Биполярный транзистор.

Биполярный транзистор - электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока - основной "большой" ток, и управляющий "маленький" ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

биполярный транзистор принцип работы

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

биполярный транзистор обозначение

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы - дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером VКЭ (VCE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

включение биполярного транзистора

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE - 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет "дотянуться" своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

включение биполярного транзистора база коллектор эмиттер

В итоге мы получаем два тока: маленький - от базы к эмиттеру IBE, и большой - от коллектора к эмиттеру ICE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы IB, сильно меняется ток коллектора IС. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = IC / IB

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

усилитель биполярный транзистор схема

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно - Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить - около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

ток базы биполярного транзистора формула

2. Расчет выходного тока коллектора IС

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).

ток коллектора биполярного транзистора формула

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи - это напряжение на коллекторе VC.

усилитель выходное напряжение

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

расчет выходного напряжения усилителя

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз - далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

схема усилителя на биполярном транзисторе

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

  • Режим отсечки (cut off mode).
  • Активный режим (active mode).
  • Режим насыщения (saturation mode).
  • Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V - 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора IС к току базы IB. Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β - величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий - в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается Rin (Rвх). Чем оно больше - тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

Rвх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость - проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление Rout = 0 (Rвых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:

Транзисторы. Общие сведения

Полевой транзистор с управляющим PN-переходом JFET

Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

КОММЕНТАРИИ:

Владимир
писал: 2012-09-16
Самый лучший сайт о транзисторах. Спасибо.
Selamer
писал: 2012-10-10
Очень доходчиво! Большое Спасибо
Фомич
писал: 2012-10-11
Моё замечание. В главе 1.Описание основных элементов цепи К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Вы взяли амплитуду от средней линии синусоиды, тогда по логике должно быть +0.1V и -0.1V веди в нашей сети амплитуда не 622V. Тогда в расчётах нужно указывать не 2.05V и 1.95V а 2.1V и 1.9V. Желаю Вам дальнейших успехов в освоении электроники.
Admin
писал: 2012-10-19
Спасибо за замечание. Имеется в виду пик-пик амплитуда (peak to peak amplitude). Надо будет поправить.
Rish
писал: 2012-10-21
Спасибо огромное за такую доходчивую, доступную и очень интересную информацию. Смог понять и подготовится более тщательней, правильней! Я доволен, надеюсь и преподаватель будет рад тому, что есть ещё ученик, готовые разбираться во всем! Ещё раз спасибо!
Ruzz
писал: 2012-10-24
Хм... пожалуй все хорошо и доходчиво написано за это Спасибо, но я думаю здесь не хватает еще схем включения и соответственно такого же к ним подробного описания (с общей базой, с общим эммитером и т.д.)
лена кондратьева
писал: 2012-10-25
все доходчиво и понятно, спасибо)
Вячеслав
писал: 2012-10-28
Для полного счастья не хватает описания схем включения(на мой взгляд-одна из сложных для понимания тем).Но за материал огромное спасибо:все доходчиво и понятно))
Николай
писал: 2012-10-31
Огромное спасибо за доходчивость. Надеюсь, что в скором будущем Вы подготовите другие темы по промышленной электронике, промышленной электронике.
tdjkgh
писал: 2012-11-25
ОТличный сайт!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!1
Саня
писал: 2012-12-08
Если я правильно понял, то VCC это выходное напряжение коллектора. Верно??
Admin
писал: 2012-12-26
VCC - напряжение источника питания. Между ним и выходным напряжением коллектора есть резистор Rc.
NorN
писал: 2013-01-09
Господи, наконец нашел сайт, на котором написано человеческим языком для людей и только потом математика. Огромное спасибо.
Александр
писал: 2013-01-21
Тся-ться неужели так сложно писать правильно? Сплошь с ошибками написано... Что делатЬ? => тЬся Что делает(ют) => тся
Админ
писал: 2013-01-22
Спасибо Александр. В тексте найдено и исправлено 2 ошибки этого рода.
7ace
писал: 2013-02-25
Большое спасибо!!
Рома
писал: 2013-03-11
Тот материал, что дает мне препод в вузе по электроники, не понятен. А этот сайт меня очень выручил в понимании транзисторов. Большое спасибо создатель этого материала!
Roman
писал: 2013-03-16
Добрый день. Я думаю, что в этой части текста: ...в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы - дырки. наверное опечатка. Всё же правильней было бы написать, что в полупроводнике р-типа, преобладает дырочная проводимость, основными носителями являются - дырки. А атомы индия, становятся ОТРИЦАТЕЛЬНО заряженными ионами. А вот в полупроводнике n-типа, преобладает электронная проводимость, основными носителями являются - электроны. А атомы сурьмы, мышьяка, становятся положительно заряженными ионами.
Сергей
писал: 2013-05-11
Добрый день! Извините профессор, но вот это «Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается Rin (Rвх). Чем оно больше - тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность», я вообще не понял. Если можно объясните подробнее. Все остальное очень понятно. Спасибо.
Ислам
писал: 2013-05-15
ч1ог1а товш сайт ма йу
Рустам
писал: 2013-05-16
Ахь нийс бох!))
Алина
писал: 2013-05-31
Спасибо за статью, очень содержательно и легко усваиваемо!
Данил
писал: 2013-06-12
Действительно, все очень доходчиво объяснено. Не возникает лишних вопросов, после понятия основ, можно начинать копать и поглубже.... Спасибо за ваш труд!
Юрий
писал: 2013-09-03
Хорошо и доходчиво изложено. Ещё бы узнать как влияет сопротивление нагрузки на входное сопротивление усилителя(если можно с объяснением).И сопротивление генератора на выходное сопротивление. Заранее спасибо.
игорь
писал: 2013-09-20
А как определить по входным и статическим характеристикам тип транзистора?pnp или npn?
игорь
писал: 2013-09-20
Для схемы с ОЭ
Николай
писал: 2013-12-18
Спасибо огромное!!!
Вячеслав
писал: 2013-12-28
По больше таких сайтов.Еще информацию по трансформаторам РЭА на Вашем сайте разместить, тогда вообще супер будет.
Дмитрий
писал: 2014-01-08
Идеально описано! Ни в одном учебнике не находил большей доходчивости. Спасибо!
Все правильно
писал: 2014-01-09
Вот почему в учебниках так понятно не пишут. Автору БОЛЬШОЕ спасибо.
AlexD
писал: 2014-01-17
Не нашел ответа на интересующий меня вопрос - как рассчитать минимальный усиливаемый ток? Мне нужно усилить порядка наноампера. Как подобрать транзисторы, какие характеристики нужно знать?
profash
писал: 2014-01-23
Большое спасибо автору(ам)! Все написано очень доходчиво и просто!
Гурий
писал: 2014-02-06
Спасибо.Все понятно когда написано на ПРОСТОМ РАЗГОВОРНОМ РУССКОМ ЯЗЫКЕ. Ура. Не забывайте Нас.
Николай
писал: 2014-03-31
Спасибо!!!
Евгений
писал: 2014-05-07
Спасибо за статью!
Баран
писал: 2014-05-21
Многа букф и ни хэра нэ поняв.
Александр
писал: 2014-05-21
для усиления наноампер лучше использовать микросхемы серии 544. (КР544УД1)
Александр
писал: 2014-05-29
Подскажите пожалуйста.Как расщитать R базы ограничения?И другие вспомогательные R.А так же делитель напряжения.Но применяю более мощные транзисторы на 1500 в.и током на 5 ампер.Значит базовый ток намного меньше,а так же и напряжение управлением базой.Вот какие формулы применить?Покажите пожалуйста на примерах.С уважением,спасибо.
Дмитрий
писал: 2014-05-31
Просто прекрасный сайт! Лучшего я нигде не видел, огромное спасибо, продолжайте в том же духе!
Тимур
писал: 2014-06-03
Афигенский сайт. Ваще изи подготовился к электронике!
Георгий
писал: 2014-06-25
"...напряжения подключенного к базе, сможет "дотянуться" своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе..." - что??? Как я понял тут пытались описать диффузионный биполярный транзистор. Электроны или дырки будут двигаться под действием ДИФФУЗИИ(тепловых сил, если угодно)и только в областях ОПЗ они будут дрейфовать по действием э.поля. Поле лишь понижает или повышает поле образованное контактной разностью потенциалов (сужает или понижает ОПЗ)Короче...расписывать все от начала до конца не хочется. Разочаровался.
Игорь
писал: 2014-07-28
Спасибо! Наконец-то разобрался.
Марат
писал: 2014-08-10
Спасибо, написано доходчиво, без углубления в физику процессов что по сути только запутает людей без определенных знаний.
Иля
писал: 2014-08-15
Написано,отлично!Пояснения ,отлично!Картинки Шикарно!Большое спасибо!
Александр
писал: 2014-09-04
Ошибка, написано в "Режимы работы биполярного транзистора" инверсный ражым.
Кама
писал: 2014-09-16
красаучики от души жи есть саул уцышки красиво мать его так
АрсланБек
писал: 2014-09-16
Отдуши написано есть жи, саул тем кто это выложил, приезжай кто там ко мне в деревню я барана заколю, похаваем шашлык.
Кама
писал: 2014-09-16
арсланчик ты сам с дага уцышка?
АрсланБек
писал: 2014-09-16
Да уцышка я с хасавюрта сам ежи, чё стало, с какой целью интирисуишься?
Кама
писал: 2014-09-16
уцышка ты на электрика учишся? один препод мне зачет не хочет ставить помоги по братски пресани его конкретно, чтобы он очканул!? Есть жи по братски помаги ато он мое лицо знает!
АрсланБек
писал: 2014-09-16
Да брат помогу еси чё по братски ежи, пацанов еси чё подтяну всё кынкретно сделаем, машинально ежи , куда припарковаться надо гавари да?
Кама
писал: 2014-09-17
Саул уцышка, универ ХУРГУ там препод ежи Анатолий Ильич его пресани да !
Кристина
писал: 2014-10-29
Спасибо огромное))) Все очень доступно объяснено))
Танго
писал: 2014-10-31
Вот только после этой статьи я наконец понял как работает транзистор. Пример с водяными струйками очень удачный. Еще бы понять - почему когда нагрузка в разрыве эмиттера, то напряжение остается прежним, а в разрыве коллектора - увеличивается.
В
писал: 2014-11-15
В схеме Схема простейшего усилителя, почему при закрытом транзисторе ( когда нет коллектор-эмиттер тока), ток от источника 20В не пойдет на Vout сразу?
Роман
писал: 2014-12-13
Присоединюсь к мнению остальных. Отличная статья. Самая понятная из всех мною прочитанных на эту тему. Спасибо, Автор.
Владимир
писал: 2014-12-22
Спасибо за статью. Амплитуду 0.1В я сперва тоже посчитал от средней линии, но благодаря комментам понял, что у вас 0.1В это размах между пиками.
Артём
писал: 2015-01-13
Замечательная статья!
Юрий
писал: 2015-02-23
Нечего добавить к выше высказанным комментариям. Большое спасибо за доходчивость и понятливость!. Если вы не педагог, то Вашем лице он пропадает.Большое спасибо!
вафа
писал: 2015-02-28
))
илья
писал: 2015-04-14
норм
илья
писал: 2015-04-14
норм

Добавить комментарий:

Ваше имя:
Ваш E-mail:
Ваш комментарий:
Введите сумму чисел с картинки (защита от роботов):