Пристрій, принцип дії і режим роботи біполярних транзисторів

Радіоелектроніка багата всілякими деталями. Кожен з таких елементів виконує відведену йому певну роль. Транзистор же характеризується своєю багатофункціональністю і здатністю виконувати різні завдання. Щоб зрозуміти, що відрізняє його від інших радіодеталей, необхідно розглянути пристрій і принцип дії біполярних транзисторів.

будова транзистора

Біполярний транзистор відноситься до напівпровідників – матеріалами, які гірше проводять електрику, ніж провідники, але й не є діелектриками. Але якщо його температуру довести до абсолютного нуля, він стане діелектриком. З іншого боку, при підвищенні температури провідність приладу буде збільшуватися. Це робить його вразливим до перегріву. Підвищення провідності збільшує струм, який може вивести пристрій з ладу.

Для наочності можна навести як приклад алмаз (діамант). У природних умовах він є напівпровідником, але якщо помістити його в вакуум або інертний газ і нагріти, він перетвориться в графіт, який є хорошим провідником. У промислових цілях для виробництва транзисторів широко використовують такі матеріали, як кремній, германій та інші. По використовуваному матеріалу транзистори бувають:

Сам по собі напівпровідник дуже чутливий до зовнішнього впливу (деформації, опромінення і температурі), внутрішніх дефектів і домішок. У природних умовах він веде себе як змінний резистор, опір якого змінюється від температури (використовується для виробництва варисторів). При додаванні домішок властивості напівпровідника різко змінюються, і він перетворюється в провідник. Домішки діляться на:

Донорні, наприклад, миш'як, легко віддають свої електрони, переводячи напівпровідник в негативно заряджений матеріал. Для позначення такого матеріалу використовують букву «п». До акцепторні відноситься тривалентний індій. При з'єднанні з кремнієм, у якого чотирьохвалентного зв'язок, одного електрона не вистачає, тому утворюється так звана «дірка». Такий матеріал позначають буквою «р».

Використання напівпровідників п- і р-типу

Коли провідники різного типу з'єднуються, між ними утворюється р-п перехід, завдяки якому електрони можуть рухатися тільки в одну сторону. Підключивши область «п» до мінуса джерела живлення, а область «р» – до плюса, можна створити пряме підключення, при якому електрони вільно пересуваються. Якщо полярність джерела поміняти місцями, то електрони з електронної області підуть до джерела, а прилад закриється, тому що межа р-п не дасть електронам пройти через дірковий область.

Радіоелемент, що складається з двох протилежних типів провідності, називається діодом. Його особливістю є те, що він ток пропускає тільки в одному напрямку і не регулює потоком електронів. Щоб вийшов біполярний транзистор, додають третю область «п» або «р» – цим і відрізняється пристрій транзистора. В результаті кристал виходить з трьома областями і двома р-п переходами. З урахуванням того, як слідують один за одним області, розрізняють наступні типи:

Першу область називають емітером, другу (середню) – базою, а третю – колектором. База завжди має знак, протилежний емітера і колектора.

Призначення бази, колектора і емітера

База управляє струмом між колектором і емітером. Буде зрозуміліше, якщо транзистор розбити на два окремих ділянки: емітер – база і база – колектор. Оскільки база знаходиться в середній частині, отримуємо два діода, спрямованих один до одного (тип р-п-р) або в протилежну сторону (тип п-р-п). Оскільки джерело живлення підключається до емітера і колектора, а на базу подається керуюча напруга, то один з діодів підключений в зворотному напрямку, т.е. закритий. У більшості випадків їм є перехід бази – колектор. Завдання бази – поступово відкривати цей перехід.

У еміттерную область найбільше додають домішки, тому що вона є інжектором або генератором основних носіїв. Колектор, навпаки, розбавляється домішками мінімально, тільки б не пропускати струм в закритому стані.

База повинна задовольняти жорсткі вимоги. По-перше, наскільки швидко спрацьовує транзистор, безпосередньо залежить від товщини бази – чим вона тонша, тим вище швидкодія. По-друге, чим тонше база, тим меншу напругу можна подати на транзистор, інакше станеться електричний пробій між емітером і колектором.

Щоб зрозуміти, як працює біполярний транзистор, можна привести приклад. Горизонтально розташований водопровідний кран. Поруч (по ходу крана, а не під ним) знаходиться жолоб, по якому вода може йти в потрібне місце. Коли починають відкривати кран, натиск води невеликий, вона тече вертикально, не потрапляючи на жолоб. При подальшому відкриванні крана натиск буде збільшуватися, поки не настане момент попадання води в лоток.

Як відстань між краном і стоком визначає напір води, який допоможе досягти жолоби, так і товщина бази впливає на напругу насичення, після чого відбувається відкривання транзистора. Звичайно, приклад грубий і потрібен тільки для того, щоб приблизно зрозуміти принцип дії транзистора. Але саме напруга між емітером і базою буде тим самим «краном», який відкриває транзистор.

Після того як кристал сформований, до кожної його галузі прикріплюються металеві висновки, все ретельно ізолюється і захищається корпусом. Існують безкорпусні і прозорі транзистори, а також ті, що призначені для роботи з радіатором.

Режими і схеми підключення

Завдяки розвитку науки і техніки розробляються нові транзистори, спрямовані на усунення шкідливих факторів. До них відносяться як фізичні (наприклад, відколи і домішки), так і електричні (опір матеріалу). Усунення таких недоліків веде до підвищення швидкодії, зниження споживаної потужності і ряду інших переваг. але завдання транзистора залишаються ті ж самі:

• посилення сигналу;
• генерація;
• перемикання.

Перш ніж розібрати кожну з цих задач, важливо зрозуміти, як працює транзистор. У вигляді прикладу візьмемо транзистор р-п-р-типу. До емітера підключається плюс, а до колектора – мінус. Таке включення називається нормальним, протилежне – інверсним. Емітер насичується дірками, які є насправді атомами, які не можуть переміщатися, оскільки у них не вистачає електронів. Збільшується область, в якій не вистачає електронів. У колекторі, навпаки, відбувається перенасичення електронів.

База стає ізолятором між цими областями, т. К. Знаходяться в ній електрони йдуть через емітер в джерело живлення. При появі на базі негативного напруги електрони поступово перетворюють її в провідник. Це призводить до того, що транзистор відкривається, а між емітером і колектором з'являється струм. З цього можна зробити висновок, що режими роботи транзистора – закритий стан, насичення і відкритий стан – повністю залежать від напруги на базі.

Наступне, на що необхідно звернути увагу, – це те, яка схема підключення використовується. Для прикладу візьмемо батарейку і лампочку. Кожен з цих елементів має по два висновки, тобто всього їх чотири. Це правило діє для постійного (імпульсного) струму. Транзистор є перетворювачем, іншими словами, має вхід і вихід. У цьому випадку він повинен мати не три, а чотири виведення. На практиці ж він, як правило, має три висновки. Виходить, що один з його висновків повинен бути загальним як для входу, так і для виходу. На підставі цього є наступні види підключення:

• із загальним емітером (відбувається посилення напруги і струму, використовується частіше інших видів);
• із загальною базою (підсилює тільки струм, використовується рідко);
• із загальним колектором (підсилює напругу, часто використовується для узгодження каскадів з різним опором).

Галузь застосування

Транзистор використовується для посилення безперервних сигналів різної форми в аналогових схемах. Яскравим прикладом служить людська мова. У такі сигнали легко вплітаються шуми, для усунення яких застосовуються фільтри. Аналогові схеми є протилежністю дискретних цифрових сигналів.

У схемі генерації транзистор виробляє сигнали різних форм. Наприклад, в телебаченні генератори на транзисторах дозволяють створювати проміжну частоту, за допомогою якої передаються відео і звук. У самих телевізорах такі генератори допомагають створювати зображення на екрані, задаючи частоту по рядку і кадрам.

У переключающих схемах потрібно швидко відключати і підключати навантаження, виконуючи завдання реле, наприклад, підключаючи більш потужні тиристори, контактори і т. Д. Особливо жорсткі вимоги пред'являються до схем з інертними навантаженнями у вигляді індуктивності. Вони використовуються для посилення цифрового сигналу в комп'ютерах і іншій техніці.

В даний час транзистори майже повністю замінили електронні лампи. Ці прилади мають ряд переваг, серед яких слід виділити:

• малий розмір;
• більш легке виробництво, що веде до зниження собівартості;
• для управління потрібно набагато менше напруги;
• не вимагають розігріву, що призводить до зниженого споживання енергії і зменшення часу підготовки до роботи;
• велика стійкість до механічних навантажень;
• збільшений термін служби.

Для виробництва транзисторів сьогодні використовуються кращі матеріали. Від деяких металів (наприклад, від германію) при виготовленні приладів вже відмовилися. Але навіть сучасні транзистори мають свої недоліки і обмеження. До них можна віднести наступне:

• при напрузі вище 1 кВ кремнієві прилади працювати не можуть;
• створення потужних передавачів вимагає дуже складної узгодженості;
• сильна чутливість до радіації і електромагнітного впливу.

Останні розробки наблизилися до вирішення багатьох проблем. Крім цього, сьогодні розкриваються нові можливості і напрямки використання біполярних пристроїв.