Транзисторы виды и характеристики

Транзисторы — полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Наиболее распространены так называемые биполярные транзисторы.

Их основа — пластинка монокристаллического полупроводника (чаще всего кремния или германия), в которой с помощью особых технологических приемов созданы, как минимум, три области с разной электропроводностью: эмиттер, база и коллектор.

Электропроводность эмиттера и коллектора всегда одинаковая (р или п), базы — противоположная (п или р). Иными словами, биполярный транзистор (далее просто транзистор) содержит два р-п перехода: один из них соединяет базу с эмиттером (эмиттерный переход), другой — с коллектором (коллекторный переход).

На схемах транзисторы обозначают, как показано на рис. 1,а. Здесь короткая черточка с линией-выводом от середины символизирует базу, две наклонные линии, проведенные к ней под углом 60°, — эмиттер и коллектор.

Транзисторы виды и характеристикиТранзисторы виды и характеристики

Рис. 1. Внешний вид транзисторов, обозначение транзисторов на принципиальных схемах.

Об электропроводности базы судят по символу эмиттера: если его стрелка направлена к базе (рис. 1,а), то это означает, эмиттер имеет электропроводность типа р, а база — типа п; если же стрелка направлена в противоположную сторону (рис. 1,6), электропроводность эмиттера и базы — обратная (соответственно пир).

Поскольку, как уже отмечалось, электропроводность коллектора та же, что и эмиттера, стрелку на символе коллектора не изображают. Знать электропроводность эмиттера, базы и коллектора необходимо для того, чтобы правильно подключить транзистор к источнику питания. В справочниках эту информацию приводят в виде структурной формулы.

Транзистор, база которого имеет проводимость типа п, обозначают формулой p-n-p, а транзистор с базой, имеющей электропроводность типа P, — формулой n-p-n. В первом случае на базу и коллектор следует подавать отрицательное (по отношению к эмиттеру) напряжение, во втором — положительное.

Для наглядности условное обозначение транзистора обычно помещают в кружок, символизирующий его корпус. Корпус нередко изготовляют из металла и соединяют с одним из выводов транзистора. На схемах это показывают точкой в месте пересечения лиши-вывода с символом корпуса (у транзистора, изображенного на рис. 1,в, с корпусом соединен вывод коллектора).

Если же корпус снабжен отдельным выводом, линию-вывод допускается присоединять к кружку без точки (рис. 1,г). С целью повышения информативности схем рядом с позиционным обозначением транзистора обычно указывают его тип.

Линии-выводы, идущие от символов эмиттера и коллектора, проводят в одном из двух направлений: перпендикулярно или параллельно линии-выводу базы (рис. 1,д). Излом этой линии допускается лишь на некотором расстоянии от символа корпуса (рис. 1,е).

Транзистор может иметь несколько эмиттерных областей (эмиттеров). В этом случае символы эмиттеров обычно изображают с одной стороны символа базы, а кружок-корпус заменяют овалом (рис. 1,ж).

В некоторых случаях ГОСТ 2.730—73 допускает изображать транзисторы и без символа корпуса, например при изображении бескорпуоных транзисторов ИЛ|Ц когда на схеме необходимо показать транзисторы, входящие в так называемые транзисторные сборки или матрицы (их выпускают в тех же корпусах, что и интегральные микросхемы).

Транзисторы виды и характеристики

Рис. 2. Транзисторные сборки.

Поскольку буквенный код VT предусмотрен для обозначения транзисторов, выполненных в виде самостоятельных приборов, транзисторы сборок обозначают одним из следующих способов: либо используют код VT и присваивают им порядковые номера наряду с другими транзисторами (в этом случае на поле схемы помещают такую, например, запись: VT1—VT4 К1НТ251), либо берут код аналоговых микросхем DA и указывают принадлежность транзисторов к матрице в позиционном обозначении (рис. 2,а).

У выводов таких транзисторов, как правило, приводят условные номера, присвоенные выводам корпуса, в котором выполнена сборка. Без символа корпуса изображают на схемах и транзисторы аналоговых и цифровых микросхем (для примера на рис. 1,6 показаны транзисторы структуры n-p-n с тремя и четырьмя эмиттерами).

Условные графические обозначения некоторых разновидностей биполярных транзисторов получают введением в основной символ специальных знаков. Так, чтобы изобразить лавинный транзистор, между символами эмиттера и коллектора помещают знак эффекта лавинного пробоя (рис. 3,а). При повороте условного обозначения положение этого знака должно оставаться неизменным.

Транзисторы виды и характеристики

Рис. 3. Лавинный транзистор.

Иначе построено обозначение так называемого однопереходного транзистора. У него один р-п переход, но два вывода базы. Символ эмиттера в обозначении этого транзистора проводят к середине символа базы (рис. 3,6). Об электропроводности базы судят по символу эмиттера (все сказанное ранее о транзисторах с двумя р-п переходами полностью применимо и к однрпереход-ному транзистору).

На обозначение однопереходного транзистора похоже условное обозначение довольно большой группы транзисторов с р-п переходом, получивших название полевых. Основа такого транзистора — созданный в полупроводнике и снабженный двумя выводами (исток и сток) канал с электропроводностью n-или p-типа.

Сопротивлением канала управляет третий электрод — затвор, соединенный с его средней частью р-п переходом. Канал полевого транзистора изображают так же, как и базу биполярного транзистора, но помещают в средней части кружка-корпуса , символы истока и стока присоединяют к нему с одной стороны, затвора — с другой.

Чтобы не вводить каких-либо знаков для различения символов истока и стока, затвор изображают на продолжении линии истока. Электропроводность канала указывают стрелкой на символе затвора.

Читайте также:  Надфиль алмазный диаметр 4мм

В условном обозначении полевого транзистора с изолированным затворам (его изображают в виде черточки, параллельной символу канала, с выводом на продолжении линии истока) электропроводность канала показывают стрелкой, помещенной между символами истока и стока: если она направлена к символу канала, то это значит, что изображен транзистор с каналом п-типа, а если в противоположную сторону, — с каналом р-типа (рис. 4,а, б).

Транзисторы виды и характеристики

Рис. 4. Изображение полевых транзисторов на принципиальных схемах.

Аналогично указывают тип электропроводности канала и при наличии вывода от кристалла-подложки (рис. 4,в), а также при изображении полевого транзистора с так называемым индуцированным каналом, символ которого — три короткие штриха (рис. 4,г, д). Если подложка соединена с одним из электродов (обычно с истоком), это соединение показывают внутри символа без точки (рис. 4, е).

В палевом транзисторе может быть несколько затворов. Изображают их в этом случае короткими черточками, причем линию-вывод первого затвора обязательно помещают на продолжении линии истока (рис. 4,ж).

Линии-выводы полевого транзистора допускается изгибать лишь на некотором расстоянии от символа корпуса (рис. 4,з), который может быть соединен с одним из электродов или иметь самостоятельный вывод (рис. 4,ы).

Из транзисторов, управляемых внешними факторами, в настоящее время находят применение фототранзисторы. В качестве примера на рис. 5 показаны условные обозначения фототранзжггоров с выводом базы и без него.

Наряду с другими полупроводниковыми приборами, действие которых основано на фотоэлектрическом эффекте, фототранзисторы могут входить в состав оптронов. Обозначение фототранзистора в этом случае вместе с символом излучателя света (обычно светодиода) заключают в объединяющий их символ корпуса, а знак фотоэффекта заменяют знаком оптической связи — двумя параллельными стрелками.

Транзисторы виды и характеристики

Рис. 5. Изображение на принципиальных схемах фототранзисторов.

Для примера на рис. 5,а изображена одна из оптопар сдвоенного оптрона К249КП1, о чем говорит позиционное обозначение U1.1. Аналогично строят условное графическое обозначение оптрона с составным транзистором (рис. 5,6).

Литература: В.В. Фролов, Язык радиосхем, Москва, 1998.

К транзисторам относят полупроводниковые приборы с тремя электродами, которые служат для усиления или переключения сигналов. Для изготовления транзисторов наиболее часто используют кремний и германий. В соответствии с этим различают кремниевые и германиевые транзисторы.

К классу широко распространенных биполярных транзисторов относят полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n-переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции носителей заряда.

Инжекцией называется введение (нагнетание) носителей заряда через p-n-переход в область полупроводника, где они являются неосновными носителями за счет снижения потенциального барьера (прямое включение перехода).

Экстракцией называют процесс «отсоса» неосновных носителей заряда при обратном включении напряжения.

В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы p-n-p-типа и n-p-n-типа. Упрощенная схема p-n-p-транзистора показана на рис.6.30.

Транзисторы виды и характеристики

Рис.6.30. Структура p-n-p-транзистора

На рис.6.31 показано условное обозначение p-n-p и n-p-n-транзистора.

Транзисторы виды и характеристики

Рис.6.31. Условное обозначение транзисторов

При подключении транзистора к одному переходу прикладывается прямое, к другому обратное напряжение.

Переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а его соответствующий вывод – эмиттером (э). Переход к которому при нормальном включении приложено обратное напряжение, называют коллекторным, а вывод – коллектором (к). Средний слой называют базой (б).

Допустимо обратное включение переходов, его называют инверсным включением. При инверсном включении параметры транзистора сильно изменяются.

На рис.6.32 показана схема движения носителей зарядов в нормально включённом транзисторе.

Транзисторы виды и характеристики

Рис.6.32. Схема движения носителей зарядов в транзисторах

При таком включении эмиттерный переход смещается в прямом направлении, коллекторный – в обратном.

Толщина базы конструктивно выполняется во много раз меньше диффузной длины, поэтому неосновные носители в базе не успевают рекомбинировать. Т.е., если дырки попадают в базу, они ее просто «проскакивают».

При смещении эмиттера в прямом направлении дырки из эмиттера переходят в базу, а электроны из базы в эмиттер, причем из-за высокого сопротивления базы в ней преобладает дырочный ток. Дырки, попавшие в базу, создают вблизи p-n-перехода электрический заряд, который компенсируется электронами, приходящими из внешнего источника Uэб. Приток электронов в базу из внешней цепи создает электрический ток I ′ б, который направлен из базы.

Инжектированные в базу носители заряда и носители заряда, компенсирующие их заряд, движутся вглубь базы к коллектору, проходят базу вследствие малости ее толщины и попав в ускоряющее поле вблизи коллекторного перехода, втягиваются в коллектор. Электроны, ушедшие через коллекторный переход, уходят через базовый вывод, создавая ток I ′′ б. Дырки в базе являются неосновным носителем и поэтому свободно проходят через запертый коллекторный p-n-переход в область коллектора.

Поскольку дырки дают только часть тока эмиттера, то ток коллектора меньше тока эмиттера и определяется формулой

Чтобы транзистор не перегревался, должно выполняться неравенство

где Pkmax – максимально допустимая мощность.

В активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном.

Если оба перехода смещены в прямом направлении, то такой режим называется режимом насыщения.

Для нормальной работы транзистора должны одновременно соблюдаться 3 условия:

где Iк max и Uкэ max – максимально допустимые параметры по коллекторному току и напряжению коллектор-эмиттер.

На рис.6.37 для выходных характеристик транзистора показаны режимы работы транзистора и область его безопасной работы

Читайте также:  Как выглядит нержавеющая сталь

Транзисторы виды и характеристики

Рис.6.37. Режимы работы транзистора

Для часто используемой схемы с общим эмиттером с учетом выражения 6.4, а также с учетом того, что

Транзисторы виды и характеристики(6.8)

В последнем выражении коэффициент

Транзисторы виды и характеристики

называется статическим коэффициентом передачи базового тока. Типовые значения Транзисторы виды и характеристики

Если ввести обозначение Транзисторы виды и характеристикито выражение (6.8) преобразуется в выражение

Транзисторы виды и характеристики(6.9)

Это выражение в первом приближении описывает выходные характеристики работы транзистора без учета наклона характеристик.

С учетом наклонов последнее выражение преобразуется в выражение вида:

Транзисторы виды и характеристики,

где Транзисторы виды и характеристики.

При расчете электронных схем, содержащих транзистор, используют их эквивалентные схемы и соответствующие математические модели. В настоящее время известно несколько вариантов таких моделей.

Один из них – вариант модели Эберса-Молла представлен на рис.6.38.

Транзисторы виды и характеристики

Рис.6.38. Математическая модель по Эберсу-Моллу

В этой схеме 1 – статический коэффициент передачи коллекторного тока в область эмиттера, Iкт и Iэт – тепловые токи коллектора и эмиттера. Источники тока отражают взаимодействие p-n-переходов. Используя первый закон Кирхгофа, можно записать

Транзисторы виды и характеристики

Практически используемые модели дополняются сопротивлениями и конденсаторами переходов, аналогичных тому, как это делается в моделях диодов.

Упрощенные математические модели принято называть эквивалентными схемами. При работе на активном участке в первом приближении входные и выходные характеристики транзистора можно считать линейными, в связи с чем эквивалентную схему транзистора можно представить, можно представить в виде рис. 6.39.

Транзисторы виды и характеристики

Рис.6.39. Эквивалентная схема транзистора

Здесь rб и rэ – сопротивление базового и эмиттерного слоя соответственно. Иногда вместо rэ включают идеальный диод VD, который во включенном состоянии заменяют «закороткой», а в выключенном – «разрывом» цепи, емкость С ′ к включается при анализе схемы на переменном токе. С некоторым приближением можно считать, что:

Транзисторы виды и характеристики,

где Ck – барьерная емкость коллекторного перехода.

Для этой схемы справедливо соотношение: Транзисторы виды и характеристики.

Графический анализ транзисторных схем осуществляется с использованием линии нагрузки, аналогично графическому анализу диодных схем, но линии нагрузки строят для входной и выходной цепи. Рассмотрим технику графического расчета на примере схемы, представленной на рис. 6.40.

Транзисторы виды и характеристики

Рис.6.40. Вариант схемы включения транзистора

Для входной цепи уравнение линии нагрузки имеет вид:

Для выходной цепи:

Если Eб достаточно велико, напряжением Uбэ можно пренебречь.

Для входной цепи график линии нагрузки на входной вольт-амперной характеристике имеет вид, представленный на рис.6.41, в соответствии с этим рисунком определяется ток базы Iб * .

Транзисторы виды и характеристики

Рис.6.41. Линия нагрузки для входной цепи

Для выходной цепи график линии нагрузки изображен на рис.6.42.

Транзисторы виды и характеристики

Рис.6.42. Линия нагрузки для выходной цепи

Искомые параметры определяются по точке пересечения линии нагрузки, пересекающей кривую тока Iбj ближайшую к Транзисторы виды и характеристики. В нашем случае это Iб2. Найденную точку О называют начальной рабочей точкой. Относительно нее определяются Транзисторы виды и характеристики, Транзисторы виды и характеристики, Транзисторы виды и характеристики.

При использовании аналитических методов расчета в анализируемых схемах транзистор заменяется на эквивалентную схему. Для схемы рис.6.40, при использовании эквивалентной схемы рис.6.39, получаем схему для соответствующих аналитических расчетов, представленную на рис.6.43.

Транзисторы виды и характеристики

Рис.6.43.Схема для аналитического метода расчета

Транзисторы виды и характеристики

При анализе электронных схем обычно используются транзисторы, работающие в активном режиме. В этом случае транзисторы представляют в виде четырехполюсников, в которых изображают транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (рис.6.44).

Транзисторы виды и характеристики

Рис. 6.44. Представление транзистора четырехполюсника

Для схемы с общим эмиттером введены следующие обозначения: I1 – переменная составляющая тока базы; U1 – переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером; I2 – переменная составляющая тока коллектора; U2 – переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером. Для описания такого четырехполюсника вводится 4 так называемых h-параметра, для которых выполняется условие

Транзисторы виды и характеристики

или в другой форме

Коэффициенты hij определяют опытным путем, например, h11 определяют при коротком замыкании выхода (U2=0), тогда Транзисторы виды и характеристики. Из последнего соотношения видно, что h11 представляет собой входное сопротивление транзистора.

В режиме холостого хода на входе (I1=0) измеряют параметр Транзисторы виды и характеристики. Коэффициент передачи тока определяется в режиме короткого замыкания на выходе по формуле Транзисторы виды и характеристики. Выходная проводимость определяется в режиме холостого хода на входе из соотношенияТранзисторы виды и характеристики.

Для описания работы транзисторов на переменном токе и в импульсных схемах необходимо учитывать соответствующие емкости переходов, которые приводят к временным задержкам в срабатывании.

На рис.6.45 представлена временная диаграмма изменения коллекторного тока при скачкообразном изменении тока эмиттера. Включение эмиттерного тока приводит к скачкообразному изменению тока базы, что объясняется накоплением зарядов в базе транзистора.

Транзисторы виды и характеристики

Рис.6.45. Временные диаграммы работы транзистора

После накопления зарядов ток базы определяется значением статического коэффициента передачи базового тока Транзисторы виды и характеристики. Ток коллектора возникает с некоторой задержкойtЗ, когда электроны, инжектированные эмиттером, достигнут коллектора и далее плавное нарастание коллекторного тока tH объясняется хаотичностью движения электронов и различной их скоростью.

На переменном токе при анализе транзисторных схем вместо статического коэффициента Транзисторы виды и характеристикииспользуют дифференциальные коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока, зависящие от частоты преобразуемого сигнала.

При этом модуль коэффициента передачи тока базы Транзисторы виды и характеристикиопределяется формулой

Транзисторы виды и характеристики,

где  — частота тока управления транзистором, Транзисторы виды и характеристики— предельная частота работы транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

На рис. 6.46 приведен типовой график изменения дифференциального коэффициента передачи базового тока от частоты.

Транзисторы виды и характеристики

Рис.6.46. Частотная характеристика Транзисторы виды и характеристики

Частоту, на которой дифференциальный коэффициент передачи базового тока падает до уровня 0,7 Транзисторы виды и характеристикиназывают предельной частотой работы транзистораfпр. Частоту, на которой прекращаются усилительные свойства транзистора (Транзисторы виды и характеристики) называют граничной частотойfгр.

Читайте также:  Токарный станок 165 дип 500

График рис.6.46 характеризует то свойство транзисторных схем, что с ростом частоты их усилительные свойства уменьшаются.

При обозначении различных типов транзисторов используют буквенно-цифровой код. Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен транзистор, второй элемент (буква) определяет подкласс (группу) транзисторов, третий (цифра) – основные функциональные возможности транзистора, четвертый – число, обозначающее порядковый номер разработки технологического типа транзисторов, пятый элемент – буква – условно определяет классификацию по параметрам транзисторов, изготовляемых по единой технологии (рис.6.47).

Например, обозначение КТ937А-2 определяет кремниевый биполярный транзистор большой мощности, номер разработки 37, группа А, безкорпусной, с гибкими выводами на кристаллодержателе.

Транзисторы виды и характеристикиТранзистор, иначе называемый полупроводниковым триодом — электронное устройство, основой которого являются полупроводниковые материалы. Основное назначение прибора — возможность, с помощью изменения слабого тока в управляющей цепи, получать усиленный сигнал на выходе. Полупроводниковый триод — одна из основных составляющих схем множества электронных устройств, от радиоприёмника до компьютера.

Типы транзисторов

Определение «транзистор» тесно связано с этимологией этого слова. Оно образовано от двух английских слов: transfer (переносить) и resistor (сопротивление). Действительно, принцип работы устройства связан с переносом (изменением) сопротивления в электрической цепи.

Существуют два основных класса полупроводниковых триодов:

Каждый класс, в свою очередь, делится на несколько разновидностей.

Биполярные:

  • Транзисторы виды и характеристикиp-n-p тип (прямая проводимость);
  • n-p-n тип (обратная проводимость).

Оба этих типа триодов могут использоваться в одной электронной схеме. Поэтому, для того чтобы не перепутать, какую именно деталь надо использовать в конкретном месте схемы, изображения p-n-p и n-p-n триодов отличаются друг от друга.

Полевые:

  • униполярные с p-n переходом;
  • МДП-транзисторы с изолированным затвором.

Принцип работы устройства

В электронике применяются полупроводники с электронной (n) или дырочной (p) проводимостью. Эти обозначения говорят о том, что в первом случае в полупроводнике преобладают отрицательно заряженные электроны, во втором — положительно заряженные дырки.

Рассмотрим, как устроен транзистор на примере биполярного полупроводникового триода. Внешне прибор выглядит как небольшая деталь в металлическом или пластиковом корпусе с тремя выводами. Внутри — своеобразный бутерброд из трёх слоёв полупроводника. Если центральный слой p-типа, то окружающие его слои — n-типа. Получается триод n-p-n. Если же центр, именуемый также базой, n-типа, то обкладки — из полупроводника с дырочной проводимостью, а структура устройства — p-n-p. Один из внешних слоёв называется эмиттером, другой коллектором. К каждой из этих трёх частей прибора бывает подведён соответствующий вывод.

Транзисторы виды и характеристикиКраткое пояснение, как работает транзистор, для «чайников» выглядит так. Возьмём для примера транзистор n-p-n, где эмиттер и коллектор являются слоями с преимущественно электронной проводимостью, а база — с дырочной.

Подключаем эмиттер к отрицательному выводу электрической батареи, а базу и коллектор — к положительному. Начинающему любителю электроники можно представить, что триод состоит из двух диодов, причём диод эмиттер — база включён в прямом направлении, и через него протекает ток, а диод база — коллектор включён в обратном направлении, и ток отсутствует.

Предположим, что мы включили в цепь базы переменный резистор, с помощью которого можем регулировать подаваемое на базу напряжение. Какой эффект мы получим при уменьшении напряжения до нуля? Ток в цепи эмиттер-база перестанет течь. Немного увеличим напряжение. Электроны из n — области эмиттера устремятся к базе, подключённой к плюсу батареи.

Важная деталь — база сделана максимально тонкой. Поэтому масса электронов проходит этот слой насквозь и оказывается в коллекторе под воздействием положительного полюса батареи, к которому притягивается. Таким образом, ток начинает проходить не только между эмиттером и базой, но и между эмиттером и коллектором. При этом ток коллектора значительно больше тока базы.

Ещё одно важное обстоятельство: небольшое изменение базового тока вызывает значительно более сильное изменение коллекторного тока. Таким образом, полупроводниковый триод служит для усиления различных сигналов. Обычно биполярные триоды чаще используются в аналоговой технике.

Полевые транзисторы

Этот тип триода отличается от биполярного не свойствами или функциями, а принципом работы. В полевом триоде ток движется от вывода, называемого истоком, к выводу, именуемому стоком, по полупроводнику одного вида проводимости, например, p. А управление силой этого тока производится с помощью изменения напряжения на третьем выводе — затворе.

Такая структура более точно отвечает требованиям современной цифровой техники, где в основном и применяются полевые триоды. Сегодняшние технологические возможности позволяют разместить на кристалле полупроводника площадью 1−2 квадратных сантиметров несколько миллиардов МДП-элементов с изолированным затвором. Таким образом создаются центральные процессоры персональных компьютеров.

Перспективы развития приборов

Перспективы лежат, в первую очередь, в сфере дальнейшей миниатюризации устройств. Так, американские учёные разрабатывают сегодня так называемый одномолекулярный транзистор. Основным элементом такого устройства является молекула бензола, к которой присоединены три электрода.

Если идея оправдает себя, появится возможность создания сверхмощных вычислительных комплексов. Ведь размер молекулы гораздо меньше размера сегодняшних МДП-триодов на кристалле кремниевого чипа.