Устройство и принцип работы биполярного транзистора

Биполярные транзисторы

Транзисторы можно рассматривать как своего рода переключатели, такие же как и многие электронные компоненты, например, реле или вакуумные лампы. Транзисторы применяются в различных схемах, и редко какая схема обходится без них, даже сейчас, при широком использовании микросхем. Существует два основных вида биполярных транзисторов – n-p-n и p-n-p, они различаются по проводимости.

Два схожих по параметрам транзистора разных проводимостей называют комплементарной парой. Если в какой-нибудь схеме, например, в усилителе, заменить транзисторы одного вида на транзисторы другого вида со схожими параметрами (не забыв изменить при этом полярность питающих напряжений, электролитических конденсаторов и полупроводниковых диодов), то схема будет работать точно так же, за исключением СВЧ диапазона, поскольку n-p-n транзисторы являются более высокочастотными, чем p-n-p, и здесь возможно не удастся подобрать комплементарную пару.

Биполярный транзистор – трёхэлектродный полупроводниковый прибор, разновидность транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости.

Чаще всего в схемах применяют транзисторы структуры n-p-n. Это связано с тем, что в схемах эмиттеры транзисторов соединены с отрицательным источником питания.

Соответственно и общий провод схемы так же будет соединён с отрицательным выводом источника питания, что является общепринятым стандартом.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах, но все они имеют три вывода (у высокочастотных транзисторов иногда имеется и четвёртый вывод, соединённый с металлическим корпусом – экраном):

• База- это управляющий вывод;
• Коллектор- находится под положительным потенциалом (для n-p-n транзистора);
• Эмиттер- находится под отрицательным потенциалом (для n-p-n транзистора).

Конструкционная особенность биполярного транзистора

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

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

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

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

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

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

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

Устройство биполярного транзистора

Транзисторы — это довольно сложные устройства. Для лучшего понимания рассмотрим только наиболее простой тип радиоэлектронного компонента, с которыми радиолюбителям приходится сталкиваться чаще всего.

В устройство биполярного транзистора входит монокристалл, разделенный на три зоны, имеющие свой вывод:

	Б – база, очень тонкий внутренний слой.
	Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу.
	К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

Расшифруем все эти определения и более детально погрузимся в мир транзисторов, изготовленных из полупроводника кремния (Si):

Каждый атом кремния образует связи с четырьмя соседними атомами кремния. Кремний имеет 4 электрона в своей валентной оболочке. И каждый электрон становится общим с соседним атомом кремния. Рассмотренная связь называется ковалентной.

Чистый кремний характеризуется низкой электропроводностью. И чтобы кремний смог проводить электричество, электроны должны поглотить некоторое количество энергии и стать свободными электронами.

Легирование кремниевой пластины

Метод легирования применяется для улучшения электропроводности полупроводников. Например вводится пяти валентный фосфор (P) или сурьма (Sb) — один электрон окажется свободным и сможет перемещаться в системе. Данный метод называется легирование донорной примесью или примесью n типа. Если ввести трех валентный бор (B), образуется свободное место (дырка), которое может занять электрон. Соседний электрон может занять дырку в любой момент. Такое движение электронов может быть представлено в виде движения дыр в противоположном направлении. Это называется легированием акцепторной примесью или примесью p типа.

Выполнив легирование кремниевой пластины данными способами получается транзистор, у которого имеются следующие типы проводимости:

• n тип — носителями зарядов являются электроны.
• p тип — носителями зарядов являются положительно заряженные дыры.

Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p:

Разобравшись с легированием кремниевой пластины и определившись с типами проводимости, можно переходить к рассмотрению принципа работы транзистора.

Принцип работы транзистора

Чтобы понять, как работает транзистор, нужно разобраться в том, что происходит с электронами его базового элемента (диода). Диод образуется если легировать одну часть кремния примесью p типа, а другую примесью n типа. На границе этих частей будет происходить следующее:

Многочисленные электроны n стороны будут стремиться занять дырки, находящиеся на p стороне. При этом граница p стороны будет иметь небольшой отрицательный заряд, в то время как с n стороны заряд будет положительным.
Электрическое поле, образующееся в результате этого процесса будет препятствовать дальнейшему естественному перемещению электронов.
Если к диоду подключить определенным образом внешний источник энергии, то электроны и дырки будут к нему притягиваться, и в данном случае протекание тока не возможно.
Однако если поменять стороны подключения источника энергии, ситуация изменится.
Предположим источник энергии имеет напряжение достаточное для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Сразу можно заметить, что электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом. Когда электроны пересекают потенциальный барьер, они теряют энергию и легко занимают дырки в p области. Но из-за притяжения к положительному полюсу эти электроны теперь могут перемещаться к соседним дыркам в p области и двигаться по внешнему контуру. Данное явление называется прямым смещением диода.

Зная вышеописанный принцип работы, можно легко понять как работает транзистор. Ведь фактически транзистор — это два зеркально соединенных диода с очень тонким и слаболегированным p слоем. Поэтому, как бы не был подключен источник питания, один диод будет всегда обратно смещенным и будет препятствовать прохождению тока. Это означает, что транзистор находится в закрытом состоянии. Посмотрим как это выглядит на схеме:

Транзистор находится в закрытом состоянии

Подключим второй источник энергии (смотреть схему). Напряжение его должно быть достаточным, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Получаем обычный диод с прямым смещением, и большое количество электронов будет перемещаться из n области. Некоторые электроны займут свободные дырки и перемещаясь по соседним свободным дыркам будут двигаться к базе. Но электронов, перемещающихся в p область гораздо больше. И оставшиеся электроны будут притягиваться к положительному полюсу первого источника энергии и станут перемещаться далее.

Схема подключения второго источника энергии:

Принцип работы транзистора

Стоит обратить внимание на то, что p область транзистора очень узкая, и гарантирует отсутствие потока оставшихся электронов к положительному полюсу второго источника энергии. То есть слабый базовый ток усиливается к коллектору. Если увеличить базовый ток, то коллекторный ток увеличится пропорционально. Это простой пример усиления тока при помощи биполярного транзистора (β = Ic ⁄ Ib).

Материалы корпуса транзисторов

Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических (цилиндрической формы). Можно найти десятки разных типов транзисторных корпусов совершенно отличных форм и размеров.

Сам полупроводник, основа транзистора, имеет размер песчинки или даже меньший. К нему практически невозможно подпаять провода, поэтому кристалл помещают в более просторный корпус из металла или пластика.

Рассмотрев принцип работы транзистора, можно отметить что несмотря на довольно простое устройство, данный полупроводниковый компонент играет важную роль в схемотехнике.

Режим работы биполярных устройств

В зависимости от величины напряжения на выводах транзистора существует 4 режима его функционирования:

• отсечка — переходов дырки — электроды не происходит;
• активный режим — приведен в описании;
• насыщение — ток базы очень велик и ток коллектора будет иметь максимальное значение и абсолютно не зависеть от тока базы, соответственно усиления сигнала не будет;
• инверсия — использование устройства с обратными ролями эмиттера и коллектора.

Достоинства и недостатки биполярных транзисторов

К достоинствам биполярных транзисторов в сравнении с аналогами относятся:

• управление электрическими зарядами;
• надежность в работе;
• устойчивость к частотным помехам;
• малые шумовые характеристики;

К недостаткам можно отнести:

• обладает малым значением входного сопротивления, из-за которого ухудшаются характеристики по усилению сигналов;
• резкая чувствительность к статике зарядов;
• схема включения предполагает присутствие 2-х питаний;
• при высоких значениях температуры возможно повреждение транзистора.

Режимы работы

Транзистор биполярного типа может работать в 4 режимах:

1. Активный.
2. Отсечки (РО).
3. Насыщения (РН).
4. Барьерный (РБ).

Активный режим БТ бывает нормальным (НАР) и инверсным (ИАР).

Нормальный активный режим

При этом режиме на переходе Э-Б протекает U, которое является прямым и называется напряжением Э-Б (Uэ-б). Режим считается оптимальным и используется в большинстве схем. Переход Э осуществляет инжекцию зарядов в базовую область, которые перемещаются к коллектору. Последний ускоряет заряды, создавая эффект усиления.

Инверсный активный режим

В этом режиме переход К-Б открыт. БТ работает в обратном направлении, т. е. из К идет инжекция дырочных носителей заряда, проходящих через Б. Они собираются переходом Э. Свойства ПП к усилению слабые, и редко БТ применяются в этом режиме.

Режим насыщения

При РН оба перехода открыты. При подключении Э-Б и К-Б к внешним источникам в прямом направлении БТ будет работать в РН. Диффузионное электромагнитное поле Э и К переходов ослабляется электрическим полем, которое создается внешними источниками. В результате этого произойдет уменьшение барьерной способности и ограничение диффузной способности основных носителей заряда. Начнется инжекция дырок из Э и К в Б. Этот режим применяется в основном в аналоговой технике, однако в некоторых случаях возможны исключения.

Режим отсечки

При этом режиме БТ закрывается полностью и не способен проводить ток. Однако в БТ присутствуют незначительные потоки неосновных носителей зарядов, создающих тепловые токи с малыми значениями. Применяется этот режим в различных видах защиты от перегрузок и коротких замыканий.

Барьерный режим

База БТ соединяется через резистор с К. В цепь К или Э включается резистор, который задает величину тока (I) через БТ. БР часто применяется в схемах, т. к. позволяет работать БТ на любой частоте и в большем диапазоне температур.

Схемы включения биполярных транзисторов

В зависимости от контакта, на который подается источник питания, различают 3 схемы включения приборов.

С общим эмиттером

Эта схема включения биполярных транзисторов обеспечивает наибольшее увеличение вольтамперных характеристик (ВАХ), поэтому является самой востребованной. Минус такого варианта – ухудшение усилительных свойств прибора при повышении частоты и температуры. Это означает, что для высокочастотных транзисторов рекомендуется подобрать другую схему.

С общей базой

Применяется для работы на высоких частотах. Уровень шумов снижен, усиление не очень велико. Каскады приборов, собранные по такой схеме, востребованы в антенных усилителях. Недостаток варианта – необходимость в двух источниках питания.

С общим коллектором

Для такого варианта характерна передача входного сигнала обратно на вход, что существенно уменьшает его уровень. Коэффициент усиления по току – высокий, по напряжению – небольшой, что является минусом этого способа. Схема приемлема для каскадов приборов в случаях, если источник входного сигнала обладает высоким входным сопротивлением.

Принцип работы биполярного транзистора

А сейчас мы попробуем разобраться как работает транзистор. Я не буду вдаваться в подробности внутреннего устройства транзисторов так как эта информация только запутывает. Лучше взгляните на этот рисунок.

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы  транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h21Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате  ток базы  отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора.  В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи.  Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы  эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Т.е. I=U/R

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи  того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате  мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается -лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе  может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти

Чтобы такого эффекта не происходило делают следующее. Между базой и эмиттером подключают еще один резистор  Rбэ. Этот резистор выбирают номиналом как минимум в 10 раз больше базового резистора Rб (В нашем случае  мы взяли резистор 4,3кОм).

Когда база подключена к какому-либо напряжению, то транзистор работает как надо, резистор Rбэ ему не мешает. На этот резистор расходуется лишь малая часть базового тока.

В случае, когда напряжение к базе не приложено, происходит подтяжка базы к потенциалу земли, что избавляет нас от всяческих наводок.

Вот в принципе мы разобрались с работой транзистора в ключевом режиме, причем как вы могли убедиться ключевой режим работы это своего рода усиление сигнала по напряжению. Ведь мы с помощью малого напряжения в 5В управляли напряжением в 12 В.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

Отличительной чертой схемы с общим коллектором от схемы с общим эмиттером (вариант с транзисторным ключем) является то, что эта схема не усиливает сигнал по напряжению. Что вошло через базу, то и вышло через эмиттер, с тем же самым напряжением.

Действительно допустим приложили к базе мы 10 вольт, при этом мы знаем что на переходе база-эмиттер высаживается где-то 0,6-0,7В. Выходит что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rн) будет напряжение базы минус 0,6В.

Получилось 9,4В, одним словом почти сколько вошло столько и вышло. Убедились, что по напряжению эта схема нам сигнал не увеличит.

«В чем же смысл тогда таком включении транзистора?»- спросите вы. А вот оказывается эта схема обладает другим очень важным свойством.  Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал по мощности. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока! Ток в нагрузке складывается из тока базы плюс ток коллектора. Но если сравнивать ток базы и ток коллектора то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Получается ток нагрузки равен току коллектора.  И в результате получилась вот такая формула.

Теперь я думаю понятно в чем суть  схемы эмиттерного повторителя, только это еще не все.

Эмиттерный повторитель обладает еще одним очень ценным качеством — высоким входным сопротивлением. Это означает, что эта транзисторная схема почти не потребляет ток входного сигнала и не создает нагрузки для схемы -источника сигнала.

Для понимания принципа работы транзистора этих двух транзисторных схем будет вполне достаточно. А если вы еще поэкспериментируете с паяльником в руках то прозрение просто не заставит себя ждать, ведь теория теорией а практика и личный опыт ценнее в сотни раз!

5 технических нюансов работы биполярных транзисторов, которые важно учитывать при проектировании и эксплуатации электронных ключей или регуляторов

Особенность №1

Электрические характеристики БТ описываются сложными формулами. Ими очень неудобно пользоваться на практике. Поэтому электронщики работают с графиками, выражающими связи между входными и выходными параметрами.

Их разделяют на два вида:

1. статические, определяющие возможности полупроводниковых переходов по токам и напряжениям на входе и выходе при отсутствии нагрузки (режим холостого хода);
2. выходные — зависимость тока через коллектор от приложенного выходного напряжения при конкретном токе через базу.

Каждому БТ присущи свои индивидуальные характеристики. Однако сейчас подобных полупроводников выпущено так много, что практически любому из них не сложно подобрать аналогичную замену даже от другого производителя.

Для работы транзисторов может быть использован один из следующих режимов:

• активный (нормальный или инверсный);
• насыщения;
• отсечки;
• барьерный.

Особенность №2

Любой БТ, созданный с корпусом p-n-p или n-p-n работает практически по одним и тем же алгоритмам, которые отличаются только направлением протекания положительного тока через полупроводниковые переходы.

Поэтому для прямых и обратных транзисторов создаются индивидуальные схемы управления и подключения нагрузки к выходным цепям.

В качестве примера приведу еще одну схему простого зарядного устройства, собранную на транзисторном модуле с p-n-p переходами. Можете ее сравнить с предыдущим вариантом. Увидите практически одинаковую конструкцию, но с обратным направлением тока.

Здесь деталей еще меньше, а регулирование выходных величин осуществляется за счет изменения значения напряжения, подаваемого на вход электронного модуля. Используется обыкновенный потенциометр.

Особенность №3

При открытом состоянии входной полупроводниковый переход в режим отсечки БТ имеет небольшое падение напряжения. В частном случае он составляет порядка 0,7 вольта. Чтобы зафиксировать ваше внимание на этом вопросе специально нарисовал картинку — считается, что так лучше работает человеческая память.

Другими словами: потенциал на базе на 0,7 вольта меньше, чем на эмиттере. Для кремниевых изделий он всегда составляет 0,6-0,7 В.

Особенность №4

Ток коллектора БТ определяется как ток базы, умноженный на определенно большое число постоянной величины.

Это свойство используется для классификации транзисторов по коэффициенту передачи тока при коротком замыкании на выходе.

С этой целью введен коэффициент h21. Его суть демонстрирует следующая картинка.

Если выдержать показанные номиналы у приведенной схемы проверки (10 вольт у источника ЭДС и 100 килоом у сопротивления), то показания амперметра в миллиамперах просто умножаем на число 10. Получим значение коэффициента h21.

Подобные алгоритмы заложены в цифровые мультиметры и аналоговые тестеры, которые позволяют измерять коэффициент h21 при проверках БТ.

Особенность №5

При открытом состоянии потенциал внутреннего полупроводникового перехода БТ коллектора выше, чем у эмиттера. В моем частном случае он составляет 0,3 вольта.

Здесь открытый транзистор работает как обычный ключ, но он не идеален. На его внутренней схеме присутствует падение напряжения в 0,3 вольта. Однако в большинстве случаев это не критично.

Допустим, что в коллекторной цепи появилось дополнительное сопротивление. Изменение тока через этот резистор повлечет падение напряжения на нем.

Однако более высокий потенциал коллектора совместно с увеличенным током через базу могут стабилизировать выходные характеристики. В этом случае силовые токи сохраняют свое значение.

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.

Как проверить биполярный транзистор: 2 доступные методики

Для подборки транзисторов с одинаковыми коэффициентами h21 существуют специальные пробники. Сейчас ими снабжаются обычные цифровые мультиметры. Во времена моей молодости они монтировались только на дорогих аналоговых тестерах.

Существует две методики оценки исправности транзисторов:

1. с помощью мультиметра или тестера по замеру сопротивлений между всеми выводами (самый распространенный и доступный способ);
2. посредством вычисления коэффициента h21 встроенным пробником.

Как проверить биполярный транзистор мультиметром или тестером: подробная инструкция с фотографиями

Если вернуться к конструкции полупроводниковых переходов, то можно сразу заметить, что наш транзистор вполне допустимо представить двумя диодами, подключенными одноименными полюсами (p или n) со своими выводами. Общая точка у них будет работать базой.

Теперь вспомним как проверяется диод: через него пропускают электрический ток в оба направления, а по его прохождению оценивают внутреннее сопротивление перехода. Если оно укладывается в норматив, то полупроводник исправен. Иная картина — брак.

Этот же принцип заложен в проверку БТ. Просто через каждую пару контактов надо пропустить ток в обе стороны, а по его изменению судить об исправности проверяемого элемента.

Для проверки нам потребуется:

1. уточнить возможности своего мультиметра или тестера;
2. воспользоваться справочными данными, приведенной чуть ниже;
3. выполнить измерения.

Что надо учитывать в своем измерительном приборе

Мой старенький тестер Ц4324 имеет обозначения на своей шкале, на которые необходимо обратить внимание.

Мы будем работать на шкале kΩ. Рядом с гнездом для подключения измерительного провода стоит значок —kΩ., указывающий на потенциал минуса этого контактного гнезда. Плюс находится на противоположной левой стороне.

Эти сведения помогут нам определиться с направлением тока, который будет протекать через полупроводниковые переходы.

В роли вольтметра постоянного тока у него «плюс» находится на этой же правой клемме. Зная это, проверяю полярность мультиметра, переключив его в режим измерения Ω или прозвонки, а тестер — вольт.

На показанном фото тестер замерил напряжение мультиметра, а последний — сопротивление вольтметра. Но нас сейчас интересует другая информация:

1. плюсовой вывод мультиметра находится на его красном щупе;
2. минусовой — черный.

Справочные данные — кратко

Сразу замечу, что приведенные здесь параметры ориентировочные. Однако они позволяют оценивать работоспособность полупроводниковых переходов.

Исправный БТ в цепи база-коллектор и база-эмиттер в одну сторону (зависит от прямой или обратной проводимости) обладает сопротивлением на пределах омов, например, 50-1200.

В противоположном направлении ток не пропускается. Прибор покажет бесконечность: ∞ (у меня отображается как 0.L, на отдельных мультиметрах — знак 1).

При измерениях учитываем:

1. плюсовой щуп ставится на вывод, соответствующий входу тока, а минусовой — выходу;
2. значок ∞ обозначает, что на указанном пределе измерения мультиметр не смог определить сопротивление: оно больше (вполне возможен обрыв цепи);
3. полученный результат около 0 Ом при замерах током через базу означает пробой перехода;
4. величина сопротивления между коллектором и эмиттером оценивается значком ∞.

Как выполнить измерения

Работать можно тестером или мультиметром. Разницы практически особой нет. Я буду все показывать на примере своего карманного Mestek MT-102. Просто на стареньком Ц4324 мне сложнее все объяснять, а вам — разбираться.

Если у вас другой прибор и имеются затруднения с его освоением, то у меня есть статья, где обобщены и подробно изложены принципы замеров любыми цифровыми мультиметрами. Можете заходить и пользоваться.

Я знаю, что у мощных транзисторов в металлических корпусах коллектор всегда соединен с металлом корпуса.

Перевел мультиметр в режим прозвонки (можно омметра), один конец закрепил крокодилом на корпусе, а вторым щупом нашел соответствующий вывод. Замер показывает ноль.

Чтобы вам было удобнее отслеживать мои действия по фотографиям обозначил вывода чисто случайным образом:

1. на один штырек надел короткий отрезок кембрика;
2. на второй — длинный;
3. третий оставил голым (коллектор).

Я проверял силовой транзистор П213А с толстыми контактами. На них просто удобно садить крокодилы, делать фотографии. Работа с маленьким изделиями и тонкими ножками выполняется аналогично. Только щупы придется оголить и не допускать создания излишних контактов.

Маркировка П213А четко обозначена на корпусе. Она позволяет заглянуть в справочник, определить по картинке в нем вывода, узнать технические характеристики, включая проводимость: прямую или обратную.

На практике часто это не выполняется: маркировка не читаема, изделие «no name». Вот этой сложной методики я и буду придерживаться, как приходится поступать чаще всего.

Выбираю один из контактов (не помеченный кембриком) и ставлю на него щуп, например, красный. На второй произвольный (длинный кембрик) подключаю черный конец. Записываю показание —196 Ом.

Переношу черный конец на вывод с коротким кембриком. Вижу очень большое сопротивление.

Меняю концы местами: на голый вывод сажу черный щуп, а на длинный — красный. Вижу высокое сопротивление.

Переношу красный конец на вывод с коротким кембриком. Замеряю 72 Ома.

Осталось два замера. Красный щуп оставляю на прежнем месте, а черный подключаю на вывод с длинным кембриком. Результат — 198 Ом.

Меняю концы местами. Голый вывод не задействован. Наблюдаю очень большое сопротивление.

Теперь остается проанализировать полученные результаты.

Мы знаем, что вывод базы является общим для обоих составных диодов. На него должны прозваниваться с величиной омов оба перехода. Это замеры №:

• 1 (плюс или красный щуп на голом выводе, минус — на длинном кембрике);
• 4 (минус на голом выводе, плюс — на коротком кембрике);
• 5 (минус на длинном, плюс на коротком).

Замечаю, что общий вывод для двух замеров (1 и 5) из трех помечен длинным кембриком. На него с двух сторон проходит ток. Значит это база.

Два остальных вывода: эмиттер и коллектор. Надо их как-то различить. Методика здесь следующая: сопротивление коллектор-база всегда меньше, чем эмиттер-база. (Коллекторный ток неизбежно самый большой). Сравниваем 196 Ом в первом случае и 198 в пятом.

Получаем, что коллектор у нас ничем не помечен, что и подтвердила фотография его прозвонки на корпус. Оставшийся вывод с коротким кембриком — эмиттер.

Обращаем внимание на направление токов на базу. Они идут снаружи вовнутрь переходов (направление прямое: структура p-n-p). В обратную сторону токи не проходят: полупроводники целые.

Теперь важное замечание: маломощные транзисторы имеют очень высокое сопротивление между эмиттером и коллектором при замерах током в обе стороны.

У мощных же моделей БТ между этими выводами в одну сторону (зависит от проводимости) замеряются какие-то Омы, что мы и имеем на картинке №4.

А теперь показываю характеристики проверяемого П213А, взятые из интернет-магазина. Они помогут вам оценить результаты моей проверки.

Учтите, что эта методика позволяет определять исправность транзисторов прямо на монтажной плате без их выпаивания. Просто бывают случаи, когда полупроводниковые переходы зашунтированы низкоомными резисторами.

Они будут прозваниваться в обе стороны с низким сопротивлением. Тогда БТ придется демонтировать. Но обычно их не выпаивают: зачем лишние телодвижения.

Работайте внимательно и аккуратно. Нельзя касаться пальцами металлической части щупов. Это изменит результат замера, приведет к ошибке.

Как замерить коэффициент h21 у биполярного транзистора

Очень давно я делал небольшую коробочку с батарейкой, амперметром, набором сопротивлений, переключателем и клеммами для подключения полупроводников. После небольших манипуляций на этом устройстве замеренные токи коллекторной цепи и базы пересчитывались по формуле. Так определялся коэффициент h21.

Сейчас такие действия считаются мазохизмом. У большинства современных мультиметров, даже бюджетного класса, имеется встроенная функция для этого замера.

Пользователю достаточно выставить переключатель прибора в положение hFE, а в контактное гнездо подключить испытуемый БТ с учетом проводимости и обозначенных выводов.

Прибор автоматически отработает, покажет вычисленный им коэффициент h21.

И вот что самое интересное: даже в таком простом замере новички допускают ошибки, ибо:

1. путают местами выводные контакты или проводимость;
2. создают неплотное прилегание выводов в гнездах мультиметра.

Второе происходит чаще. Дело в том, все БТ выпускаются с разными толщинами контактных ножек. Надо просто подобрать диаметр проволочки под отверстие гнезда, чтобы она плотно входила в него.

Нарезать из нее несколько отрезков, подбирая удобную длину. Затем они просто напаиваются на ножки для проведения замера, как показано на фото выше.

Предлагаю посмотреть коротенькое видео, посвященное описанию работы с биполярными транзисторами.

Вот в принципе и все, что я хотел рассказать про биполярный транзистор, что такое его полупроводниковые переходы, как они работают и проверяются. Если у вас еще остались какие-то вопросы, то задавайте их в комментариях.

Физические процессы

Возьмем транзистор типа n-p-n в режиме без нагрузки, когда подключены только два источника постоянных питающих напряжений E1 и E2. На эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном – обратное. Соответственно, сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока достаточно напряжения E1 в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и напряжение E2 составляет обычно десятки вольт.

Соответственно, как и раньше, темные маленькие кружки со стрелками – электроны, красные – дырки, большие кружки – положительно и отрицательно заряженные атомы доноров и акцепторов. Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе, а вольт-амперная характеристика коллекторного перехода подобна ВАХ диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в следующем. Прямое напряжение эмиттерного перехода uб-э влияет на токи эмиттера и коллектора и чем оно выше, тем эти токи больше. Изменения тока коллектора при этом лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Получается, что напряжение на переходе база-эмиттер, т. е. входное напряжение, управляет током коллектора. На этом явлении основано усиление электрических колебаний с помощью транзистора. Основные биполярные транзисторы приведены в таблице ниже.

Таблица характеристик биполярных транзисторов.

При увеличении прямого входного напряжения uб-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и, соответственно, возрастает ток через этот переход iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора.Поскольку коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды (на рисунке большие кружки). Между ними возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Схема работы и устройства биполярного транзистора.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате этого возникает ток базы.

Ток база является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Именно поэтому базовую область делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать с дырками и, повторюсь, ток базы будет незначительным.

Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, можно считать, что в этом переходе тока нет. Тогда область коллекторного перехода имеет значительное сопротивление постоянному току, поскольку основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей.

Если же под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, то в базу со стороны эмиттера инжектируются электроны, для данной области являющиеся неосновными носителями. Они доходят до коллекторного перехода не успевая рекомбинировать с дырками при прохождении через базу.

Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллектору, тем меньше становится его сопротивление, следовательно, ток коллектора увеличивается. Аналогичные явления происходят в транзисторе типа p-n-p, надо только местами поменять электроны и дырки, а также полярность источников E1 и E2.

Как устроен транзистор.

Помимо рассмотренных процессов существует еще ряд явлений. Рассмотрим модуляцию толщины базы.При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение заряда, обусловленное в основном ударной ионизацией.

Это явление и туннельный эффект могут вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой. Все происходит также, как у диодов, но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе тепловой пробой может наступить без предварительного электрического пробоя.

Тепловой пробой может наступить без повышения коллекторного напряжения до пробивного. При изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах изменяется их толщина, в результате чего изменяется толщина базы.

Особенно важно учитывать напряжение коллектор-база, поскольку при этом толщина коллектора возрастает, толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может возникнуть эффект смыкания (так называемый “прокол” базы) – соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т. е. увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. А вот при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда этих самых носителей в базе и сей процесс обозвали рассасыванием неосновных носителей зарядов в базе.

И напоследок одно правило: при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не включено питание цепи коллектора. Надо также включать питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Схема устройства транзистора.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, состоящий из трех чередующихся областей полупроводника с различным типом проводимости (р-п-р или п-р-п) с выводом от каждой области. Рассмотрим работу транзистора n-р-n-типа. Чередующиеся области образуют два р-п-перехода база–эмиттер (БЭ) и база–коллектор (БК).

К переходу БЭ прикладывают прямое напряжение EБЭ, под действием которого электроны n-области эмиттера устремляются в базу, создавая ток эмиттера. Концентрацию примесей в эмиттере делают во много раз больше, чем в базе, а саму базу по возможности тоньше. Поэтому лишь незначительная часть (1–5%) испущенных эмиттером электронов рекомбинирует с дырками базы.

Большая же часть электронов, миновав узкую (доли микрона) область базы, “собирается” коллекторным напряжением Ек, представляющим обратное напряжение для перехода БК, и, устремляясь к плюсу внешнего источника Eк, создает коллекторный ток, протекающий по нагрузке Rн. Электроны, рекомбинировавшие с дырками базы, составляют ток базы IБ.

Ток коллектора, таким образом, определяется током эмиттера за вычетом тока базы. Аналогично работает транзистор р-n-р-типа, отличаясь лишь тем, что его эмиттер испускает в базу не электроны, а дырки, поэтому полярности прикладываемых к нему прямого UЭБ и обратного Ек напряжений должны быть противоположны транзистору п-р-п-типа.

На условном обозначении транзисторов стрелка ставится на эмиттере и направлена всегда от р-области к n-области. На рис. 1.8, б приведено условное обозначение транзистора п-р-п, а на рис. 1.9, б – р-п-р. Кружок вокруг транзистора означает, что транзистор изготовлен в самостоятельном корпусе, а отсутствие кружка – что транзистор выполнен заодно с другими элементами на пластинке полупроводника интегральной микросхемы.

Стрелку эмиттера удобно рассматривать как указатель полярности прямого напряжения, приложенного между базой и эмиттером, которое “открывает” (подобно выпрямительному диоду) транзистор. При использовании транзистора в электронных устройствах нужны два вывода для входного сигнала и два – для выходного.

Так как у транзистора всего лишь три вывода, один из них должен быть общим, принадлежащим одновременно и к входной, и к выходной цепи. Возможны три варианта схем включения транзисторов – с общей базой, общим эмиттером и с общим коллектором.

Переход в биполярном транзисторе.

Схема с общей базой

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) показана на рис. 1.10. Входным сигналом для схемы с ОБ является напряжение, поданное между эмиттером и базой UBX = = UЭБ; выходным – напряжение, выделяемое на нагрузке Uвых = IкRн; входным током – ток эмиттера Iвх = IЭ; выходным током – ток коллектора Iвых = Iк.

Входное напряжение UЭБ является управляющим для транзистора, поэтому небольшое его изменение (па доли вольт) приводит к изменению тока эмиттера в очень широких пределах – практически от нуля до максимального. Максимальный ток определяется назначением транзистора (маломощные, средней мощности и большой мощности) и соответствующей конструкцией.

Так как напряжение UΚБ является обратным, величина напряжения внешнего источника Ек может в десятки раз превышать значение напряжения UЭБ. Падение напряжения, выделяемого на нагрузке, будет тем больше, чем больше ток коллектора, при этом на самом транзисторе будет падать лишь небольшое напряжение UКБ, которое будет тем меньше, чем больше ток коллектора.

Таким образом, изменение на доли вольт входного напряжения приводит к изменению напряжения на нагрузке, чуть меньшего, чем напряжение Ек. Это положение определяет усилительные свойства транзистора.

Для оценки работы транзистора и его усилительных свойств в различных схемах включения рассматривают приращения входных и вызванные ими приращения выходных величин. Рассматривая транзистор как усилитель, принято характеризовать его свойства коэффициентами усиления и значением входного сопротивления. Различают три вида коэффициентов усиления:

• • коэффициент усиления по току КI = ΔIвых /ΔIвх;
• • коэффициент усиления по напряжению КU = ΔUвых/ΔUвх;
• • коэффициент усиления по мощности КР = КI • КU.

Отношение изменения входного напряжения к изменению входного тока: Rвх = ΔUвх/ΔIвх. Входное сопротивление любого усилителя приводит к искажению входного сигнала. Любой реальный источник сигнала обладает некоторым внутренним сопротивлением, и при подключении его к усилителю образуется делитель напряжения, состоящий из внутреннего сопротивления источника и входного сопротивления усилителя.

Поэтому чем выше входное сопротивление усилителя, тем большая часть сигнала будет выделяться на этом сопротивлении и усиливаться и тем меньшая его часть будет падать на внутреннем сопротивлении самого источника. Таким образом, КРБ тоже определяется соотношением сопротивлений. Так как коэффициент усиления схемы с ОБ по току КIБ оказывается меньше единицы, она применения не нашла.

Размеры биполярного транзистора.

Проверка

Самый простой способ измерить h21e мощных биполярных транзисторов – это прозвонить их мультиметром. Для открытия полупроводникового триода p-n-p подается отрицательное напряжение на базу. Для этого мультиметр переводится в режим омметра на -2000 Ом. Норма для колебания сопротивления от 500 до 1200 Ом.

Чтобы проверить другие участки, нужно на базу подать плюсовое сопротивление. При этой проверке индикатор должен показать большее сопротивление, в противном случае, триод неисправен.

Иногда выходные сигналы перебиваются резисторами, которые устанавливают для снижения сопротивления, но сейчас такая технология шунтирования редко используется. Для проверки характеристики сопротивления импульсных транзисторов n-p-n нужно подключать к базе плюс, а к выводам эммитера и коллектора — минус.

Технические характеристики и маркировка

Главными параметрами, по которым подбираются эти полупроводниковые элементы, является цоколевка и цветовая маркировка.

Фото — цоколевка маломощных биполярных триодов
Фото — цоколевка силовых

Также используется цветовая маркировка.

Фото — примеры цветовой маркировки
Фото — таблица цветов

Многие отечественные современные транзисторы также обозначаются буквенным шифром, в который включается информация о группе (полевые, биполярные), типе (кремниевые и т. д.,) годе и месяце выпуска.

Фото — расшифровка

Основные свойства (параметры) триодов:

1. Коэффициент усиления по напряжению тока;
2. Входящее напряжение;
3. Составные частотные характеристики.

Для их выбора еще используются статические характеристики, которые включают сравнение входных и выходных ВАХ.

Необходимые параметры можно вычислить, если произвести расчет по основным характеристикам (распределение токов каскада, расчет ключевого режима). Коллекторный ток: Ik=(Ucc-Uкэнас)/Rн

• Ucc – напряжение сети;
• Uкэнас – насыщение;
• Rн – сопротивление сети.

Потери мощности при работе:

P=Ik*Uкэнас

Купить биполярные транзисторы SMD, IGBT и другие можно в любом электротехническом магазине. Их цена варьируется от нескольких центов до десятка долларов, в зависимости от назначения и характеристик.

Какие параметры учитывают при выборе биполярного транзистора?

• Материал, из которого он изготовлен, – арсенид галлия или кремний.
• Частоту. Она может быть – сверхвысокая (более 300 МГц), высокая (30-300 МГц), средняя – (3-30 МГц), низкая (менее 3 МГц).
• Максимальную рассеиваемую мощность.