Устройство, принцип действия и режим работы биполярных транзисторов

Биполярные транзисторыРадиоэлектроника богата всевозможными деталями. Каждый из таких элементов выполняет отведенную ему определенную роль. Транзистор же характеризуется своей многофункциональностью и способностью выполнять различные задачи. Чтобы понять, что отличает его от других радиодеталей, необходимо рассмотреть устройство и принцип действия биполярных транзисторов.

Строение транзистора

Биполярный транзистор относится к полупроводникам — материалам, которые хуже проводят электричество, чем проводники, но и не являются диэлектриками. Но если его температуру довести до абсолютного нуля, он станет диэлектриком. С другой стороны, при повышении температуры проводимость прибора будет увеличиваться. Это делает его уязвимым к перегреву. Повышение проводимости увеличивает ток, который может вывести устройство из строя.

Строение биполярного транзистора

Для наглядности можно привести в пример алмаз (адамант). В естественных условиях он является полупроводником, но если поместить его в вакуум или инертный газ и нагреть, он превратится в графит, который является хорошим проводником. В промышленных целях для производства транзисторов широко используют такие материалы, как кремний, германий и другие. По используемому материалу транзисторы бывают:

  • германиевые;
  • кремниевые;
  • арсенид-галлиевые.

Сам по себе полупроводник очень чувствителен к внешнему влиянию (деформации, облучению и температуре), внутренним дефектам и примесям. В естественных условиях он ведет себя как переменный резистор, сопротивление которого меняется от температуры (используется для производства варисторов). При добавлении примесей свойства полупроводника резко меняются, и он превращается в проводник. Примеси делятся на:

  • донорные;
  • акцепторные.

Использование полупроводников п- и р-типаДонорные, например, мышьяк, легко отдают свои электроны, переводя полупроводник в отрицательно заряженный материал. Для обозначения такого материала используют букву «п». К акцепторным относится трехвалентный индий. При соединении с кремнием, у которого четырехвалентная связь, одного электрона не хватает, поэтому образуется так называемая «дырка». Такой материал обозначают буквой «р».

Использование полупроводников п- и р-типа

Когда проводники разного типа соединяются, между ними образуется р-п переход, благодаря которому электроны могут двигаться только в одну сторону. Подключив область «п» к минусу источника питания, а область «р» — к плюсу, можно создать прямое подключение, при котором электроны свободно передвигаются. Если полярность источника поменять местами, то электроны из электронной области уйдут к источнику, а прибор закроется, потому что граница р-п не даст электронам пройти через дырочную область.

Радиоэлемент, состоящий из двух противоположных типов проводимости, называется диодом. Его особенностью является то, что он ток пропускает только в одном направлении и не регулирует потоком электронов. Чтобы получился биполярный транзистор, добавляют третью область «п» или «р» — этим и отличается устройство транзистора. В результате кристалл получается с тремя областями и двумя р-п переходами. С учётом того, как следуют друг за другом области, различают следующие типы:

  • р-п-р;
  • п-р-п.

Первую область называют эмиттером, вторую (среднюю) — базой, а третью — коллектором. База всегда имеет знак, противоположный эмиттеру и коллектору.

Назначение базы, коллектора и эмиттера

База управляет током между коллектором и эмиттером. Будет понятнее, если транзистор разбить на два отдельных участка: эмиттер — база и база — коллектор. Поскольку база находится в средней части, получаем два диода, направленных друг к другу (тип р-п-р) либо в противоположную сторону (тип п-р-п). Поскольку источник питания подключается к эмиттеру и коллектору, а на базу подается управляющее напряжение, то один из диодов подключен в обратном направлении, т. е. закрыт. Почти всегда им является переход базы — коллектор. Задача базы — постепенно открывать этот переход.

Назначение базы, коллектора и эмиттера

В эмиттерную область больше всего добавляют примеси, потому что она является инжектором или генератором основных носителей. Коллектор, напротив, разбавляется примесями минимально, только бы не пропускать ток в закрытом состоянии.

База должна удовлетворять жесткие требования. Во-первых, насколько быстро срабатывает транзистор, напрямую зависит от толщины базы — чем она тоньше, тем выше быстродействие. Во-вторых, чем тоньше база, тем меньшее напряжение можно подать на транзистор, иначе произойдет электрический пробой между эмиттером и коллектором.

Чтобы понять, как работает биполярный транзистор, можно привести пример. Горизонтально расположен водопроводный кран. Рядом (по ходу крана, а не под ним) находится желоб, по которому вода может уходить в нужное место. Когда начинают открывать кран, напор воды небольшой, она течет вертикально, не попадая на желоб. При дальнейшем открывании крана напор будет увеличиваться, пока не наступит момент попадания воды в лоток.

Как расстояние между краном и стоком определяет напор воды, который поможет достичь желоба, так и толщина базы влияет на напряжение насыщения, после чего происходит открывание транзистора. Конечно, пример грубый и нужен только для того, чтобы примерно понять принцип действия транзистора. Но именно напряжение между эмиттером и базой будет тем самым «краном», открывающим транзистор.

После того как кристалл сформирован, к каждой его области прикрепляются металлические выводы, все тщательно изолируется и защищается корпусом. Существуют бескорпусные и прозрачные транзисторы, а также те, что предназначены для работы с радиатором.

Режимы и схемы подключения

Благодаря развитию науки и техники разрабатываются новые транзисторы, направленные на устранение вредных факторов. К ним относятся как физические (например, сколы и примеси), так и электрические (сопротивление материала). Устранение таких недостатков ведет к повышению быстродействия, понижению потребляемой мощности и ряду других преимуществ. Но задачи транзистора остаются те же самые:

  • усиление сигнала;
  • генерация;
  • переключение.

Режимы и схемы подключения биполярных транзисторов

Прежде чем разобрать каждую из этих задач, важно понять, как работает транзистор. В виде примера возьмем транзистор р-п-р-типа. К эмиттеру подключается плюс, а к коллектору — минус. Такое включение называется нормальным, противоположное — инверсным. Эмиттер насыщается дырками, являющимися на самом деле атомами, которые не могут перемещаться, поскольку у них не хватает электронов. Увеличивается область, в которой не хватает электронов. В коллекторе, наоборот, происходит перенасыщение электронов.

База становится изолятором между этими областями, т. к. находящиеся в ней электроны уходят через эмиттер в источник питания. При появлении на базе отрицательного напряжения электроны постепенно превращают ее в проводник. Это приводит к тому, что транзистор открывается, а между эмиттером и коллектором появляется ток. Из этого можно сделать вывод, что режимы работы транзистора — закрытое состояние, насыщение и открытое состояние — полностью зависят от напряжения на базе.

Следующее, на что необходимо обратить внимание, — это то, какая схема подключения используется. Для примера возьмем батарейку и лампочку. Каждый из этих элементов имеет по два вывода, то есть всего их четыре. Это правило действует для постоянного (импульсного) тока. Транзистор является преобразователем, иными словами, имеет вход и выход. В этом случае он должен иметь не три, а четыре вывода. На практике же он, как правило, имеет три вывода. Получается, что один из его выводов должен быть общим как для входа, так и для выхода. На основании этого имеются следующие виды подключения:

  • с общим эмиттером (происходит усиление напряжения и тока, используется чаще остальных видов);
  • с общей базой (усиливает только ток, используется редко);
  • с общим коллектором (усиливает напряжение, часто используется для согласования каскадов с разным сопротивлением).

Область применения

Транзистор используется для усиления непрерывных сигналов различной формы в аналоговых схемах. Ярким примером служит человеческая речь. В такие сигналы легко вплетаются шумы, для устранения которых применяются фильтры. Аналоговые схемы являются противоположностью дискретных цифровых сигналов.

В схеме генерации транзистор вырабатывает сигналы различных форм. Например, в телевидении генераторы на транзисторах позволяют создавать промежуточную частоту, с помощью которой передаются видео и звук. В самих телевизорах такие генераторы помогают создавать изображение на экране, задавая частоту по строке и кадрам.

Область применения

В переключающих схемах нужно быстро отключать и подключать нагрузку, выполняя задачу реле, например, подключая более мощные тиристоры, контакторы и т. д. Особенно жесткие требования предъявляются к схемам с инертными нагрузками в виде индуктивности. Они используются для усиления цифрового сигнала в компьютерах и другой технике.

В настоящее время транзисторы почти полностью заменили электронные лампы. Эти приборы обладают рядом преимуществ, среди которых следует выделить:

  • Преимущества биполярных транзисторовмалый размер;
  • более легкое производство, что ведет к снижению себестоимости;
  • для управления нужно гораздо меньше напряжения;
  • не требуют разогрева, что приводит к пониженному потреблению энергии и уменьшению времени подготовки к работе;
  • большая устойчивость к механическим нагрузкам;
  • увеличенный срок службы.

Для производства транзисторов сегодня используются лучшие материалы. От некоторых металлов (например, от германия) при изготовлении приборов уже отказались. Но даже современные транзисторы имеют свои недостатки и ограничения. К ним можно отнести следующее:

  • при напряжении выше 1 кВ кремниевые приборы работать не могут;
  • создание мощных передатчиков требует очень сложной согласованности;
  • сильная чувствительность к радиации и электромагнитному влиянию.

Последние разработки приблизились к решению многих проблем. Кроме этого, сегодня раскрываются новые возможности и направления использования биполярных устройств.