu-și amintesc îl pot citi.

Dar dacă schimbi polaritatea

atunci dioda noastră nu va trece curent.Am fost întotdeauna învățați așa și există ceva adevăr în el, dar... lumea noastră nu este ideală).

În funcție de locația straturilor semiconductoare, tranzistoare sunt împărțite în două tipuri principale - tranzistoare NPN și tranzistoare PNP.

Electrozii unui tranzistor bipolar convențional sunt numiți bază, emițător și colector. Colectorul și emițătorul formează circuitul principal curent electricîn tranzistor, iar baza este menită să controleze cantitatea de curent din acest circuit.

Pe simbol tranzistor, săgeata terminalului emițătorului arată direcția curentului.

Cum funcționează un tranzistor?

Circuitul de bază al tranzistorului controlează curentul care curge în circuitul colector-emițător. Prin modificarea în limite mici a tensiunii joase furnizate bazei, este posibilă modificarea curentului din circuitul colector-emițător într-un interval destul de larg.

Circuit care arată principiul de funcționare al unui tranzistor

Să punem împreună o diagramă care să demonstreze clar funcţionarea tranzistorului
și principiul includerii sale. Vom avea nevoie de un tranzistor cu o structură NPN, de exemplu 2N3094, un rezistor variabil sau de reglare, un rezistor cu rezistență constantăși un bec pentru lanternă. Evaluările dispozitivelor electronice sunt indicate în diagramă.

Schimbarea rezistenței rezistor variabil R1, vom observa cum se modifică luminozitatea becului H1.

Rezistorul constant R2 din acest circuit joacă rolul unui limitator, protejând baza tranzistorului de prea mult curent care îi poate fi furnizat în momentul în care rezistența rezistorului variabil tinde spre zero. Un rezistor limitator previne defectarea tranzistorului.

Acum să încercăm să înlocuim lampa cu un motor electric de putere redusă. Prin rotirea axei rezistenței variabile, putem observa o schimbare lină a vitezei de rotație a motorului electric M1.

Tranzistorii sunt folosiți în circuitele robotului pentru amplificarea semnalelor de la senzori, pentru a controla motoarele; Tranzistoarele sunt baza aproape tuturor microcircuitelor moderne.

Tranzistoarele sunt împărțite în două subgrupe mari - bipolar și de câmp. Ele sunt utilizate în mod obișnuit pentru a amplifica, genera și converti semnale electrice În 1956, William Shockley, John Bardeen și Walter Brattain au primit premii pentru invenția lor a tranzistorului bipolar. Premiul Nobelîn fizică.

TRANZISTOARE BIPOLARE.

Tranzistor bipolar este un dispozitiv semiconductor cu două joncțiune p-n mi, având trei ieșiri. Funcționarea unui tranzistor bipolar se bazează pe utilizarea purtătorilor de sarcină a ambelor semne (găuri și electroni), iar curentul care circulă prin acesta este controlat folosind un curent de control.

Tranzistorul bipolar este cel mai comun dispozitiv semiconductor activ.

Dispozitiv cu tranzistor. Un tranzistor bipolar conține practic trei straturi de semiconductor (p-n-p sau n-p-n) și, în consecință, două joncțiuni p-n. Fiecare strat de semiconductor este conectat la un terminal extern printr-un contact metal-semiconductor neredresabil.

Stratul din mijloc și pinul corespunzător se numesc bază, unul dintre straturile cele mai exterioare și pinul corespunzător se numește emițător, iar celălalt strat exterior și pinul corespunzător se numesc colector.

Să oferim o imagine schematică, simplificată a structurii unui tranzistor de acest tip n-р-n(Fig. 1, a) și două opțiuni acceptabile pentru condițional denumire grafică(Fig. 1, b). Tip tranzistor p-n-p dispuse similar. În acest caz, „săgeata” emițătorului va fi îndreptată în direcția opusă - spre bază. Săgețile emițătorului arată direcția curenților prin tranzistor.

Orez. 1. Reprezentarea schematică a structurii tranzistorului

Se numește tranzistor bipolar, deoarece fluxul de curent electric implică purtători de energie electrică a două semne - electroni și găuri. Dar în diverse tipuriÎn tranzistoare, rolul electronilor și al găurilor este diferit.

Tranzistoarele de tip NPN sunt mai frecvente în comparație cu tranzistoarele de tip PNP, așa cum au de obicei cei mai buni parametri. Acest lucru se explică după cum urmează: rolul principal în procesele electrice în tranzistoarele n-p-n este jucat de electroni, iar în tranzistoare pnp- gauri. Electronii au o mobilitate de două până la trei ori mai mare decât găurile.

Este important de reținut că, în realitate, aria joncțiunii colectorului este mult mai mare decât aria joncțiunii emițătorului, deoarece o astfel de asimetrie îmbunătățește semnificativ proprietățile tranzistorului.

În acest articol vom încerca să descriem principiul de funcționare Cel mai comun tip de tranzistor este bipolar. Tranzistor bipolar este unul dintre principalele elemente active ale dispozitivelor radio-electronice. Scopul său este de a lucra pentru a amplifica puterea semnalului electric care ajunge la intrarea acestuia. Amplificarea puterii se realizează folosind o sursă de energie externă. Un tranzistor este o componentă radio-electronică cu trei terminale

Caracteristica de proiectare a unui tranzistor bipolar

Pentru a produce un tranzistor bipolar, aveți nevoie de un semiconductor de tip orificiu sau conductivitate electronică, care se obține prin difuzie sau aliere cu impurități acceptoare. Ca rezultat, regiunile cu tipuri polare de conductivitate se formează pe ambele părți ale bazei.

Tranzistoarele bipolare sunt de două tipuri bazate pe conductivitate: n-p-n și p-n-p. Regulile de funcționare care guvernează un tranzistor bipolar cu conductivitate n-p-n (pentru p-n-p este necesară modificarea polarității tensiunii aplicate):

1. Potențialul pozitiv asupra colectorului are valoare mai mareîn comparaţie cu emiţătorul.
2. Orice tranzistor are propriii parametri maximi admisibili Ib, Ik și Uke, depășirea cărora este în principiu inacceptabilă, deoarece acest lucru poate duce la distrugerea semiconductorului.
3. Terminalele de bază-emițător și de bază-colector funcționează ca diode. De regulă, dioda în direcția bază-emițător este deschisă, iar în direcția bază-colector este polarizată în direcția opusă, adică tensiunea de intrare interferează cu fluxul de curent electric prin ea.
4. Dacă pașii de la 1 la 3 sunt finalizați, atunci curentul Ik este direct proporțional cu curentul Ib și are forma: Ik = he21*Ib, unde he21 este câștigul de curent. Această regulă caracterizează calitatea principală a tranzistorului și anume că curentul de bază scăzut exercită control curent puternic colector

Pentru diferite tranzistoare bipolare din aceeași serie, indicatorul he21 poate varia în mod fundamental de la 50 la 250. Valoarea sa depinde și de curentul colector care curge, tensiunea dintre emițător și colector și de temperatura ambiantă.

Să studiem regula nr. 3. Rezultă de aici că tensiunea aplicată între emițător și bază nu trebuie crescută semnificativ, deoarece dacă tensiunea de bază este cu 0,6...0,8 V mai mare decât emițătorul (tensiunea directă a diodei), atunci un curent extrem de mare va apărea. Astfel, într-un tranzistor de lucru, tensiunile de la emițător și bază sunt interconectate după formula: Ub = Ue + 0,6V (Ub = Ue + Ube)

Să vă reamintim încă o dată că toate aceste puncte se aplică tranzistoarelor cu conductivitate n-p-n. Pentru tip p-n-p totul ar trebui inversat.

De asemenea, ar trebui să acordați atenție faptului că curentul colectorului nu are nicio legătură cu conductivitatea diodei, deoarece, de regulă, tensiunea inversă este furnizată diodei de bază a colectorului. În plus, curentul care trece prin colector depinde foarte puțin de potențialul de pe colector (această diodă este similară cu o sursă mică de curent)

Când tranzistorul este pornit în modul de amplificare, joncțiunea emițătorului este deschisă și joncțiunea colectorului este închisă. Acest lucru se realizează prin conectarea surselor de alimentare.

Deoarece joncțiunea emițătorului este deschisă, curentul emițătorului va trece prin ea, rezultat din tranziția găurilor de la bază la emițător, precum și a electronilor de la emițător la bază. Astfel, curentul emițătorului conține două componente - gaură și electron. Raportul de injecție determină eficiența emițătorului. Injecția de taxe este transferul purtătorilor de taxe din zona în care erau majoritari în zona în care devin minoritari.

În bază, electronii se recombină, iar concentrația lor în bază este completată din plusul sursei EE. Ca urmare a acestui fapt, în circuit electric de la bază va curge un curent destul de slab. Electronii rămași care nu au avut timp să se recombine în bază, sub influența acceleratoare a câmpului joncțiunii colectorului blocat, ca purtători minoritari, se vor muta în colector, creând un curent de colector. Transferul purtătorilor de sarcină din zona în care erau minoritari în zona în care devin majoritari se numește extragerea sarcinilor electrice.