Биполярный транзистор — принцип работы для чайников!

Рассказывается, как устроен биполярный транзистор, как он работает, как его проверить с помощью цифрового мультиметра, что такое пара Дарлингтона и встроенная диодная защита.

Виды транзисторов

Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы.  Конечно можно было рассмотреть все виды транзисторов в одной статье, но мне не хочется варить кашу  у вас в голове. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Не будем все мешать в одну кучу  а уделим внимание каждому, индивидуально.

Устройство биполярного транзистора

Согласно типовых схем, буквой «Б» называется «База» — внутренний слой аппарата, его фундамент, который приводит преобразование или изменение токового сигнала. Стрелка в кругу показывает движение токовых зарядов в «Э».

«Э» — «Эмиттер» — внутренняя основная составляющая транзистора, предназначенный для переноса заряженных элементарных частиц в «Б».

«К» — «Коллектор» — вторая составляющая транзисторного устройства, которая производит сбор тех же зарядов, которые проходят через «Б».

Пласт «Базы» конструктивно выполняют очень тоненьким в связи с рекомбинированием заряженных частиц, которые идут через базовый слой, с составными частицами данного пласта. В то же время пласт «Коллектора» конструируют как можно шире для качественного сбора зарядов.

Исторический

Реплика первого транзистора (кончик транзистора) Шокли, Бардина и Браттейна

Идея «усиливающего ток» или переключающего ток компонента на основе полупроводников уже была описана в 1920-х годах Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом . Лилиенфельд описал электронный компонент, который основан на явлении, позже названном «полевым эффектом», то есть изменении проводимости материала в присутствии электрического поля, и который сегодня сопоставим с полевым транзистором . Более или менее независимо от этого многие другие группы исследовали электрические эффекты в твердых телах в 1930-х и 1940-х годах. Теории о легировании материалов уже существовали, но полевой транзистор поначалу не увенчался успехом (см., Среди прочего, WR Brinkman et al., IM Ross или B. Lojek).

Одной из этих исследовательских групп была группа полупроводников Мервина Келли в Bell Laboratories в 1930-х годах , которая была воссоздана после Второй мировой войны в 1946 году под руководством Уильяма Б. Шокли и Стэнли Моргана . Она также занималась реализацией компонента полевого эффекта с использованием материалов кремний и германий . За это время Джон Бардин получил важную информацию о полевых эффектах. Он осознал, что даже относительно небольшое количество поверхностных состояний может скрыть изменения заряда в полупроводнике и, таким образом, помешать реализации компонента полевого эффекта. Вместе с другими членами группы, прежде всего с Уолтером Браттейном , он исследовал, как следует очищать поверхность, чтобы уменьшить влияние таких условий на поверхности. В рамках этой разработки Браттейн впервые наблюдал усиление напряжения в 15 раз 16 декабря 1947 года. В своем эксперименте он отрезал кончик клина из полистирола, покрытого золотом , так что два золотых контакта лежали близко друг к другу. были созданы. Путем прижатия этого клина к кристаллу германия был создан первый транзистор с острием . После еще одного теста осциллятора 23 декабря с Х. Р. Муром в присутствии Р. Б. Гибни, Дж. Бардина, Г. Л. Пирсона, У. Шокли, У. Браттейна, Х. Флетчера и Р. Боуна он представил компонент руководству следующим образом. день впереди. Шокли, Бардин и Браттейн получили Нобелевскую премию за открытие транзисторного эффекта и дальнейшие работы в этой области.

Еще одно важное достижение было сделано Гордоном Тилом и Морганом Спарксом в начале 1950-х годов также в Bell Labs, когда они разработали процесс производства биполярных транзисторов в виде переходных транзисторов, имеющих вытянутый / pn-переход, который будет сделан из кристалла (см. Вытянутый транзистор ). . Первые образцы были представлены Bell Labs в 1951 году. Основой по-прежнему был германий, первые коммерчески доступные кремниевые транзисторы с переходом были разработаны Тилом в 1954 году в Texas Instruments , при этом параллельная работа проводилась независимо Моррисом Таненбаумом в Bell Labs.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:

  • Коллектор (collector) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять

  • База (base) — через неё подаётся небольшой ток, чтобы разблокировать большой; база заземляется, чтобы заблокировать его

  • Эмиттер (emitter) — через него проходит ток с коллектора и базы, когда транзистор «открыт»

Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель hfeтакже известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттерспособен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.

Например, если hfe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропуститчерез себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент,который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас».Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные10 мА.

Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи наконтактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагревуи сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.

NPN и PNP

Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоитиз трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплавкремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive —с избытком положительных (p-doped).

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N.PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется,когда через неё идёт ток.

Теги

PN переходБиполярный транзисторОбучениеЭлектроника

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века. Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут  так.

Tranzistory` (2)

Как вы можете видеть биполярные транзисторы имеют три вывода и конструктивно они могут выглядеть совершенно по разному. Но на электрических схемах они выглядят простенько и всегда одинаково. И все это графическое великолепие,  выглядит как-то так.

Проводимость транзисторовЭто изображение транзисторов еще называют УГО (Условное графическое обозначение).

Причем биполярные транзисторы могут иметь различный тип проводимости. Есть транзисторы NPN типа и PNP типа.

Отличие n-p-n транзистора от p-n-p транзистора состоит лишь в том что является «переносчиком» электрического заряда (электроны или «дырки» ). Т.е. для p-n-p транзистора электроны перемещаются от эмиттера к коллектору и управляются базой. Для n-p-n транзистора электроны идут уже от коллектора к эмиттеру и управляются базой.    В итоге приходим к тому, что для того чтобы в схеме заменить транзистор одного типа проводимости на другой достаточно изменить полярность приложенного напряжения. Или тупо поменять полярность источника питания.

У биполярных транзисторов есть три вывода: коллектор, эмиттер и база. Думаю, что по УГО будет сложно запутаться, а вот в реальном транзисторе запутаться проще простого.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто  прозвонить транзистор мультиметром. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке (в области базы транзистора).

Слева изображена картинка для транзистора p-n-p типа,  при прозвонке  создается ощущение (посредством показаний мультиметра ), что перед вами два диода которые соединены в одной точке своими катодами. Для транзистора  n-p-n типа  диоды в точке базы соединены своими анодами. Думаю после экспериментов с мультиметром будет более понятно.

транзистор как диод

Технология изготовления транзисторов

  • Эпитаксиально-планарная
  • Сплавная
    • Диффузионный
    • Диффузионносплавной

Измерение коэффициента передачи биполярного транзистора по току

Гнезда для измерения коэффициента усиления транзистораЕсли в тестере имеется возможность измерения коэффициента передачи по току, то проверить работоспособность транзистора можно, установив выводы транзистора в соответствующие гнезда.

Коэффициент передачи по току – это отношение тока коллектора к току базы.

Чем больше коэффициент передачи, тем большим током коллектора может управлять ток базы при прочих равных условиях.

Цоколевку (наименование выводов) и другие данные можно взять из data sheets (справочных данных) на соответствующий транзистор. Data sheets можно найти в Интернете через поисковые системы.

Коэффициент усиления транзистораТестер покажет на дисплее коэффициент передачи (усиления) тока, который нужно сравнить со справочными данными.

Коэффициент передачи тока маломощных транзисторов может достигать нескольких сотен.

У мощных транзисторов он существенно меньше – несколько единиц или десятков.

Однако существуют мощные транзисторы с коэффициентом передачи в несколько сотен или тысяч. Это так называемые пары Дарлингтона.

Пара ДарлингтонаПара Дарлингтона представляет собой два транзистора. Выходной ток первого транзистора является входным током для второго.

Общий коэффициент передачи тока – это произведение коэффициентов первого и второго транзисторов.

Пара Дарлингтона делается в общем корпусе, но ее можно сделать и из двух отдельных транзисторов.

Транзисторы: принцип работы,​ схема подключения, отличие биполярного от полевого

В свое время за открытие транзистора его создатели удостоились Нобелевской премии. Этот маленький прибор изменил человечество навсегда: начиная с простых радиоприемников и заканчивая процессорами, в которых их число достигает нескольких миллиардов. Между тем, чтобы узнать, как он работает, не нужно быть золотым медалистом или лауреатом «нобелевки».

Где транзисторы купить?

Как и все другие радиокомпоненты транзисторы можно купить в  любом ближайшем  магазине радиодеталей. Если вы живете где-нибудь на окраине и о подобных магазинах не слышали (как я раньше) то остается последний вариант — заказать транзисторы в интернет- магазине. Я сам частенько заказываю радиодетали через интернет-магазины ведь в обычном оффлайн магазине может чего-нибудь просто не оказаться.

Впрочем если вы собираете устройство чисто для себя то можно не париться а добыть из старой, отслужившей свое техники и так сказать вдохнуть в старый радиокомпонет новую жизнь.

Чтож друзья, а на этом у меня все. Все, что планировал я сегодня вам рассказал. Если остались какие-либо вопросы, то задавайте их в комментариях, если вопросов нет то все равно пишите комментарии, мне всегда важно ваше мнение. Кстати не забывайте, что каждый кто впервые оставит комментарий получит подарок.

Также обязательно подпишитесь на новые статьи, потому что дальше вас ждет много интересного и полезного.

Желаю вам удачи, успехов  и солнечного настроения!

С н/п Владимир Васильев

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

email рассылки

Встроенная диодная защита

Защитный диодНекоторые транзисторы (мощные и высоковольтные) могут быть защищены от обратного напряжения встроенным диодом.

Таким образом, если подключить щупы тестера к эмиттеру и коллектору в режиме проверки диодов, то он покажет те же 0,6 – 0,7 В (если диод смещен в прямом направлении) или «запертый диод» (если диод смещен в обратном направлении).

Если же тестер покажет какое-то небольшое напряжение, да еще в обоих направлениях, то транзистор однозначно пробит и подлежит замене. Закоротку можно определить и в режиме измерения сопротивления – тестер покажет малое сопротивление.

Переход закороченВстречается (к счастью, достаточно редко) «подлая» неисправность транзисторов. Это когда он поначалу работает, а по истечению некоторого времени (или по прогреву) меняет свои параметры или отказывает вообще.

Если выпаять такой транзистор и проверить тестером, то он успеет остыть до присоединения щупов, и тестер покажет, что он нормальный. Убедиться в этом лучше всего заменой «подозрительного» транзистора в устройстве.

В заключение скажем, что биполярный транзистор – одна из основных «железок» в электронике. Хорошо бы научиться узнавать – «живы» эти «железки» или нет. Конечно, я дал вам, уважаемые читатели, очень упрощенную картину.

В действительности, работа биполярного транзистора описывается многими формулами, существуют многие их разновидности, но это сложная наука. Желающим копнуть глубже могу порекомендовать чудесную книгу Хоровица и Хилла «Искусство схемотехники».

До встречи на блоге!

Сферы применения

Применение биполярных транзисторов широко распространено во всех областях человеческой деятельности. Основное применение устройства получили в приборах для усиления, генерации электрических сигналов, а также выполняют роль коммутируемого элемента. Их применяют в различных усилителях мощности, в обыкновенных и импульсных блоках питания с возможностью регулирования значений U и I, в компьютерной технике.

Кроме того, их часто используют для построения различной защиты потребителей от перегрузок, скачков U, короткого замыкания. Широкое применение получили в горнодобывающей, металлургической сферах.

См. также

  • Униполярный транзистор

Варианты воплощения

Электрические параметры

Существуют тысячи типов транзисторов с разными свойствами для разных целей. Важными параметрами являются

  • допустимая нагрузка по току I C (ток коллектора; от нескольких миллиампер до примерно 50 ампер),
  • максимальное напряжение нагрузки U CE (обратное напряжение коллектор-эмиттер; от нескольких вольт до нескольких сотен вольт),
  • максимальная потеря мощности P max (от нескольких милливатт до нескольких сотен ватт),
  • коэффициент усиления по току B (примерно от 5 до примерно 1000) и
  • частота среза (примерно от 10 кГц до примерно 100 ГГц).
  • 2N3055 1980-х гг. Обратите внимание на разницу в технологии производства на картинке выше: технология соединения проводов , расстояние между линиями.

  • Перформанс Дарлингтон из 1980-х

Часто на практике несколько типов используются чаще других. Многие транзисторы доступны в качестве дополнительных типов: есть типы pnp и npn с одинаковыми по величине параметрами, но разной полярностью. Здесь представлены некоторые дополнительные типы и их параметры:

  1. Малосигнальные транзисторы (общее применение):
    • Корпус TO-92 (проводной): BC547B (транзистор npn) / BC557B (транзистор pnp): потери мощности P max  = 0,50 Вт; Величина коллекторного тока I C  ≤ 100 мА; Величина обратного напряжения U CE  ≤ 45 В; Коэффициент усиления по току B ≈ 290 (при I C  = 2 мА)
    • Корпус SOT-23 ( SMD ): BC817 (npn) / BC807 (pnp): P max = 0,25 Вт; I C  ≤ 500… 800 мА; U CE  ≤ 45 В; B = 100… 600 (при I C  = 100 мА); Частота передачи F T (мин.) 100 МГц

    Цена на эти типы составляет около 3 центов за небольшие количества, а за большие количества цена снова значительно снижается.

  2. Силовые транзисторы:
    • Корпус ТО-3 : 2N3055 (npn) / MJ2955 (pnp): P max  = 115 Вт; I C  ≤ 15 А; U CEO  ≤ 60 В; B = 20… 70 (при I C | = 4 A); Частота передачи не менее 0,8 МГц
    • Корпус ТО-220 , транзисторы Дарлингтона : TIP130… 132 (npn) / TIP135… 137 (pnp); Ток коллектора до 8 ампер, коэффициент усиления по току не менее 1000 (при токе коллектора 4 ампера), обратное напряжение от 60 до 100 вольт.

Транзисторы Дарлингтона объединяют два транзистора на кристалле в одном корпусе, меньший из которых используется для управления базой большего в схеме эмиттерного повторителя . Коэффициент усиления по току двойного транзистора значительно выше (от 1000 до 30 000), чем у одиночного транзистора, но напряжение насыщения также (около 1 В). Напряжение BE примерно в два раза больше, чем у одиночного транзистора (1,4 В).

Жилищные конструкции

см. также: Список корпусов полупроводников

Дискретные биполярные транзисторы размещаются в разных корпусах в зависимости от предполагаемого использования. Самыми распространенными формами жилья являются:

  • Проводной корпус ( монтаж в сквозное отверстие , короткий THT от технологии сквозного отверстия ):
    • ТО-92 (пластиковый корпус 5 мм × 5,2 мм)
    • ТО-18 и ТО-39 (корпус металлический чашеобразный, герметизированный; устаревший)
    • ТО-220 (пластиковый корпус с выступом для крепления радиатора, 9,9 мм × 15,6 мм)
    • ТО-218 (15 мм × 20,3 мм; пластик с металлической охлаждающей поверхностью)
    • ТО-247 (пластиковый корпус с металлической поверхностью для крепления радиатора)
    • ТО-3 (металлический корпус для крепления радиатора; устарел)
    • ТО-3П (аналог ТО-218; с металлической поверхностью для крепления радиатора)
  • Корпус для поверхностного монтажа ( SMD англ. Surface mount device ); Отвод тепла через паяные соединения на печатной плате :
    • СОТ-23 (1,3 мм × 2,9 мм)
    • СОТ-89 (2,6 мм × 4,5 мм)
    • СОТ-223 (3,5 мм × 6,5 мм)
    • Д-ПАК, Д2-ПАК (повышенные потери мощности)

Литература

  • Электронные твердотельные приборы (online курс)
  • Справочник о транзисторах
  • Принцип работы биполярных транзисторов

Индивидуальные доказательства

  1. ^ A b W. F. Brinkman, DE Haggan, WW Troutman: История изобретения транзистора и куда он нас приведет . В: IEEE Journal of Solid-State Circuits . Лента 32 , нет. 12 , 1997, стр. 1858-1865 , DOI : 10,1109 / 4,643644 . 
  2. И. М. Росс: Изобретение транзистора . В: Труды IEEE . Лента 86 , нет. 1 , 1998, с. 7-28 , DOI : 10,1109 / 4,643644 ( archive.org [PDF, доступ к 28 января 2013]). 
  3. Бо Лоджек: МОП-транзистор . В кн . : История полупроводниковой техники . Springer, Берлин 2007, ISBN 978-3-540-34257-1 , стр. 317 ff . 
  4. Бо Лоджек: МОП-транзистор . В кн . : История полупроводниковой техники . Springer, Берлин 2007, ISBN 978-3-540-34257-1 , стр. 18-20 . 
  5. ^ GK Teal, M. Sparks, E. Buehler: рост монокристаллов германия, содержащих pn переходы . В: Физическое обозрение . Лента 81 , нет. 4 , 1951, стр. 637-637 , DOI : 10,1103 / PhysRev.81.637 . 
  6. Первый кремниевый транзистор, вероятно, был продемонстрирован Моррисом Таненбаумом в Bell Labs в январе 1954 года , но Bell Labs не запатентовала его и держала открытие в секрете. Для истории кремниевого транзистора см Кремниевый транзистор . IEEE, по состоянию на 24 января 2014 г.
Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...