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.

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).

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.

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.

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).

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.

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.

Рис.6.30. Структура p-n-p-транзистора

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

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.

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 U_эб. 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 P_kmax – 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 I_{к max} и U_{кэ 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

Рис.6.37. Режимы работы транзистора

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

(6.8)

В последнем выражении коэффициент

называется статическим коэффициентом передачи базового тока. Типовые значения

Если ввести обозначение то выражение (6.8) преобразуется в выражение

(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:

,

где .

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.

Рис.6.38. Математическая модель по Эберсу-Моллу

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

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.

Рис.6.39. Эквивалентная схема транзистора

Здесь r_б и r_э – сопротивление базового и эмиттерного слоя соответственно. Иногда вместо r_э 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:

,

где C_k – барьерная емкость коллекторного перехода.

Для этой схемы справедливо соотношение: .

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.

Рис.6.40. Вариант схемы включения транзистора

Для входной цепи уравнение линии нагрузки имеет вид:

Для выходной цепи:

Если E_б достаточно велико, напряжением U_бэ 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 I_б * .

Рис.6.41. Линия нагрузки для входной цепи

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

Рис.6.42. Линия нагрузки для выходной цепи

Искомые параметры определяются по точке пересечения линии нагрузки, пересекающей кривую тока I_бj ближайшую к . В нашем случае это I_б2. Найденную точку О называют начальной рабочей точкой. Относительно нее определяются , , .

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.

Рис.6.43.Схема для аналитического метода расчета

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).

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

или в другой форме

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

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

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.

Рис.6.45. Временные диаграммы работы транзистора

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

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

При этом модуль коэффициента передачи тока базы определяется формулой

,

где  — частота тока управления транзистором, — 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.

Рис.6.46. Частотная характеристика

Частоту, на которой дифференциальный коэффициент передачи базового тока падает до уровня 0,7 называют предельной частотой работы транзистораf_пр. Частоту, на которой прекращаются усилительные свойства транзистора () называют граничной частотойf_гр.

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.

Транзистор, 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:

• p-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.

Краткое 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.