Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.
128. Биполярные транзисторы (принцип действия, конструкция, схемы включения, вольт-амперные характеристики).
Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n(negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.
Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.
Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовленияинтегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику.
Биполярные транзисторы: определение, структура, принцип работы и применение
В этой статье мы рассмотрим основные аспекты биполярных транзисторов, их структуру, принцип работы, типы, а также преимущества и недостатки, чтобы понять их применение в современной электротехнике.
Биполярные транзисторы: определение, структура, принцип работы и применение обновлено: 15 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
Помощь в написании работы
Введение
Добро пожаловать на лекцию по электротехнике! Сегодня мы будем говорить о биполярных транзисторах. Биполярные транзисторы являются одним из основных элементов электроники и широко используются в различных устройствах, от компьютеров до мобильных телефонов. В этой лекции мы рассмотрим определение, структуру, принцип работы, типы, преимущества и недостатки биполярных транзисторов, а также их применение. Давайте начнем!
Нужна помощь в написании работы?
Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Определение биполярных транзисторов
Биполярный транзистор – это электронное устройство, которое используется для усиления и коммутации электрических сигналов. Он состоит из трех слоев полупроводникового материала, образующих два pn-перехода. Эти слои называются эмиттером, базой и коллектором.
Биполярные транзисторы могут быть разных типов: NPN и PNP. В NPN транзисторе эмиттер является типом n, база – p, а коллектор – n. В PNP транзисторе эмиттер является типом p, база – n, а коллектор – p.
Основной принцип работы биполярных транзисторов основан на управлении током, который протекает через базу. При подаче малого тока на базу, транзистор может усилить этот ток и пропустить его через коллектор. Таким образом, биполярные транзисторы могут быть использованы для усиления сигналов и коммутации электрических цепей.
Структура биполярных транзисторов
Биполярные транзисторы состоят из трех основных слоев полупроводникового материала: эмиттера, базы и коллектора. Эти слои образуют два pn-перехода, которые играют ключевую роль в работе транзистора.
Эмиттер
Эмиттер – это слой полупроводникового материала, который обладает большей концентрацией носителей заряда (электронов для NPN транзистора и дырок для PNP транзистора). Он является источником электронов или дырок, которые будут участвовать в токовых процессах в транзисторе.
База
База – это тонкий слой полупроводникового материала, который разделяет эмиттер и коллектор. Он имеет меньшую концентрацию носителей заряда по сравнению с эмиттером и коллектором. База играет роль контролирующего электрода, который регулирует ток, протекающий через транзистор.
Коллектор
Коллектор – это слой полупроводникового материала, который имеет большую площадь и концентрацию носителей заряда по сравнению с базой. Он служит для сбора и отвода тока, который протекает через транзистор.
Таким образом, структура биполярных транзисторов состоит из трех слоев: эмиттера, базы и коллектора. Эти слои образуют два pn-перехода, которые позволяют управлять током, протекающим через транзистор.
Принцип работы биполярных транзисторов
Биполярные транзисторы работают на основе принципа управления током с помощью внешнего сигнала. Они состоят из трех слоев полупроводникового материала: эмиттера, базы и коллектора.
Эмиттер
Эмиттер – это слой полупроводникового материала, который имеет высокую концентрацию носителей заряда (электронов или дырок). Он является источником электронов или дырок для транзистора.
База
База – это тонкий слой полупроводникового материала, который разделяет эмиттер и коллектор. Он имеет меньшую концентрацию носителей заряда по сравнению с эмиттером и коллектором. База играет роль контролирующего электрода, который регулирует ток, протекающий через транзистор.
Коллектор
Коллектор – это слой полупроводникового материала, который имеет большую площадь и концентрацию носителей заряда по сравнению с базой. Он служит для сбора и отвода тока, который протекает через транзистор.
Таким образом, структура биполярных транзисторов состоит из трех слоев: эмиттера, базы и коллектора. Эти слои образуют два pn-перехода, которые позволяют управлять током, протекающим через транзистор.
Принцип работы биполярных транзисторов основан на явлении инжекции носителей заряда через pn-переходы. Когда на базу подается положительное напряжение, электроны из эмиттера инжектируются в базу и далее в коллектор. Это приводит к увеличению тока, протекающего через транзистор.
Когда на базу подается отрицательное напряжение, инжекция электронов из эмиттера в базу прекращается, и ток через транзистор уменьшается. Таким образом, биполярные транзисторы могут работать в режиме усиления или в режиме переключения.
Принцип работы биполярных транзисторов позволяет использовать их в различных электронных устройствах, таких как усилители, генераторы, логические схемы и другие.
Типы биполярных транзисторов
Существует несколько типов биполярных транзисторов, которые отличаются своей структурой и принципом работы. Основные типы биполярных транзисторов включают:
PNP транзисторы
PNP транзисторы состоят из двух слоев полупроводникового материала P-типа, разделенных слоем N-типа. В таком транзисторе эмиттером является слой P-типа, базой – слой N-типа, а коллектором – второй слой P-типа. При подаче положительного напряжения на базу, электроны из эмиттера инжектируются в базу, а затем дрейфуют в коллектор. PNP транзисторы обычно используются в схемах с положительным источником питания.
NPN транзисторы
NPN транзисторы имеют обратную структуру по сравнению с PNP транзисторами. В таком транзисторе эмиттером является слой N-типа, базой – слой P-типа, а коллектором – второй слой N-типа. При подаче положительного напряжения на базу, электроны из эмиттера инжектируются в базу и дрейфуют в коллектор. NPN транзисторы обычно используются в схемах с отрицательным источником питания.
Дарлингтоновы транзисторы
Дарлингтоновы транзисторы состоят из двух биполярных транзисторов, соединенных последовательно. Они обеспечивают очень высокое усиление тока и могут использоваться в схемах с низким уровнем входного сигнала.
Фототранзисторы
Фототранзисторы – это биполярные транзисторы, которые реагируют на световое излучение. Они имеют фоточувствительный слой, который генерирует электроны при поглощении фотонов. Фототранзисторы широко используются в оптоэлектронике и сенсорных устройствах.
Каждый из этих типов биполярных транзисторов имеет свои особенности и применяется в различных схемах и устройствах в зависимости от требуемых характеристик и условий работы.
Преимущества и недостатки биполярных транзисторов
Преимущества:
1. Усиление сигнала: Биполярные транзисторы могут усиливать слабые сигналы, что делает их полезными в усилительных схемах.
2. Высокая скорость переключения: Биполярные транзисторы обладают высокой скоростью переключения, что позволяет им работать в высокочастотных схемах.
3. Широкий диапазон рабочих температур: Биполярные транзисторы могут работать в широком диапазоне температур, что делает их подходящими для использования в различных условиях.
4. Низкое входное сопротивление: Биполярные транзисторы имеют низкое входное сопротивление, что обеспечивает эффективную передачу сигнала от источника к нагрузке.
Недостатки:
1. Высокое потребление энергии: Биполярные транзисторы потребляют больше энергии по сравнению с другими типами транзисторов, такими как полевые транзисторы.
2. Ограниченная мощность: Биполярные транзисторы имеют ограниченную мощность, что ограничивает их использование в высокомощных схемах.
3. Большие размеры: Биполярные транзисторы обычно имеют большие размеры, что может быть проблемой в некоторых компактных устройствах.
4. Тепловые проблемы: Из-за высокого потребления энергии биполярные транзисторы могут нагреваться, что требует дополнительных мер по охлаждению.
Несмотря на некоторые недостатки, биполярные транзисторы широко используются в различных электронных устройствах и схемах благодаря своим преимуществам в усилении сигнала и высокой скорости переключения.
Применение биполярных транзисторов
Биполярные транзисторы широко используются в различных электронных устройствах и схемах благодаря своим преимуществам в усилении сигнала и высокой скорости переключения. Вот некоторые области применения биполярных транзисторов:
Усилители
Биполярные транзисторы широко применяются в усилителях для усиления электрических сигналов. Они могут быть использованы в аудиоусилителях, радиоприемниках, телевизорах и других аудио- и видеоустройствах. Биполярные транзисторы обеспечивают высокую усилительную мощность и низкий уровень искажений, что делает их идеальными для усиления слабых сигналов.
Импульсные источники питания
Биполярные транзисторы используются в импульсных источниках питания для преобразования переменного тока в постоянный ток. Они обеспечивают высокую эффективность и стабильность выходного напряжения, что делает их незаменимыми во многих электронных устройствах, таких как компьютеры, телекоммуникационное оборудование и промышленные системы.
Логические схемы
Биполярные транзисторы используются в логических схемах для выполнения логических операций, таких как И, ИЛИ, НЕ и другие. Они обеспечивают высокую скорость переключения и надежность работы, что делает их идеальными для использования в цифровых устройствах, таких как компьютеры, микроконтроллеры и микропроцессоры.
Высокочастотные устройства
Биполярные транзисторы также широко применяются в высокочастотных устройствах, таких как радиопередатчики, радиоприемники и радары. Они обеспечивают высокую скорость переключения и низкий уровень шума, что позволяет передавать и принимать сигналы на высоких частотах.
В целом, биполярные транзисторы являются важными элементами в электронике и находят широкое применение в различных устройствах и системах. Их высокая усилительная мощность, скорость переключения и надежность работы делают их незаменимыми компонентами для многих приложений.
Таблица свойств биполярных транзисторов
| Свойство | Описание |
|---|---|
| Типы | Биполярные транзисторы могут быть NPN или PNP типа. |
| Структура | Биполярные транзисторы состоят из трех слоев: эмиттера, базы и коллектора. |
| Принцип работы | Биполярные транзисторы работают на основе переноса носителей заряда через базу. |
| Усиление | Биполярные транзисторы могут усиливать сигналы и выполнять функцию коммутации. |
| Преимущества | Биполярные транзисторы обладают высоким коэффициентом усиления и могут работать при высоких температурах. |
| Недостатки | Биполярные транзисторы требуют большей мощности для работы и имеют более сложную структуру. |
| Применение | Биполярные транзисторы широко используются в электронике, включая усилители, источники питания и логические схемы. |
Заключение
Биполярные транзисторы являются важным элементом в электротехнике и электронике. Они обладают сложной структурой и принципом работы, но их преимущества и применение делают их неотъемлемой частью многих устройств. Биполярные транзисторы широко используются в усилителях, логических схемах, и других электронных устройствах. Понимание основных свойств и принципов работы биполярных транзисторов позволяет эффективно проектировать и отлаживать электронные схемы.
Биполярные транзисторы: определение, структура, принцип работы и применение обновлено: 15 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
Для чего нужны биполярные транзисторы? Его устройство и принцип работы.
Биполярный транзистор (Bipolar Junction Transistor, BJT) — это полупроводниковое электронное устройство, используемое в электронных схемах в качестве усилителя сигналов или в качестве переключателя. Он состоит из трех слоев полупроводниковых материалов, обычно кремния (Si) или германия (Ge), соединенных вместе.
Устройство
Конструкция биполярного транзистора состоит из трех слоев полупроводникового материала, каждый из которых имеет определенный тип примесей. Эти слои называются коллектор, база и эмиттер.
Коллектор — это слой, который является большим и имеет меньшую концентрацию носителей заряда, чем база. Он играет роль коллектора электронов или дырок, в зависимости от типа транзистора. Коллектор обычно имеет положительную полярность (p-type) при PNP транзисторах или отрицательную полярность (n-type) при NPN транзисторах.
База — это средний слой, который находится между коллектором и эмиттером. Он имеет большую концентрацию примесей, чем коллектор, и меньшую, чем эмиттер. База играет роль регулятора тока в транзисторе. Она также имеет обратную полярность по сравнению с коллектором.
Эмиттер — это слой, который имеет самую большую концентрацию примесей среди всех трех слоев. Он играет роль источника электронов или дырок, в зависимости от типа транзистора. Эмиттер обычно имеет противоположную полярность по сравнению с коллектором.
Ток управления транзистора — это ток, который подается на базу транзистора для управления током, протекающим через коллектор и эмиттер. При подаче положительного напряжения на базу PNP транзистора или отрицательного напряжения на базу NPN транзистора, база становится более проводимой, что приводит к увеличению тока коллектора. Ток коллектора увеличивается в зависимости от коэффициента усиления транзистора (β), который определяет отношение тока коллектора к току управления.
Типы подключения биполярного транзистора
Существует несколько способов подключения биполярного транзистора, которые мы рассмотрим ниже.
- Подключение эмиттерного повторителя (common emitter connection). В этом подключении эмиттер транзистора подключен к общей точке (например, к земле), база подключена к источнику управляющего сигнала, а коллектор — к нагрузке. Такое подключение позволяет получить высокое усиление сигнала.
- Подключение базового повторителя (common base connection). В этом подключении база транзистора подключена к общей точке, коллектор — к нагрузке, а эмиттер — к источнику управляющего сигнала. Такое подключение обеспечивает высокую входную импеданс транзистора и низкую выходную импеданс.
- Подключение коллекторного повторителя (common collector connection). В этом подключении коллектор транзистора подключен к общей точке, база — к источнику управляющего сигнала, а эмиттер — к нагрузке. Такое подключение обеспечивает высокую входную и выходную импедансы.
- Другие подключения. Кроме того, существуют и другие способы подключения биполярных транзисторов, такие как комплементарное симметричное подключение (complementary symmetry connection) и полностью дифференциальное подключение (fully differential connection), которые применяются в специфических цепях усиления.
Схема подключения
Схема подключения биполярных транзисторов зависит от конкретной задачи, которую нужно решить. Однако, в общем случае, биполярный транзистор может быть подключен в одном из трех основных режимов работы: эмиттерный (Emitter), базисный (Base) и коллекторный (Collector).
Эмиттерный режим
В эмиттерном режиме, эмиттер транзистора подключается к общей точке, базовый контакт подключается к источнику управляющего сигнала, а коллекторный контакт подключается к нагрузке. Этот режим чаще всего используется для усилителей и коммутаторов.
Базовый режим
В базовом режиме, базовый контакт подключается к источнику управляющего сигнала, а эмиттерный и коллекторный контакты подключаются к нагрузке. Этот режим чаще всего используется для создания логических элементов, таких как триггеры и инверторы.
Коллекторный режим
В коллекторном режиме, коллекторный контакт подключается к общей точке, базовый контакт подключается к источнику управляющего сигнала, а эмиттерный контакт подключается к нагрузке. Этот режим чаще всего используется для создания стабилизаторов напряжения и токов.
Важно отметить, что в каждом из этих режимов подключения существуют различные вариации, которые позволяют использовать биполярные транзисторы для решения конкретных задач в электронике.
Преимущества и недостатки
Биполярные транзисторы являются одними из наиболее распространенных типов транзисторов, используемых в электронике. Вот некоторые из их преимуществ и недостатков.
Преимущества
- Биполярные транзисторы имеют большую скорость коммутации, что означает, что они могут быстро включаться и выключаться, что делает их хорошим выбором для быстродействующих устройств.
- Они имеют высокий коэффициент усиления, что означает, что малая входная мощность может быть усилена до более высокой выходной мощности.
- Они имеют относительно низкое входное сопротивление, что означает, что они могут легко управляться низкой входной мощностью.
- Они могут работать в широком диапазоне температур и напряжений.
Недостатки
- Биполярные транзисторы имеют высокое потребление энергии, что может приводить к нагреву их при работе с большими мощностями.
- Они могут иметь большие размеры по сравнению с другими типами транзисторов, что делает их менее подходящими для некоторых приложений.
- Они могут быть менее надежными, чем некоторые другие типы транзисторов, из-за возможности разрушения диэлектрической структуры в материалах при высоких напряжениях и токе.
- Биполярные транзисторы могут быть чувствительны к воздействию окружающей среды, что может привести к снижению их эффективности в некоторых условиях.
Сфера применения
Биполярные транзисторы широко применяются в электронике для усиления и коммутации сигналов. Вот некоторые из областей их применения:
- Телекоммуникации: Биполярные транзисторы используются в усилителях радиосигналов, передатчиках, приемниках и других устройствах связи.
- Энергетика: Биполярные транзисторы используются в источниках питания, инверторах и других устройствах управления электроэнергией.
- Автомобильная промышленность: Биполярные транзисторы используются в устройствах зажигания и управления двигателем.
- Промышленность: Биполярные транзисторы могут использоваться для управления двигателями, освещением и другими устройствами в производственной сфере.
- Медицинская техника: Биполярные транзисторы используются в медицинской технике для управления двигателями в медицинских приборах и аппаратах.
- Компьютеры: Биполярные транзисторы используются в компьютерах для усиления и коммутации сигналов, а также в других устройствах, связанных с компьютерной техникой.
- Электроника потребительских товаров: Биполярные транзисторы могут использоваться в устройствах бытовой техники, таких как телевизоры, радиоприемники, стиральные машины и др.
Заключение
Биполярные транзисторы являются важными элементами электроники и широко применяются в различных областях, включая телекоммуникации, энергетику, автомобильную промышленность, медицинскую технику и компьютеры. Они обладают высоким коэффициентом усиления и скоростью коммутации, а также могут работать в широком диапазоне температур и напряжений. Однако у них есть некоторые недостатки, такие как высокое потребление энергии и большие размеры. В целом, биполярные транзисторы продолжают оставаться важными элементами в электронике и применяются в широком спектре устройств.
- 28.03.2023
Транзисторы
Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей).
Главные преимущества полевых транзисторов
- Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.
- Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.
- Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.
- У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.
- Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С).
- Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».
- При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор. Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0.6В необходимо, чтобы PN-переход внутри прибора начал проводить). Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора, паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего, вся схема может выйти из строя.
- Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт.