Npn pnp транзисторы: В чем различие между PNP и NPN транзистором?

Содержание

В чем различие между PNP и NPN транзистором?

Существует два основных типа транзисторов – биполярные и полевые. Биполярные транзисторы изготавливаются из легированных материалов и могут быть двух типов – NPN и PNP. Транзистор имеет три вывода, известные как эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). На рисунке, приведенном ниже, изображен NPN транзистор где, при основных режимах работы (активном, насыщении, отсечки) коллектор имеет положительный потенциал, эмиттер отрицательный, а база используется для управления состоянием транзистора.

Физика полупроводников в этой статье обсуждаться  не будет, однако, стоит упомянуть, что биполярный транзистор состоит из трех отдельных частей, разделенных двумя p-n переходами. Транзистор PNP имеет одну N область, разделенную двумя P областями:

Транзистор NPN имеет одну P область, заключенную между двумя N областями:

Сочленения между N и P областями аналогичны переходам в диодах, и они также могут быть с прямым и обратным смещением p-n перехода. Данные устройства могут работать в разных режимах в зависимости от типа смещения:

  • Отсечка: работа в этом режиме тоже происходит при переключении. Между эмиттером и коллектором ток не протекает, практически «обрыв цепи», то еесть «контакт разомкнут».
  • Активный режим: транзистор работает в схемах усилителей. В данном режиме его характеристика практически линейна. Между эмиттером и коллектором протекает ток, величина которого зависит от значения напряжения смещения (управления) между эмиттером и базой.
  • Насыщение: работает при переключении. Между эмиттером и коллектором происходит практически «короткое замыкание» , то есть «контакт замкнут».
  • Инверсный активный режим: как и в активном, ток транзистора пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении. Используется очень редко.

В транзисторе NPN положительное напряжение подается на коллектор для создания тока от коллектора к эмиттеру. В PNP транзисторе положительное напряжение подается на эмиттер для создания тока от эмиттера к коллектору. В NPN ток течет от коллектора (К) к эмиттеру (Э):

А в PNP ток протекает от эмиттера к коллектору:

Ясно, что направления тока и полярности напряжения в PNP и NPN всегда противоположны друг другу. Транзисторы NPN требуют питания с положительной полярностью относительно общих клемм, а PNP транзисторы требуют отрицательного питания.

PNP и NPN работают почти одинаково, но их режимы отличаются из-за полярностей. Например, чтобы перевести NPN в режим насыщения, UБ должно быть выше, чем UК и UЭ. Ниже приводится краткое описание режимов работы в зависимости от их напряжения:

Основным принципом работы любого биполярного транзистора является управление током базы для регулирования протекающего тока между эмиттером и коллектором. Принцип работы NPN и PNP транзисторов один и тот же. Единственное различие заключается в полярности напряжений, подаваемых на их N-P-N и P-N-P переходы, то есть на эмиттер-базу-коллектор.

PNP транзистор. Устройство и принцип работы, схема подключения

Стоит отметить, что транзистор, в котором один полупроводник имеет n-тип и размещен между двумя полупроводниками p-типа, называют PNP-транзистор.

Данное устройство с управлением по току. Это означает, что ток базы контролирует ток эмиттера и коллектора. Транзистор PNP имеет два кристаллических диода, соединенных друг с другом. Левая сторона диода известна как диод на основе перехода эмиттер-база, а правая сторона диода известна как диод на основе коллекторного перехода.

Дырки являются основным носителем транзисторов PNP, которые составляют ток в нем. Ток внутри транзистора формируется изменением положения дырок, а на выводах — из-за потока электронов. Транзистор PNP включается, когда через базу протекает небольшой ток. Направление тока в PNP-транзисторе от эмиттера к коллектору.

Буква транзистора PNP указывает на напряжение, требуемое эмиттером, коллектором и базой. База транзистора PNP всегда была отрицательной по отношению к эмиттеру и коллектору. В PNP-транзисторе электроны перемещаются с базы. Ток, который входит в базу, усиливается на выводах коллектора.

Обозначение на схеме PNP транзистора

Обозначение PNP-транзистора на электрических схемах показано на рисунке ниже. Стрелка внутрь показывает, что направление тока в устройстве PNP типа от эмиттера к коллектору.

Устройство PNP транзистора

Конструкция PNP-транзистора показана на рисунке ниже. Эмиттер-база соединены в прямом смещении, а коллектор-база соединены в обратном смещении. Эмиттер, который подключен в прямом смещении, притягивает электроны к базе и, следовательно, создается ток, протекающий по пути от эмиттера к коллектору.

База транзистора всегда остается положительной по отношению к коллектору, так что дырки не могут «мигрировать» от коллектора к базе. И переход база-эмиттер поддерживает ток, благодаря чему дырки из области эмиттера входят в базу, а затем в область коллектора, пересекая область истощения.

Принцип работы PNP транзистора

Переход эмиттер-база соединен в прямом смещении, благодаря чему эмиттер выталкивает дырки в базу. Дырки и составляют ток эмиттера. Когда носители перемещаются в полупроводниковый материал или основу N-типа, они объединяются с электронами. База транзистора тонкая и слаболегированная. Следовательно, только несколько дырок в сочетании с электронами движутся в направлении слоя пространственного заряда коллектора. Отсюда получается ток базы.

Область основания коллектора соединена в обратном смещении. Дырки, которые накапливаются вокруг области истощения p-n перехода при воздействии отрицательной полярности, собираются или притягиваются коллектором. Таким образом создается ток коллектора. Полный ток эмиттера протекает через ток коллектора IC.

NPN транзистор. Устройство и принцип работы, схема подключения

Итак, транзистор, в котором один полупроводник p-типа размещен между двумя полупроводниками n-типа, известен как NPN-транзистор.

Транзистор NPN усиливает сигнал, поступающий на базу, и генерирует усиленный сигнал на коллекторе. В NPN-транзисторе направление движения электрона происходит от эмиттера к коллектора, из-за чего ток и протекает через транзистор. Устройства такого типа очень часто используют в электрических схемах, потому что их основными носителями заряда являются электроны, которые имеют высокую подвижность по сравнению с дырками (положительно заряженные носители).

Конструкция NPN транзистора

Транзистор NPN, по сути, это два диода, соединенных друг с другом. Диод на левой стороне называется диод на основе перехода «эмиттер-база», а диоды на правой стороне называют диод на основе коллекторного перехода. Имена были подобраны согласно названию переходов.

Транзистор NPN имеет три клеммы, а именно эмиттер, коллектор и базу. Средняя часть NPN-транзистора слегка легирована, и это является наиболее важным фактором его работы. Эмиттер умеренно легирован, а коллектор сильно легирован.

Схема включения NPN транзистора

Принципиальная схема NPN-транзистора показана на рисунке ниже. Коллектор и база подключены в обратном смещении, а эмиттер и база подключены в прямом смещении. Коллектор и база, через которую ведется управление состоянием транзистора ВКЛ./ВЫКЛ., всегда подключены к положительному полюсу источника питания, а эмиттер подключен к отрицательному полюсу источника питания.

Как работает NPN транзистор

Принципиальная схема NPN-транзистора показана на рисунке ниже. Прямое смещение применяется через соединение эмиттер-база, а обратное смещение применяется через соединение коллектор-база. Напряжение прямого смещения VEB мало по сравнению с напряжением обратного смещения VCB.

Эмиттер NPN-транзистора сильно легирован. Когда прямое смещение прикладывается к эмиттеру, большинство носителей заряда движутся к базе. Это вызывает протекание тока эмиттера IE. Электроны входят в материал P-типа и соединяются с дырками.

База NPN-транзистора слегка легирована. Из-за чего только несколько электронов объединяются, а оставшиеся составляют ток базы IB. Ток базы проникает в область коллектора. Обратный потенциал смещения области коллектора прикладывает высокую силу притяжения к электронам, достигающим коллектора. Таким образом, привлекают или собирают электроны на коллекторе.

Весь ток эмиттера входит в базу. Таким образом, можно сказать, что ток эмиттера является суммой токов коллектора и базы.

схема подключения. Какая разница между PNP и NPN-транзисторами? :: SYL.ru

PNP-транзистор является электронным прибором, в определенном смысле обратном NPN-транзистору. В этом типе конструкции транзистора его PN-переходы открываются напряжениями обратной полярности по отношению к NPN-типу. В условном обозначении прибора стрелка, которая также определяет вывод эмиттера, на этот раз указывает внутрь символа транзистора.

Конструкция прибора

Конструктивная схема транзистора PNP-типа состоит из двух областей полупроводникового материала p-типа по обе стороны от области материала n-типа, как показано на рисунке ниже.

Стрелка определяет эмиттер и общепринятое направление его тока («внутрь» для транзистора PNP).

PNP-транзистор имеет очень схожие характеристики со своим NPN-биполярным собратом, за исключением того, что направления токов и полярности напряжений в нем обратные для любой из возможных трех схем включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

Основные отличия двух типов биполярных транзисторов

Главным различием между ними считается то, что дырки являются основными носителями тока для транзисторов PNP, NPN-транзисторы имеют в этом качестве электроны. Поэтому полярности напряжений, питающих транзистор, меняются на обратные, а его входной ток вытекает из базы. В отличие от этого, у NPN-транзистора ток базы втекает в нее, как показано ниже на схеме включения приборов обоих типов с общей базой и общим эмиттером.

Принцип работы транзистора PNP-типа основан на использовании небольшого (как и у NPN-типа) базового тока и отрицательного (в отличие от NPN-типа) базового напряжения смещения для управления гораздо большим эмиттерно-коллекторным током. Другими словами, для транзистора PNP эмиттер является более положительным по отношению к базе, а также по отношению к коллектору.

Рассмотрим отличия PNP-типа на схеме включения с общей базой

Действительно, из нее можно увидеть, что ток коллектора IC (в случае транзистора NPN) вытекает из положительного полюса батареи B2, проходит по выводу коллектора, проникает внутрь него и должен далее выйти через вывод базы, чтобы вернуться к отрицательному полюсу батареи. Таким же образом, рассматривая цепь эмиттера, можно увидеть, как его ток от положительного полюса батареи B1 входит в транзистор по выводу базы и далее проникает в эмиттер.

По выводу базы, таким образом, проходит как ток коллектора IC, так и ток эмиттера IE. Поскольку они циркулируют по своим контурам в противоположных направлениях, то результирующий ток базы равен их разности и очень мал, так как IC немного меньше, чем IE. Но так как последний все же больше, то направление протекания разностного тока (тока базы) совпадает с IE, и поэтому биполярный транзистор PNP-типа имеет вытекающий из базы ток, а NPN-типа – втекающий.

Отличия PNP-типа на примере схемы включения с общим эмиттером

В этой новой схеме PN-переход база-эмиттер открыт напряжением батареи B1, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении посредством напряжения батареи В2. Вывод эмиттера, таким образом, является общим для цепей базы и коллектора.

Полный ток эмиттера задается суммой двух токов IC и IB; проходящих по выводу эмиттера в одном направлении. Таким образом, имеем IE = IC + IB.

В этой схеме ток базы IB просто «ответвляется» от тока эмиттера IE, также совпадая с ним по направлению. При этом транзистор PNP-типа по-прежнему имеет вытекающий из базы ток IB, а NPN-типа – втекающий.

В третьей из известных схем включения транзисторов, с общим коллектором, ситуация точно такая же. Поэтому мы ее не приводим в целях экономии места и времени читателей.

PNP-транзистор: подключение источников напряжения

Источник напряжения между базой и эмиттером (VBE) подключается отрицательным полюсом к базе и положительным к эмиттеру, потому что работа PNP-транзистора происходит при отрицательном смещении базы по отношению к эмиттеру.

Напряжение питания эмиттера также положительно по отношению к коллектору (VCE). Таким образом, у транзистора PNP-типа вывод эмиттера всегда более положителен по отношению как к базе, так и к коллектору.

Источники напряжения подключаются к PNP-транзистору, как показано на рисунке ниже.

На этот раз коллектор подключен к напряжению питания VCC через нагрузочный резистор, RL, который ограничивает максимальный ток, протекающий через прибор. Базовое напряжения VB, которое смещает ее в отрицательном направлении по отношению к эмиттеру, подано на нее через резистор RB, который снова используется для ограничения максимального тока базы.

Работа PNP-транзисторного каскада

Итак, чтобы вызвать протекание базового тока в PNP-транзисторе, база должна быть более отрицательной, чем эмиттер (ток должен покинуть базу) примерно на 0,7 вольт для кремниевого прибора или на 0,3 вольта для германиевого. Формулы, используемые для расчета базового резистора, базового тока или тока коллектора такие же, как те, которые используются для эквивалентного NPN-транзистора и представлены ниже.

Мы видим, что фундаментальным различием между NPN и PNP-транзистором является правильное смещение pn-переходов, поскольку направления токов и полярности напряжений в них всегда противоположны. Таким образом, для приведенной выше схеме: IC = IE – IB, так как ток должен вытекать из базы.

Как правило, PNP-транзистор можно заменить на NPN в большинстве электронных схем, разница лишь в полярности напряжения и направлении тока. Такие транзисторы также могут быть использованы в качестве переключающих устройств, и пример ключа на PNP-транзисторе показан ниже.

Характеристики транзистора

Выходные характеристики транзистора PNP-типа очень похожи на соответствующие кривые эквивалентного NPN-транзистора, за исключением того, что они повернуты на 180° с учетом реверса полярности напряжений и токов (токи базы и коллектора, PNP-транзистора отрицательны). Точно также, чтобы найти рабочие точки транзистора PNP-типа, его динамическая линия нагрузки может быть изображена в III-й четверти декартовой системы координат.

Типовые характеристики PNP-транзистора 2N3906 показаны на рисунке ниже.

Транзисторные пары в усилительных каскадах

Вы можете задаться вопросом, что за причина использовать PNP-транзисторы, когда есть много доступных NPN-транзисторов, которые могут быть использованы в качестве усилителей или твердотельных коммутаторов? Однако наличие двух различных типов транзисторов — NPN и PNP — дает большие преимущества при проектировании схем усилителей мощности. Такие усилители используют «комплементарные», или «согласованные” пары транзисторов (представляющие собой один PNP-транзистор и один NPN, соединенные вместе, как показано на рис. ниже) в выходном каскаде.

Два соответствующих NPN и PNP-транзистора с близкими характеристиками, идентичными друг другу, называются комплементарными. Например, TIP3055 (NPN-тип) и TIP2955 (PNP-тип) являются хорошим примером комплементарных кремниевых силовых транзисторов. Они оба имеют коэффициент усиления постоянного тока β=IC/IB согласованный в пределах 10% и большой ток коллектора около 15А, что делает их идеальными для устройств управления двигателями или роботизированных приложений.

Кроме того, усилители класса B используют согласованные пары транзисторов и в своих выходной мощных каскадах. В них NPN-транзистор проводит только положительную полуволну сигнала, а PNP-транзистор – только его отрицательную половину.

Это позволяет усилителю проводить требуемую мощность через громкоговоритель в обоих направлениях при заданной номинальной мощности и импедансе. В результате выходной ток, который обычно бывает порядка нескольких ампер, равномерно распределяется между двумя комплементарными транзисторами.

Транзисторные пары в схемах управления электродвигателями

Их применяют также в H-мостовых цепях управления реверсивными двигателями постоянного тока, позволяющих регулировать ток через двигатель равномерно в обоих направлениях его вращения.

H-мостовая цепь выше называется так потому, что базовая конфигурация ее четырех переключателей на транзисторах напоминает букву «H» с двигателем, расположенным на поперечной линии. Транзисторный H-мост, вероятно, является одним из наиболее часто используемых типов схемы управления реверсивным двигателем постоянного тока. Он использует «взаимодополняющие» пары транзисторов NPN- и PNP-типов в каждой ветви, работающих в качестве ключей при управлении двигателем.

Вход управления A обеспечивает работу мотора в одном направлении, в то время как вход B используется для обратного вращения.

Например, когда транзистор TR1 включен, а TR2 выключен, вход A подключен к напряжению питания (+ Vcc), и если транзистор TR3 выключен, а TR4 включен, то вход B подключен к 0 вольт (GND). Поэтому двигатель будет вращаться в одном направлении, соответствующем положительному потенциалу входа A и отрицательному входа B.

Если состояния ключей изменить так, чтобы TR1 был выключен, TR2 включен, TR3 включен, а TR4 выключен, ток двигателя будет протекать в противоположном направлении, что повлечет его реверсирование.

Используя противоположные уровни логической «1» или «0» на входах A и B, можно управлять направлением вращения мотора.

Определение типа транзисторов

Любые биполярные транзисторы можно представить состоящими в основном из двух диодов, соединенных вместе спина к спине.

Мы можем использовать эту аналогию, чтобы определить, относится ли транзистор к типу PNP или NPN путем тестирования его сопротивления между его тремя выводами. Тестируя каждую их пару в обоих направлениях с помощью мультиметра, после шести измерений получим следующий результат:

1. Эмиттер — База. Эти выводы должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

2. Коллектор — База. Эти выводы также должны действовать как обычный диод и проводить ток только в одном направлении.

3. Эмиттер — Коллектор. Эти выводы не должен проводить в любом направлении.

Значения сопротивлений переходов транзисторов обоих типов

Пара выводов транзистораPNPNPN
КоллекторЭмиттерRВЫСОКОЕRВЫСОКОЕ
КоллекторБазаRНИЗКОЕRВЫСОКОЕ
ЭмиттерКоллекторRВЫСОКОЕRВЫСОКОЕ
ЭмиттерБазаRНИЗКОЕRВЫСОКОЕ
БазаКоллекторRВЫСОКОЕRНИЗКОЕ
БазаЭмиттерRВЫСОКОЕRНИЗКОЕ

Тогда мы можем определить PNP-транзистор как исправный и закрытый. Небольшой выходной ток и отрицательное напряжение на его базе (B) по отношению к его эмиттеру (E) будет его открывать и позволит протекать значительно большему эмиттер-коллекторному току. Транзисторы PNP проводят при положительном потенциале эмиттера. Иными словами, биполярный PNP-транзистор будет проводить только в том случае, если выводы базы и коллектором являются отрицательным по отношению к эмиттеру.

Транзистор | Электронные печеньки

Транзистор

Транзистор — полупроводниковый прибор позволяющий с помощью слабого сигнала управлять более сильным сигналом. Из-за такого свойства часто говорят о способности транзистора усиливать сигнал. Хотя фактически, он ничего не усиливает, а просто позволяет включать и выключать большой ток гораздо более слабыми токами. Транзисторы весьма распространены в электронике, ведь вывод любого контроллера редко может выдавать ток более 40 мА, поэтому, даже 2-3 маломощных светодиода уже не получится питать напрямую от микроконтроллера. Тут на помощь и приходят транзисторы. В статье рассматриваются основные типы транзисторов, отличия P-N-P от N-P-N биполярных транзисторов, P-channel от N-channel полевых транзисторов, рассматриваются основные тонкости подключения транзисторов и раскрываются сферы их применения.

Не стоит путать транзистор с реле. Реле — простой выключатель. Суть его работы в замыкании и размыкании металлических контактов. Транзистор устроен сложнее и в основе его работы лежит электронно-дырочный переход. Если вам интересно узнать об этом больше, вы можете посмотреть прекрасное видео, которое описывает работу транзистора от простого к сложному. Пусть вас не смущает год производства ролика — законы физики с тех пор не изменились, а более нового видео, в котором так качественно преподносится материал, найти не удалось:

Биполярный транзистор

Биполярный транзисто предназначен для управления слабыми нагрузками (например, маломощные моторы и сервоприводы). У него всегда есть три вывода:

  • Коллектор (англ. collector) — подаётся высокое напряжение, которым транзистор управляет

  • База (англ. base) — подаётся или отключается ток для открытия или закрытия транзистора
  • Эмиттер (англ. emitter) — «выпускной» вывод транзистоа. Через него вытекает ток от коллектора и базы.

Биполярный транзистор управляется током. Чем больший ток подаётся на базу, тем больший ток потечёт от коллектора к эмиттеру. Отношение тока, проходящего от эмиттера к коллектору к току на базе транзистора называется коэффициент усиления. Обозначается как hfe (в английской литературе называется gain).

Например, если hfe = 150, и через базу проходит 0.2 мА, то транзистор пропустит через себя максимум 30 мА. Если подключен компонент, который потребляет 25 мА (например, светодиод), ему будет предоставлено 25 мА. Если же подключен компонент, который потребляет 150 мА, ему будут предоставлены только максимальные 30 мА. В документации к контакту указываются предельно допустимые значени токов и напряжений база->эмиттер и коллектор->эмиттер. Превышение этих значений ведёт к перегреву и выходу из строя транзистора.

Весёлые картинки:

Работа биполярного транзистора

NPN и PNP биполярные транзисторы

Различают 2 типа полярных транзисторов: NPN и PNP. Отличаются они чередованием слоёв. N (от negative — отрицательный) — это слой с избытком отрицательных переносчиков заряда (электронов), P (от positive — положительный) — слой с избытком положительных переносчиков заряда (дырок). Подробнее о электронах и дырках рассказано в видео, приведённом выше.

От чередования слоёв зависит поведение транзисторов. На анимации выше представлен NPN транзистор. В PNP управление транзистором устроено наоборот — ток через транзистор течёт, когда база заземлена и блокируется, когда через базу пропускают ток. В отображении на схеме PNP и NPN отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает на переход от N к P:

Обозначение NPN (слева) и PNP (справа) транзисторов на схеме

NPN транзисторы более распространены в электронике, потому что являются более эффективными.

Полевый транзистор

Полевые транзисторы отличаются от биполярных внутренним устройством. Наиболее распространены в любительской электронике МОП транзисторы. МОП — это аббревиатура от металл-оксид-проводник. То-же самое по английски: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor сокращённо MOSFET. МОП транзисторы позволяют управлять большими мощностями при сравнительно небольших размерах самого транзистора. Управление транзистором обеспечивается напряжением, а не током. Поскольку транзистором управляет электрическое поле, транзистор и получил своё название —  полевой.

Полевые транзисторы имеют как минимум 3 вывода:

  • Сток (англ. drain) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять

  • Затвор (англ. gate) — на него подаётся напряжение для управления транзистором

  • Исток (англ. source) — через него проходит ток со стока, когда транзистор «открыт»

Здесь должна быть анимация с полевым транзистором, но она ничем не будет отличаться от биполярного за исключением схематического отображения самих транзисторов, поэтому анимации не будет.

N канальные и P канальные полевые транзисторы

Полевые транзисторы тоже делятся на 2 типа в зависимости от устройства и поведения. N канальный (N channel) открывается, когда на затвор подаётся напряжение и закрывается. когда напряжения нет. P канальный (P channel) работает наоборот: пока напряжения на затворе нет, через транзистор протекает ток. При подаче напряжения на затвор, ток прекращается. На схеме полевые транзисторы изображаются несколько иначе:

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.

P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

Обозначение N канальных (слева) и P канальных (справа) транзисторов на схеме

Существует заблуждение, согласно которому полевой транзистор может управлять переменным током. Это не так. Для управления переменным током, используйте реле.

Транзистор Дарлингтона

Транзистора Дарлингтона не совсем корректно относить к отдельному типу транзисторов. Однако, не упомянуть из в этой статье нельзя. Транзистор Дарлингтона чаще всего встречается в виде микросхемы, включающей в себя несколько транзисторов. Например, ULN2003. Транзистора Дарлингтона характеризуется возможность быстро открываться и закрывать (а значит, позволяет работать с ШИМ) и при этом выдерживает большие токи. Он является разновидностью составного транзистора и представляет собой каскадное соединение двух или, редко, более транзисторов, включённых таким образом, что нагрузкой в эмиттере предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора следующего каскада, то есть транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер входного транзистора соединяется с базой выходного. Кроме того, в составе схемы для ускорения закрывания может использоваться резистивная нагрузка эмиттера предыдущего транзистора. Такое соединение в целом рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления по току которого, при работе транзисторов в активном режиме, приблизительно равен произведению коэффициентов усиления всех транзисторов.

Схема составного транзистора дарлингтона

Не секрет, что плата Ардуино способна подать на вывод напряжение 5 В с максимальным током до 40 мА. Этого тока не хватит для подключения мощной нагрузки. Например, при попытке подключить к выводу напрямую светодиодную ленту или моторчик, вы гарантированно повредите вывод Ардуино. Не исключено, что выйдет из строя всё плата. Кроме того, некоторые подключаемые компоненты могут требовать напряжения более 5 В для работы. Обе эти проблемы решает транзистор. Он поможет с помощью небольшого тока с вывода Ардуино управлять мощным током от отдельного блока питания или с помощью напряжения в 5 В управлять бОльшим напряжением (даже самые слабые транзисторы редко имеют предельное напряжение ниже 50 В). В качестве примера рассмотрим подключение мотора:

Подключение мощного мотора с помощью транзистора

На приведённой схеме мотор подключается к отдельному источнику питания. Между контактом мотора и источником питания для мотора мы поместили транзистора, который будет управляться с помощью любого цифрового пина Arduino. При подаче на вывод контроллера сигнала HIGH с вывода контроллера мы возьмём совсем небольшой ток для открытия транзистора, а большой ток потечёт через транзистор и не повредит контроллер. Обратите внимание на резистор, установленный между выводом Ардуино и базой транзистора. Он нужен для ограничения тока, протекающего по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля и предотвращения короткого замыкания. Как упоминалось ранее, максимальный ток, который можно взять с вывода Arduino — 40 мА. Поэтому, нам понадобится резистор не менее 125 Ом (5В/0,04А=125Ом). Можно без опаски использовать резистор на 220 Ом. На самом деле, резистор стоит подбирать с учётом тока, который необходимо подать на базу для получения необходимого тока через транзистор. Для правильного подбора резистора нужно учитывать коэффициент усиления (hfe).

ВАЖНО!! Если вы подключаете мощную нагрузку от отдельного блока питания, то необходимо физически соединить между собой землю («минус») блока питания нагрузки и землю (пин «GND») Ардуино. Иначе управлять транзистором не получится.

При использовании полевого транзистора, токоограничительный резистор на затворе не нужен. Транзистор управляется исключительно напряжением и ток через затвор не течёт.

Поделиться ссылкой:

Похожее

Как работает транзистор npn, pnp (полевой n-канальный и p-канальный)

 Нашу сильную зависимость от электроники в современном мире не описать. Если сказать, что без электроники мы не проживем, это не сказать ничего. Она уже сродни самому неотъемлемому, самому нужному и востребованному.  То количество мест и гаджетов, где мы с ней встречаемся, мы даже перечислять не будем, на это хватит фантазии и у вас. Мы же хотели рассказать об одном обязательной составляющей каждого электронного девайса, о транзисторе.
 Именно на транзисторах строятся все аналоговые и цифровые схемы применяемые в современных устройствах. А значит, от его работы зависит то, как эти самые гаджеты будут работать и то, как впоследствии электроника будет работать на нас. Такая неоспоримая цепочка…

Какие бывают транзисторы

 Мы не будем вводить вас в далекий экскурс с чего все начиналось, что электронные лампы были дедушками и бабушками современных транзисторов. Не будем рассказывать об электронной эмиссии. О том, что процесс в этих самых лампах схож с транзисторами. Не будем описывать и различия между ними.  Мы сразу приступим к главному. Надеясь на то, что все мы пропустили хотя и останется темным пятном, но не станет обременяющим обстоятельством препятствующим пониманию того, как же все-таки работает транзистор.
 Итак, транзисторы бывают биполярные и полевые. Суть работы тех и других одинакова, разве что их кристаллы, вернее то как сращены разные типы кристаллов, различны.

В биполярных транзисторах это своеобразный гамбургер, если хотите пирог: p-n-p или n-p-n. То есть кристаллы с различной проводимостью напаяны последовательно друг за друга. Таким образуют они образуют своеобразный «бутерброд».

 В полевых транзисторах есть также n кристалл и p кристалл, но они между спаяны не последовательно, а параллельно. При этом ток не проходит через разные типы проводимости кристаллов, а идет все время по одному типу. А запирается в этом случае проводимый кристалл с помощью электрического поля управляющего затвора. Отсюда и название полевой.

 Еще транзисторы бывают низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные.  А также могут работать  с различными токами, но это все нюансы…

Как работает транзистор (картинка с анимацией — видео)

Итак, теперь непосредственно о насущном. То есть о том, ради чего мы собственно и начали эту статью.

 Самое сложное, что нам придется вам объяснить, так это то, что как раз и скрыто от глаз человека. Ведь движение тока в проводнике, в различного рода проводимости кристаллах, не посмотришь и не увидишь. Именно поэтому необходимо иметь большую фантазию и очень наглядное пособие, чтобы довести до вас принцип работы транзистора.
 Есть и еще одно «но». Человек всегда привык строить какие-то эквивалентные системы, если непосредственно изучаемая система не дает ему полного представления, а самое главное наглядного примера  о том, как же все-таки все устроено. Так и в нашем случае, взгляните на картинку…

 

Работа транзистора представлена в виде канала с управляемой средой, даже здесь два канала. В качестве каналов выступают контакты транзистора, а управляемой средой является ток. Управляя запорным клапаном на базе или затворе (маленький канал) мы тем самым открываем и большой канал, между эмиттером и коллектором или стоком и истоком. Именно этот большой канал и является нашей целью управления. Открывая маленький канал, мы открываем и большой! Вот главное правило работы транзистора. По-другому не бывает, по крайней мере, в нормальных режимах работы транзистора без пробоев. Управляющий клапан на базе, то есть  малый канал открывается первым, тем самым провоцируя и открывание большого канала.
 Не знаем, нужны ли вам другие описания почему именно так? Если кратко, то потому что есть зоны запирания, есть сопротивления этих зон и изменения сопротивления в зависимости от потенциала, подаваемого на них. Конечно это не описывает особенностей работы транзистора полностью и подробно, но об этом мы вам и не обещали рассказать. Самое главное было рассказать о принципе срабатывания и показать это на наглядной картинке, что собственно мы и выполнили. Принцип работы в этом случае действителен для всех видов транзисторов о которых, мы упоминали в нашем предыдущем абзаце. А также, для того чтобы закрепить ваше визуально- ассоциативное мышление с реальной невидимой действительностью необходимо взглянуть и на нижний правый угол картинки.
 На нем видно как в зависимости от пропуска тока, через контакты транзистора будут происходить и коммутации вокруг его выводов.

Схема подключения транзисторов npn pnp (полевых транзистор)

Теперь о том же самом, но на примере подключения транзистора в схеме. На входе имеется сигнал достаточный для свечения лампы (светодиода) даже с учетом сопротивления транзистора. Но если подать на управляющий вывод (затвор) запирающий потенциал, то сопротивление увеличиться и лампа погаснет.

* — гиф анимация описывает работу полевого транзистора, когда есть поле, которое и управляет проводимостью в элементе.

На самом деле это лишь один из примеров подключения транзистора. Вариаций его подключений великое множество. Здесь главное донести суть работы радиоэлемента, а не саму схему подключения.

Последнее о чем хотелось сказать в статье о принципах работы транзистора, так это о том, что база должна всегда оставаться чуть «зажата», то есть ограничена сопротивлением. 

  Это позволяет разграничить управляющий малый ток и большой управляемый. Если же убрать сопротивление, то ток будет течь по пути с наименьшим сопротивлением, то есть весь или преимущественно через базу… В этом случае теряется весь смысл транзистора, так как он ничем ни будет управлять, а будет просто пропускать через себя ток. При этом «большой» ток пойдет через базу и может еще и вывести его из строя, что нам совсем не нужно!

Из особенностей надо отметить несколько разные сферы применяемости транзисторов. NPN, PNP транзисторы способны открываться как бы постепенно, и быстродействие у них ниже. То есть они более подходят для аналоговых схем, а вот полевые срабатывают быстрее.  При этом свойства статичного поля может быть использовано даже без подачи какого-либо напряжения на него, если это поле создать за счет подкладки, находящейся в зоне управления тоннелем по которому протекает ток. В итоге получается уже не транзистор, а ячейка памяти. Такие ячейки активно используются в современных SSD дисках.

Разница между NPN и PNP транзисторами в сравнительной таблице

Одно из основных различий между транзисторами NPN и PNP заключается в том, что в транзисторе NPN ток течет между коллектором и эмиттером, когда положительное питание подается на базу, тогда как в транзисторе PNP носитель заряда течет от эмиттера к коллектору при отрицательном поставка отдана на базу. Транзисторы NPN и PNP различаются ниже в сравнительной таблице с учетом различных других факторов.

NPN и PNP оба являются биполярными переходными транзисторами. Это устройства управления током, которые в основном используются для переключения и усиления сигнала. В основном, в схеме используется NPN-транзистор, потому что в NPN-транзисторе ток проводимости создается в основном электронами, в то время как в транзисторе PNP ток проводимости возникает из-за отверстий. Поскольку электроны более подвижны, NPN имеет высокую проводимость.

Буквы PNP и NPN показывают напряжение, необходимое для эмиттера, коллектора и базы переходного транзистора.Транзисторы NPN и PNP, оба изготовлены из разного материала, из-за чего ток в них также отличается. Иногда, когда на эмиттер подается напряжение, электроны пересекают базовый переход и достигают области коллектора. Это происходит потому, что база транзисторов NPN и PNP очень тонкая и слегка легированная.

Таблица сравнения

НПН

Транзистор

ПНП

Основа для сравнения Транзистор
Определение Транзистор, в котором два слоя n-типа разделены одним слоем P-типа Два блока полупроводников p-типа разделены одним тонким блоком полупроводника n-типа.
Символ
Полная форма Отрицательный Положительный и отрицательный Положительный Отрицательный и положительный
Направление тока Коллектор к эмиттеру От эмиттера к коллектору
Включение При попадании электронов в базу. Когда отверстия входят в основание.
Внутренний ток Развивается из-за переменного положения электронов. Возникают из-за различного положения отверстий.
Внешний ток Ток развивается из-за потока отверстий. Ток возникает из-за потока электронов.
Несущий основной заряд Электрон Отверстие
Время переключения Быстрее Медленнее
Носитель заряда меньшинства Отверстие Электрон
Положительное напряжение Клемма коллектора Клемма эмиттера
Прямое смещение Базовое соединение эмиттера Базовое соединение эмиттера
Обратное смещение Коллекторное соединение основания Коллекторное соединение основания
Малый ток Потоки от эмиттера к базе От базы к эмиттеру
Сигнал заземления Низкий Высокий

Определение транзистора PNP

Транзистор PNP имеет два блока из материала p-типа и один блок из материала n-типа.Он имеет три вывода: эмиттер, базу и коллектор. Эмиттер и коллектор PNP-транзистора изготовлены из материала p-типа, а их база — из материала n-типа.

Переход эмиттер-база в PNP подключен с прямым смещением, а переход коллектор-база подключен с обратным смещением. Переход эмиттер-база подталкивает основной носитель заряда к базе, тем самым устанавливая ток эмиттера. Отверстие в материале p-типа объединяется с материалом n-типа, следовательно, составляет базовый ток.Оставшееся отверстие проходит через отрицательно смещенную область коллектор-база и собирается коллектором, из-за чего возникает ток коллектора. Таким образом, полный ток эмиттера протекает через цепь коллектора.

Ток эмиттера = ток коллектора + ток базы

Определение транзистора NPN

Транзистор NPN состоит из двух полупроводниковых материалов n-типа, разделенных тонким слоем материала p-типа. Коллектор — это самая толстая область, а база — самая тонкая область NPN-транзистора.Область эмиттер-база транзистора находится под прямым смещением, а область коллекторной базы подключена к обратному смещению. Напряжение обратного смещения значительно меньше по сравнению с обратным смещением.

Переход эмиттер-база находится в прямом смещении, из-за чего большое количество электронов достигает базы. Это развивает ток эмиттера. Электрон в базовой области совмещен с дырками. Но основание очень тонкое и слегка легированное, поэтому только маленькие дырки объединяются с электронами и составляют ток базы.Оставшиеся электроны проходят через область базы коллектора и развивают ток коллектора. Весь ток эмиттера протекает через цепь коллектора.

Ток эмиттера = ток коллектора + ток базы

Ключевые различия между транзисторами NPN и PNP

  1. Транзистор NPN имеет два блока из полупроводниковых материалов n-типа и один блок из полупроводниковых материалов p-типа, тогда как транзистор PNP имеет один тонкий слой материала p-типа и два толстых слоя материала N-типа.
  2. Обозначения транзистора NPN и PNP почти одинаковы, единственное различие между ними — это направление стрелки, которая указывает на эмиттер. В транзисторе NPN острие стрелки движется наружу к базе, а в PNP стрелка движется внутрь.
  3. В транзисторе NPN ток течет от коллектора к эмиттеру, потому что положительное питание подается на базу, тогда как в транзисторе PNP ток течет от эмиттера к коллектору.
  4. Транзистор NPN включается, когда электрон входит в базу, в то время как транзистор PNP включается, когда дыры входят в базу.
  5. Внутренний ток в транзисторе NPN составляет из-за переменного положения электронов, тогда как в транзисторе PNP внутренний ток возникает из-за переменного положения отверстий.
  6. В транзисторе NPN выходной ток возникает из-за потоков дырок, а в PNP он создается из-за потоков электронов.
  7. В транзисторе NPN основной носитель заряда — электрон, тогда как в транзисторе PNP основная дырка является основным носителем заряда.
  8. Неосновным носителем заряда NPN-транзистора является отверстие, а в PNP-транзисторе — электроны.
  9. Время переключения NPN-транзистора больше по сравнению с PNP-транзистором, потому что основной носитель заряда NPN-транзистора — электрон.
  10. Переход эмиттер-база как NPN-, так и PNP-транзисторов имеет прямое смещение.
  11. Примечание: передний базовый переход означает, что клемма p диода подключена к положительной клемме источника питания, а материал n-типа подключен к отрицательной клемме источника питания.
  12. Коллектор-база транзисторов NPN и PNP соединены с обратным смещением.
  13. Примечание. Обратное смещение означает, что отрицательная область подключена к положительной клемме источника питания, а p-область подключена к положительной клемме источника питания.
  14. Транзистор NPN включается, когда небольшой ток течет от эмиттера к базе, тогда как для включения транзистора PNP небольшой ток течет от базы к эмиттеру.
  15. Сигнал заземления транзистора PNP остается низким, тогда как в транзисторе PNP уровень сигнала заземления высокий.

Ключ к действию транзистора — это слаболегированная база между сильно легированным коллектором и эмиттером.

Разница между NPN и PNP Транзистор

Транзисторы PNP и NPN являются BJT и являются основным электрическим компонентом, используемым в различных электрических и электронных схемах для создания проектов. В работе транзисторов PNP и NPN в основном используются дырки и электроны. Эти транзисторы могут использоваться как усилители, переключатели и генераторы. В транзисторе PNP основными носителями заряда являются дырки, а в транзисторе NPN основными носителями заряда являются электроны.За исключением того, что полевые транзисторы имеют только один вид носителя заряда. Основное различие между транзисторами NPN и PNP заключается в том, что транзистор NPN получает питание, когда ток проходит через базовый вывод транзистора.

В транзисторе NPN ток проходит от вывода коллектора к выводу эмиттера. Транзистор PNP включается, когда нет протекания тока на выводе базы транзистора. В транзисторе PNP ток проходит от вывода эмиттера к выводу коллектора.В результате транзистор PNP включается сигналом низкого уровня, а транзистор NPN включается сигналом высокого уровня.

Разница между PNP и NPN

Разница между транзисторами NPN и PNP

Основное различие между транзисторами NPN и PNP заключается в том, что такое транзисторы PNP и NPN, их конструкция, работа и области применения.

Что такое транзистор PNP?

Термин «PNP» означает «положительный», «отрицательный», «положительный» и также известен как поиск источников. PNP-транзистор представляет собой BJT; в этом транзисторе буква «P» указывает полярность напряжения, необходимого для вывода эмиттера.Вторая буква «N» указывает полярность клеммы базы. В транзисторах этого типа большинство носителей заряда — дырки. В основном этот транзистор работает так же, как транзистор NPN.

Транзистор PNP

Материалы, необходимые для изготовления выводов эмиттера (E), базы (B) и коллектора (C) в этом транзисторе, отличаются от материалов, используемых в транзисторе NPN. Выводы BC этого транзистора постоянно смещены в обратном направлении, тогда для вывода коллектора следует использовать напряжение –Ve.Следовательно, клемма базы PNP-транзистора должна быть -Ve по отношению к клемме эмиттера, а клемма коллектора должна быть -Ve, чем клемма базы

Конструкция транзистора PNP

Конструкция транзистора PNP показана ниже. Основные характеристики обоих транзисторов аналогичны, за исключением того, что смещение направлений тока и напряжения инвертируется для любой из достижимых 3-х конфигураций, а именно с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.

Конструкция транзистора PNP

Напряжение между VBE (базой и выводом эмиттера) составляет –Ve на выводе базы и + Ve на выводе эмиттера. Так как для этого транзистора вывод базы постоянно смещен на -Ve относительно вывода эмиттера. Также VBE положительный по отношению к коллектору VCE.

Источники напряжения, подключенные к этому транзистору, показаны на рисунке выше. Вывод эмиттера соединен с «Vcc» нагрузочным резистором «RL».Этот резистор останавливает ток, протекающий через устройство, подключенное к клемме коллектора.

Базовое напряжение «VB» подключено к базовому резистору «RB», который смещен отрицательно по отношению к выводу эмиттера. Чтобы базовый ток протекал через PNP-транзистор, вывод базы транзистора должен быть более отрицательным, чем вывод базы, примерно на 0,7 В (или) Si-устройство.

Основное различие между PNP и NPN транзистором заключается в правильном смещении стыков транзисторов.Направления тока и полярности напряжения постоянно противоположны друг другу.

Что такое транзистор NPN?

Термин «NPN» означает отрицательный, положительный, отрицательный и также известен как опускание. NPN-транзистор представляет собой BJT , в этом транзисторе начальная буква «N» обозначает отрицательно заряженное покрытие материала. Где «P» указывает полностью заряженный слой. Два транзистора имеют положительный слой, расположенный посередине двух отрицательных слоев.Как правило, транзистор NPN используется в различных электрических цепях для переключения и усиления сигналов, которые проходят через них.

Транзистор NPN

Транзистор NPN включает в себя три клеммы, такие как база, эмиттер и коллектор. Эти три клеммы можно использовать для подключения транзистора к печатной плате. Когда через этот транзистор протекает ток, на его базовый вывод поступает электрический сигнал. Вывод коллектора создает на более сильный электрический ток , а вывод эмиттера превышает этот более сильный ток в цепи.В транзисторе PNP ток проходит через коллектор к выводу эмиттера.

Обычно используется транзистор NPN, потому что его очень просто генерировать. Чтобы NPN-транзистор функционировал должным образом, он должен быть создан из полупроводникового объекта, который содержит некоторый ток. Но не такое максимальное количество, как чрезвычайно проводящие материалы, такие как металл. Кремний — один из наиболее часто используемых в полупроводниках. Эти транзисторы являются простыми транзисторами, которые можно построить из кремния.

NPN-транзистор используется на печатной плате компьютера для преобразования информации в двоичный код, и эта процедура выполняется с помощью множества крошечных переключателей, включаемых и выключаемых на платах.Мощный электрический сигнал поворачивает выключатель, а отсутствие сигнала выключает его.

Конструкция транзистора NPN

Конструкция этого транзистора показана ниже. Напряжение на базе транзистора составляет + Ve и –Ve на выводе эмиттера транзистора. Вывод базы транзистора всегда положительный по отношению к эмиттеру, а также подача напряжения коллектора составляет + Ve относительно вывода эмиттера транзистора. В этом транзисторе клемма коллектора связана с VCC через RL

NPN Transistor Construction

Этот резистор ограничивает ток, протекающий через самый высокий базовый ток.В транзисторе NPN поток электронов через базу представляет собой действие транзистора. Основная характеристика этого транзисторного действия — соединение между цепями i / p и o / p. Потому что усилительные свойства транзистора проистекают из результирующего управления, которое база использует на коллекторе для эмиттерного тока.

NPN-транзистор — это устройство, активируемое током. Когда транзистор включен, большой ток IC подается между выводами коллектора и эмиттера в транзисторе.Но это происходит только тогда, когда крошечный ток смещения «Ib» протекает через вывод базы транзистора. Это биполярный транзистор; ток — это отношение двух токов (Ic / Ib), называемое усилением постоянного тока устройства.

Указывается с помощью «hfe» или в наши дни beta. Значение бета может достигать 200 для типичных транзисторов. Когда NPN-транзистор используется в активной области, тогда базовый ток «Ib» обеспечивает i / p, а ток коллектора «IC» дает o / p. Текущее усиление NPN-транзистора от C до E называется альфа (Ic / Ie), и это предназначение самого транзистора.Поскольку Ie (ток эмиттера) является суммой крошечного тока базы и огромного тока коллектора. Значение альфа очень близко к единице, а для типичного маломощного сигнального транзистора значение находится в диапазоне от 0,950 до 0,999.

Основное различие между PNP и NPN

Транзисторы PNP и NPN представляют собой трехконтактные устройства, изготовленные из легированных материалов, часто используемых в коммутационных и усилительных устройствах. В каждом биполярном транзисторе имеется комбинация диодов с PN переходом.Когда пара диодов соединяется, получается бутерброд. Это своего рода полупроводник посередине между двумя подобными типами.

Разница между NPN и PNP транзистором

Итак, есть только два вида биполярных сэндвичей, а именно PNP и NPN. В полупроводниковых устройствах NPN-транзистор обычно имеет высокую подвижность электронов, которая оценивается как подвижность дырки. Таким образом, он пропускает огромное количество тока и работает очень быстро. Кроме того, конструкция этого транзистора проста из кремния.

  • Оба транзистора собраны из специальных материалов, и ток в этих транзисторах также разный.
  • В транзисторе NPN ток протекает от вывода коллектора к выводу эмиттера, тогда как в PNP поток тока проходит от вывода эмиттера к выводу коллектора.
  • PNP-транзистор состоит из двух слоев материала P-типа со слоем между слоями N-типа. Транзистор NPN состоит из двух слоев материала N-типа со слоем прослойки P-типа.
  • В NPN-транзисторе положительное напряжение устанавливается на клемму коллектора, чтобы генерировать ток от коллектора. Для транзистора PNP на выводе эмиттера устанавливается положительное напряжение для создания потока тока от вывода эмиттера к коллектору.
  • Основной принцип работы NPN-транзистора заключается в том, что когда ток увеличивается на выводе базы, транзистор включается и полностью работает от вывода коллектора до вывода эмиттера.
  • Когда вы уменьшаете ток на базе, транзистор включается, и ток становится очень низким.Транзистор больше не работает через вывод коллектора к выводу эмиттера и выключается.
  • Основной принцип работы PNP-транзистора заключается в том, что когда ток присутствует на базе PNP-транзистора, а затем транзистор выключается. Когда на базе транзистора нет протекания тока, транзистор включается.

В этом заключается основная разница между транзисторами NPN и PNP, которые используются для проектирования электрических и электронных схем и различных приложений.Кроме того, любые сомнения относительно этой концепции или для получения дополнительной информации о различных типах конфигураций транзисторов вы можете дать свой совет, прокомментировав в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, у какого транзистора более высокая подвижность электронов?

Лучшая цена силовой транзистор npn pnp — Выгодные предложения на силовой транзистор npn pnp от глобальных продавцов силовых транзисторов npn pnp

Отличные новости !!! Вы находитесь в нужном месте, чтобы купить силовой транзистор npn pnp.К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях. Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

Вы найдете официальные магазины торговых марок наряду с небольшими независимыми продавцами со скидками, каждый из которых предлагает быструю доставку и надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене. Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, поскольку этот мощный силовой транзистор npn pnp вскоре станет одним из самых востребованных бестселлеров. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что приобрели силовой транзистор npn pnp на AliExpress.Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.

Если вы все еще не уверены в силовом транзисторе npn pnp и думаете о выборе аналогичного продукта, AliExpress — отличное место для сравнения цен и продавцов. Мы поможем вам разобраться, стоит ли доплачивать за высококачественную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь.А если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе. Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца.Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово — просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет.Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны — и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, вы сможете приобрести npn pnp power transistor по самой выгодной цене.

У нас всегда есть новейшие технологии, новейшие тенденции и самые обсуждаемые лейблы.На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните лучший опыт покупок прямо здесь.

Работа транзисторов в качестве усилителя и переключателя

Первый транзистор с биполярным переходом был изобретен в 1947 году в лабораториях Bell. «Две полярности» сокращенно обозначают как биполярный, отсюда и название Транзистор с биполярным переходом . BJT — трехконтактное устройство с коллектором (C), базой (B) и эмиттером (E).Для идентификации выводов транзистора требуется схема выводов конкретной части BJT. Он будет доступен в таблице данных. Есть два типа BJT — NPN и PNP транзисторы. В этом уроке мы поговорим о транзисторах PNP. Давайте рассмотрим два примера PNP-транзисторов — 2N3906 и PN2907A, показанные на изображениях выше.

В зависимости от процесса изготовления конфигурация выводов может измениться, и эти детали доступны в соответствующем техническом описании транзистора.В основном все транзисторы PNP имеют указанную выше конфигурацию контактов. По мере увеличения номинальной мощности транзистора необходимо прикрепить к корпусу транзистора необходимый радиатор. Несмещенный транзистор или транзистор без напряжения, приложенного к клеммам, аналогичен двум диодам, соединенным друг с другом, как показано на рисунке ниже. Наиболее важным применением транзистора PNP является переключение на стороне высокого напряжения и комбинированный усилитель класса B.

Диод D1 имеет свойство обратной проводимости, основанное на прямой проводимости диода D2.Когда через диод D2 протекает ток от эмиттера к базе, диод D1 определяет ток, и пропорциональный ток может течь в обратном направлении от вывода эмиттера к выводу коллектора при условии, что на выводе коллектора приложен потенциал земли. Постоянная пропорциональности — это усиление (β).

Работа транзисторов PNP:

Как обсуждалось выше, транзистор представляет собой устройство с управляемым током, которое имеет два обедненных слоя с определенным барьерным потенциалом, необходимым для диффузии обедненного слоя.Потенциал барьера для кремниевого транзистора составляет 0,7 В при 25 ° C и 0,3 В при 25 ° C для германиевого транзистора. Наиболее распространенным типом транзисторов является кремний, потому что это самый распространенный элемент на Земле после кислорода.

Внутреннее управление:

Конструкция pnp-транзистора заключается в том, что области коллектора и эмиттера легированы материалом p-типа, а базовая область легирована небольшим слоем материала n-типа. Область эмиттера сильно легирована по сравнению с областью коллектора.Эти три области образуют два стыка. Это переход коллектор-база (CB) и переход база-эмиттер.

Когда отрицательный потенциал VBE применяется к переходу база-эмиттер, уменьшающийся с 0 В, электроны и дырки начинают накапливаться в области истощения. Когда потенциал падает ниже 0,7 В, достигается барьерное напряжение и происходит диффузия. Следовательно, электроны текут к положительному выводу, а ток базы (IB) противоположен потоку электронов.Кроме того, ток от эмиттера к коллектору начинает течь, если на выводе коллектора подано напряжение VCE. Транзистор PNP может действовать как переключатель и усилитель.

Рабочий регион по сравнению с режимом работы:

1. Активная область, IC = β × IB– Работа усилителя

2. Область насыщения, IC = ток насыщения — переключение (полностью включено)

3. Область отключения, IC = 0 — переключение (полностью выключено)

Транзистор как переключатель:

PNP-транзистор используется для работы в качестве переключателя на стороне высокого напряжения.Чтобы объяснить с помощью модели PSPICE, был выбран транзистор PN2907A . Первое, что нужно иметь в виду — использовать в базе резистор, ограничивающий ток. Более высокие базовые токи повредят BJT. Из таблицы данных максимальный непрерывный ток коллектора составляет -600 мА, а соответствующее усиление (hFE или β) указано в таблице данных в качестве условий тестирования. Также доступны соответствующие напряжения насыщения и базовые токи.

Этапы выбора компонентов:

1.Найдите ток коллектора — это ток, потребляемый вашей нагрузкой. В этом случае это будет 200 мА (параллельные светодиоды или нагрузки) и резистор = 60 Ом.

2. Для приведения транзистора в состояние насыщения должен быть отведен достаточный базовый ток, чтобы транзистор был полностью открыт. Расчет тока базы и соответствующего резистора, который будет использоваться.

Для полного насыщения базовый ток составляет примерно 2,5 мА (не слишком высокий или слишком низкий).Таким образом, ниже приведена схема с 12 В на базу, такая же, как и на эмиттер относительно земли, во время которой переключатель находится в состоянии ВЫКЛ.

Теоретически переключатель полностью разомкнут, но практически может наблюдаться протекание тока утечки. Этим током можно пренебречь, поскольку они выражены в паа или нА. Для лучшего понимания управления током транзистор можно рассматривать как переменный резистор на коллекторе (C) и эмиттере (E), сопротивление которого изменяется в зависимости от тока через базу (B ).

Первоначально, когда ток не течет через базу, сопротивление через CE очень велико, и ток через него не течет. Когда на базовом выводе появляется разность потенциалов 0,7 В и выше, соединение BE диффундирует и вызывает диффузию перехода CB. Теперь ток течет от эмиттера к коллектору пропорционально току от эмиттера к базе, а также коэффициенту усиления.

Теперь давайте посмотрим, как контролировать выходной ток, управляя базовым током.Зафиксируйте IC = 100 мА, несмотря на то, что нагрузка составляет 200 мА, соответствующее усиление из таблицы составляет где-то между 100 и 300 и, следуя той же формуле выше, мы получаем

Тиристор, использующий транзисторы NPN и PNP

Представление эквивалентной схемой

Эквивалентная схема содержит пару биполярных транзисторов NPN и PNP, как
показано на следующем рисунке.

Структура P-N-P-N тиристора соответствует структурам P-N-P и N-P-N
биполярных транзисторов, база каждого устройства подключена к коллектору
другого устройства.Чтобы эта схема работала как тиристор, она
необходимо выбрать подходящие значения параметров устройств NPN и PNP, а также
внешние резисторы. Например, чтобы схема перешла во включенное состояние, один раз
запускается подходящим током затвора, общий коэффициент усиления двух транзисторов должен быть
больше единицы. Эта модельная структура воспроизводит поведение тиристора в
типовые схемы применения, в то же время представляя минимальное количество
уравнения для решателя, чтобы повысить скорость моделирования.

Примечание

Чрезвычайно важно параметризовать тиристорный компонент.
правильно, прежде чем использовать его в вашей модели. Чтобы помочь вам в этом, есть два теста
ремни безопасности в Simscape ™
Примеры Electrical ™, статический тиристор
Проверка поведения и динамическое поведение тиристоров
Проверка. Следуйте тексту справки для этих двух примеров, а также
техническое описание вашего устройства, чтобы перенастроить тиристорный компонент, чтобы он
воспроизводит требуемое поведение.Затем вы можете скопировать параметризованный компонент
в вашу модель. Позаботьтесь о том, чтобы правильно смоделировать схему управления затвором,
включая последовательное сопротивление цепи. Подключение управляемого источника напряжения
непосредственно на затвор тиристора дает нефизические результаты, потому что он зажимает
напряжение затвора к катоду, когда потребность затвора равна нулю.

Модель фиксирует следующие поведения тиристоров:

  • Токи в закрытом состоянии, I DRM и
    Я РРМ .Обычно это
    указано для максимального напряжения в закрытом состоянии
    V DRM и
    В RRM . Предполагается, как и
    случай для большинства тиристоров, что I DRM =
    I RRM и V DRM =
    В RRM .

  • Напряжение триггера затвора равно Соответствующему затвору
    напряжение, значение параметра V_GT
    , когда ток затвора равен
    току триггера затвора , параметр I_GT
    значение.

  • Тиристор срабатывает, когда ток затвора равен
    Ток срабатывания затвора, I_GT . Тиристор не
    зафиксируйте, пока ток затвора не достигнет этого значения.Чтобы убедиться, что это
    случае необходимо установить внутренний шунтирующий резистор , Rs
    параметр правильно. Если сопротивление слишком велико, то срабатывает гейт.
    до того, как ток затвора достигнет
    i GT . Если сопротивление слишком велико
    small, то гейт не срабатывает.

    Вы можете определить значение внутреннего шунтирующего резистора Rs, запустив
    моделирование.Чтобы узнать, как это можно сделать, см. Статическое поведение тиристора.
    Пример проверки. В качестве альтернативы, если вы используете тиристор
    в цепи с внешним резистором R GK
    подключен от затвора к катоду, то влияние Rs обычно очень мало,
    и он может быть установлен на inf .

  • Когда тиристор во включенном состоянии, если ток затвора снят,
    тиристор остается во включенном состоянии, если ток нагрузки выше
    чем удерживающий ток.Вы не указываете ток удержания напрямую
    потому что его значение в первую очередь определяется другими параметрами блока.

    Однако на ток удержания может влиять Изделие
    Коэффициент усиления прямого тока NPN и PNP Параметр
    на
    Дополнительно таб. Уменьшение усиления увеличивает
    удерживающий ток.

  • Напряжение в открытом состоянии равно напряжению в открытом состоянии ,
    Значение параметра V_T
    , когда ток нагрузки равен
    Ток в открытом состоянии, значение параметра I_T .Это
    обеспечивается значением сопротивления R_on, которое учитывает напряжение
    падение видно на устройствах PNP и NPN.

  • Запуск по скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии. Быстрое изменение
    напряжение анод-катод индуцирует ток в емкости база-коллектор
    термины. Если этот ток достаточно велик, он запускает тиристор в
    в состоянии. Программа инициализации тиристора вычисляет подходящее значение
    для емкости база-коллектор, так что при скорости изменения
    напряжение равно Критическая скорость нарастания выключенного состояния
    напряжение, значение параметра dV / dt
    , тиристор срабатывает.Этот расчет основан на приближении требуемого тока v GT /
    R GK , где R GK
    значение сопротивления затвор-катод, используемое при цитировании критического
    значение dV / dt .

  • Ненулевое время включения, контролируемое затвором, в основном зависит от
    Время прямого прохождения устройства NPN, TF .Вы либо
    укажите этот параметр напрямую или рассчитайте приблизительное значение для TF
    от времени включения.

  • Ненулевое коммутируемое время выключения, в первую очередь определяемое
    Время прямого прохождения устройства PNP, TF . Вы также можете
    укажите этот параметр напрямую или установите его равным форварду
    время прохождения для транзистора NPN.

Резисторы Gmin1 и Gmin2 улучшают числовую устойчивость при большом переднем и
обратные напряжения.Их значения влияют на токи в закрытом состоянии не более чем на 1%.
при максимальных прямых и обратных напряжениях в выключенном состоянии.

Примечание

Поскольку эта блочная реализация включает модель оплаты, вы должны смоделировать
импеданс цепи, управляющей затвором, для получения репрезентативного включения и
динамика выключения. Следовательно, если вы упрощаете схему управления затвором,
представляя его как управляемый источник напряжения, вы должны включить подходящий
последовательный резистор между источником напряжения и затвором.

Представление в виде таблицы поиска

При использовании представления таблицы поиска вы предоставляете табличные значения для
анодно-катодный ток как функция анод-катодного напряжения во включенном состоянии.
Основные преимущества использования этой опции — скорость моделирования и простота
параметризация. Чтобы еще больше упростить базовую модель, это представление делает
не модель:

Задержка включения представлена ​​входным конденсатором затвор-катод, значение
который рассчитывается таким образом, чтобы задержка между повышением напряжения затвора и устройством
начало включения равно значению, заданному задержкой включения
время
параметр.Время нарастания тока нагрузки при включении равно
реализуется путем нелинейного нарастания между нулем и током, определяемым
профиль тока-напряжения в открытом состоянии в течение периода времени, определяемого значением
Время нарастания включения параметр. Обратите внимание, что в результате
текущий профиль включения является приближением к реальному устройству.

Термопорт

Блок имеет дополнительный термопорт, по умолчанию скрытый.Чтобы открыть термопорт,
щелкните правой кнопкой мыши блок в вашей модели, а затем в контекстном меню выберите
>>
. Это действие отображает тепловой порт
H на значке блока и открывает Thermal
Параметры порта
.

Используйте тепловой порт для имитации воздействия выделяемого тепла и температуры устройства. За
дополнительная информация об использовании тепловых портов и о тепловом порте
параметры см. «Моделирование тепловых эффектов в полупроводниках».

Биполярный переходной транзистор

PNP
НПН

Условные обозначения для BJT типа
PNP и NPN
.

Биполярный (переходной) транзистор ( BJT ) представляет собой трехконтактное электронное устройство, изготовленное из легированного полупроводникового материала, и может использоваться в приложениях для усиления или переключения. Биполярные транзисторы названы так потому, что в их работе участвуют как электроны, так и дырки.Поток заряда в BJT происходит из-за двунаправленной диффузии носителей заряда через соединение между двумя областями с разной концентрацией заряда. Этот режим работы контрастирует с униполярными транзисторами , такими как полевые транзисторы, в которых только один тип носителя участвует в потоке заряда из-за дрейфа. По своей конструкции большая часть тока коллектора БЮТ обусловлена ​​потоком зарядов, вводимых из эмиттера с высокой концентрацией в базу, где они являются неосновными носителями, которые диффундируют к коллектору, и поэтому БЮТ классифицируются как устройства с неосновными носителями.

Введение

NPN BJT с прямым смещением E – B переходом и обратным смещением B – C переходом

NPN-транзистор можно рассматривать как два диода с общим анодом. При обычной работе переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор — в обратном направлении. В NPN-транзисторе, например, когда положительное напряжение подается на переход база-эмиттер, равновесие между термически генерируемыми носителями и отталкивающим электрическим полем обедненной области становится несбалансированным, позволяя термически возбужденным электронам инжектироваться в базовую область.Эти электроны блуждают (или «диффундируют») через базу из области высокой концентрации около эмиттера к области низкой концентрации около коллектора. Электроны в базе называются неосновными носителями , потому что база легирована p-типом, что делает дырки основными носителями в базе.

Чтобы минимизировать процент носителей, которые рекомбинируют перед тем, как достичь перехода коллектор – база, базовая область транзистора должна быть достаточно тонкой, чтобы носители могли диффундировать по ней за гораздо меньшее время, чем время жизни неосновных носителей полупроводника.В частности, толщина основания должна быть намного меньше диффузионной длины электронов. Переход коллектор-база имеет обратное смещение, и поэтому инжекция электронов от коллектора к базе происходит незначительно, но электроны, которые диффундируют через базу к коллектору, уносятся в коллектор электрическим полем в обедненной области коллектора — базовый переход. Тонкая общая база и асимметричное легирование коллектор-эмиттер — вот что отличает биполярный транзистор от двух отдельных и противоположно смещенных диодов, соединенных последовательно.

Контроль напряжения, тока и заряда

Ток коллектор-эмиттер можно рассматривать как управляемый током база-эмиттер (контроль тока) или напряжением база-эмиттер (контроль напряжения). Эти представления связаны между собой соотношением тока и напряжения в переходе база – эмиттер, которое представляет собой обычную экспоненциальную кривую вольт-амперной характеристики для p-n перехода (диода). [1]

Физическое объяснение коллекторного тока — это количество заряда неосновных носителей заряда в базовой области. [1] [2] [3] Подробные модели действия транзистора, такие как модель Гаммеля – Пуна, явно объясняют распределение этого заряда, чтобы более точно объяснить поведение транзистора. [4] Представление управления зарядом легко обрабатывает фототранзисторы, где неосновные носители в базовой области создаются за счет поглощения фотонов, и управляет динамикой выключения или временем восстановления, которое зависит от заряда в базовой области. рекомбинирование. Однако, поскольку базовый заряд не является сигналом, видимым на выводах, при проектировании и анализе схем обычно используются режимы управления током и напряжением.

При проектировании аналоговых схем иногда используется представление управления током, поскольку оно приблизительно линейно. То есть ток коллектора примерно в F раз больше тока базы. Некоторые базовые схемы могут быть спроектированы, исходя из предположения, что напряжение эмиттер-база приблизительно постоянно, а ток коллектора в бета умножает на ток базы. Однако для точного и надежного проектирования производственных цепей BJT требуется модель регулирования напряжения (например, Ebers – Moll). [1] Модель управления напряжением требует учета экспоненциальной функции, но когда она линеаризуется так, что транзистор может быть смоделирован как крутизна, как в модели Эберса – Молла, конструкция для таких схем, как дифференциальная Усилители снова становятся в основном линейной проблемой, поэтому часто предпочтение отдается управлению напряжением. Для транслинейных схем, в которых экспоненциальная кривая ВАХ является ключевой для работы, транзисторы обычно моделируются как управляемые по напряжению с крутизной, пропорциональной току коллектора.Как правило, проектирование схемы на уровне транзистора выполняется с использованием SPICE или аналогичного имитатора аналоговой схемы, поэтому сложность модели обычно не имеет большого значения для разработчика.

Задержка включения, выключения и сохранения

Биполярный транзистор демонстрирует некоторые характеристики задержки при включении и выключении. Большинство транзисторов, и особенно силовые транзисторы, демонстрируют длительное базовое время хранения, что ограничивает максимальную частоту работы в коммутационных приложениях. Одним из способов сокращения времени хранения является использование зажима Бейкера.

Транзистор «альфа» и «бета»

Доля электронов, способных пересечь базу и достигнуть коллектора, является мерой эффективности BJT. Сильное легирование эмиттерной области и легкое легирование базовой области вызывает инжекцию гораздо большего количества электронов из эмиттера в базу, чем дырок, инжектируемых из базы в эмиттер. Коэффициент усиления с общим эмиттером представлен как β F или h FE ; это приблизительно отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы в прямой активной области.Обычно оно больше 100 для малосигнальных транзисторов, но может быть меньше в транзисторах, предназначенных для мощных приложений. Другой важный параметр — коэффициент усиления по току общей базы , α F . Коэффициент усиления по току с общей базой приблизительно равен коэффициенту усиления по току от эмиттера к коллектору в прямой активной области. Это отношение обычно имеет значение, близкое к единице; от 0,98 до 0,998. Альфа и бета более точно связаны следующими идентичностями (транзистор NPN):

Структура

Упрощенное сечение планарного транзистора с биполярным переходом NPN

BJT состоит из трех областей полупроводников с различным легированием: области эмиттера , области базы и области коллектора .Этими областями являются, соответственно, тип p , тип n и тип p в PNP и тип n , тип p и тип n в транзисторе NPN. Каждая полупроводниковая область подключена к клемме, обозначенной соответствующим образом: эмиттер (E), основание (B) и коллектор (C).

База физически расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена ​​из легированного материала с высоким сопротивлением.Коллектор окружает эмиттерную область, что делает практически невозможным для электронов, инжектированных в базовую область, ускользнуть от сбора, что делает результирующее значение α очень близким к единице и, таким образом, дает транзистору большое β. Вид в разрезе BJT показывает, что переход коллектор-база имеет гораздо большую площадь, чем переход эмиттер-база.

Биполярный переходной транзистор, в отличие от других транзисторов, обычно не является симметричным устройством. Это означает, что перестановка коллектора и эмиттера заставляет транзистор выйти из прямого активного режима и начать работать в обратном режиме.Поскольку внутренняя структура транзистора обычно оптимизирована для работы в прямом режиме, перестановка коллектора и эмиттера делает значения α и β в обратном режиме намного меньше, чем в прямом режиме; часто α обратной моды ниже 0,5. Отсутствие симметрии в первую очередь связано с коэффициентами легирования эмиттера и коллектора. Эмиттер сильно легирован, а коллектор — слегка легирован, что позволяет приложить большое обратное напряжение смещения до того, как произойдет пробой перехода коллектор-база.Коллектор-база при нормальной работе имеет обратное смещение. Причина, по которой эмиттер сильно легирован, состоит в том, чтобы увеличить эффективность инжекции эмиттера: соотношение носителей, инжектированных эмиттером, к носителям, инжектированным базой. Для высокого коэффициента усиления по току большая часть носителей, вводимых в переход эмиттер-база, должна исходить из эмиттера.

Матрица высокочастотного NPN-транзистора KSY34, база и эмиттер соединены склеенными проводами

Низкопроизводительные «боковые» биполярные транзисторы, которые иногда используются в процессах CMOS, иногда проектируются симметрично, то есть без разницы между прямым и обратным режимом работы.

Небольшие изменения напряжения, приложенного к клеммам база-эмиттер, приводят к значительному изменению тока, протекающего между эмиттером и коллектором . Этот эффект можно использовать для усиления входного напряжения или тока. BJT можно рассматривать как источники тока с управлением по напряжению, но их проще охарактеризовать как источники тока с регулируемым током или усилители тока из-за низкого импеданса в базе.

Ранние транзисторы были сделаны из германия, но большинство современных BJT сделаны из кремния.Значительное меньшинство теперь также производится из арсенида галлия, особенно для приложений с очень высокой скоростью (см. HBT ниже).

Символ NPN BJT. Обозначение: « n ot p ointing i n ».

НПН

NPN — это один из двух типов биполярных транзисторов, состоящий из слоя полупроводника с примесью фосфора («база») между двумя слоями с примесью азота. Небольшой ток, поступающий в базу, усиливается, чтобы получить большой ток коллектора и эмиттера.То есть, NPN-транзистор находится в состоянии «включено», когда его база подтягивается на и выше относительно эмиттера.

Большая часть тока NPN переносится электронами, движущимися от эмиттера к коллектору в качестве неосновных носителей в базовой области P-типа. Большинство используемых сегодня биполярных транзисторов являются NPN, потому что подвижность электронов выше подвижности дырок в полупроводниках, что обеспечивает большие токи и более быструю работу.

Мнемоническое устройство для запоминания символа для NPN-транзистора — это , не указывающее на , исходя из стрелок в символе и букв в имени.То есть, NPN-транзистор — это BJT-транзистор, который «не указывает внутрь». [5]

Символ PNP BJT. Обозначение « p oints i n p roudly».

PNP

Другой тип BJT — это PNP, состоящий из слоя полупроводника, легированного N, между двумя слоями материала, легированного P. Небольшой ток, выходящий из базы, усиливается на выходе коллектора. То есть PNP-транзистор включен, когда его база подтянута на низкий уровень относительно эмиттера.

Стрелки в символах транзисторов NPN и PNP находятся на ножках эмиттера и указывают направление обычного тока, когда устройство находится в прямом активном режиме.

Мнемоническое устройство для запоминания символа для транзистора PNP — это , указывающий (гордо) на , исходя из стрелок в символе и букв в названии. То есть транзистор PNP — это транзистор BJT, который «указывает внутрь». [6]

Гетеропереход биполярный транзистор

Полосы в биполярном транзисторе NPN с градиентным гетеропереходом.Барьеры, указывающие, что электроны могут двигаться от эмиттера к базе, а дырки инжектировать обратно от базы к эмиттеру; Кроме того, изменение ширины запрещенной зоны в основании способствует переносу электронов в базовую область; Светлые цвета указывают на истощенные регионы

Биполярный транзистор с гетеропереходом (HBT) является усовершенствованием BJT, который может обрабатывать сигналы очень высоких частот до нескольких сотен ГГц. Это распространено в современных сверхбыстрых цепях, в основном в радиочастотных системах. [7] [8] Транзисторы с гетеропереходом имеют разные полупроводники для элементов транзистора.Обычно эмиттер состоит из материала с большей шириной запрещенной зоны, чем база. На рисунке показано, что эта разница в ширине запрещенной зоны позволяет сделать большой барьер для дырок, инжектируемый назад в основание, обозначенный на рисунке как Δφ p , в то время как барьер для инжекции электронов в базу создается Δφ n . низкий. Такое устройство барьера помогает уменьшить инжекцию неосновных носителей заряда из базы, когда переход эмиттер-база находится под прямым смещением, и, таким образом, снижает базовый ток и увеличивает эффективность инжекции эмиттера.

Улучшенное введение носителей в основание позволяет основанию иметь более высокий уровень легирования, что приводит к более низкому сопротивлению доступу к основному электроду. В более традиционном BJT, также называемом BJT с гомопереходом, эффективность инжекции носителей из эмиттера в базу в первую очередь определяется соотношением легирования между эмиттером и базой, что означает, что база должна быть слегка легирована для получения высокой эффективности инжекции. , что делает его сопротивление относительно высоким. Кроме того, более высокое легирование в основе может улучшить показатели качества, такие как раннее напряжение, за счет уменьшения сужения базы.

Сортировка состава в базе, например, путем постепенного увеличения количества германия в SiGe-транзисторе, вызывает градиент запрещенной зоны в нейтральной базе, обозначенный на рисунке Δφ G , обеспечивая «встроенный «поле, которое способствует переносу электронов через базу. Этот дрейфовый компонент транспорта помогает нормальному диффузионному переносу, увеличивая частотную характеристику транзистора за счет сокращения времени прохождения через базу.

Два обычно используемых HBT — это кремний-германий и арсенид алюминия-галлия, хотя для структуры HBT может использоваться широкий спектр полупроводников.Структуры HBT обычно выращиваются методами эпитаксии, такими как MOCVD и MBE.

Регионы присутствия

Прикладываемое напряжение Соединение B-E
Смещение (NPN)
Соединение B-C
Смещение (NPN)
Режим (NPN)
E Нападающий Реверс Форвард активен
E C Вперед Вперед Насыщенность
E> B Реверс Реверс Отрезка
E> B> C Реверс Нападающий Обратно-активный
Прикладываемое напряжение Соединение B-E
Смещение (PNP)
Соединение B-C
Смещение (PNP)
Режим (PNP)
E Реверс Вперед Обратно-активный
E C Реверс Реверс Отрезка
E> B Вперед Вперед Насыщенность
E> B> C Вперед Реверс Форвард активен

Биполярные транзисторы имеют пять различных областей работы, определяемых смещениями BJT-перехода.

Режимы работы можно описать в терминах приложенных напряжений (это описание относится к транзисторам NPN; полярности обратные для транзисторов PNP):

  • Активный в прямом направлении: база выше эмиттера, коллектор выше базы (в этом режиме ток коллектора пропорционален току базы по β F ).
  • Насыщенность: база выше эмиттера, но коллектор не выше базы.
  • Cut-Off: база ниже эмиттера, но коллектор выше базы.Это означает, что транзистор не пропускает обычный ток через коллектор к эмиттеру.
  • Обратно-активный: база ниже эмиттера, коллектор ниже базы: обратный условный ток проходит через транзистор.

Что касается смещения перехода: («соединение база-коллектор с обратным смещением» означает Vbc <0 для NPN, напротив - для PNP)

  • Активный в прямом направлении (или просто активный ): переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении.Большинство биполярных транзисторов спроектированы так, чтобы обеспечить максимальное усиление по току с общим эмиттером, β F , в прямом активном режиме. В этом случае ток коллектор-эмиттер приблизительно пропорционален току базы, но во много раз больше при небольших изменениях тока базы.
  • Обратно-активный (или инверсно-активный или инвертированный ): реверсируя условия смещения прямой активной области, биполярный транзистор переходит в обратно-активный режим.В этом режиме области эмиттера и коллектора меняются ролями. Поскольку большинство биполярных транзисторов разработаны для максимального увеличения тока в прямом активном режиме, β F в инвертированном режиме в несколько (2–3 для обычного германиевого транзистора) раз меньше. Этот транзисторный режим используется редко, обычно рассматривается только для условий отказоустойчивости и некоторых типов биполярной логики. Напряжение пробоя обратного смещения к базе может быть на порядок ниже в этой области.
  • Насыщение : с обоими переходами, смещенными в прямом направлении, BJT находится в режиме насыщения и способствует высокоточной проводимости от эмиттера к коллектору (или в другом направлении в случае NPN, когда отрицательно заряженные носители текут от эмиттера к коллектору) .Этот режим соответствует логическому «включению» или замкнутому переключателю.
  • Отсечка : В отсечке присутствуют условия смещения, противоположные насыщению (оба перехода имеют обратное смещение). Ток очень мал, что соответствует логическому «выключению» или разомкнутому переключателю.
  • Зона схода лавины

Хотя эти области хорошо определены для достаточно большого приложенного напряжения, они частично перекрываются при малых (менее нескольких сотен милливольт) смещениях.Например, в типичной конфигурации с заземленным эмиттером NPN BJT, используемого в качестве понижающего переключателя в цифровой логике, состояние «выключено» никогда не включает в себя переход с обратным смещением, поскольку базовое напряжение никогда не опускается ниже земли; тем не менее прямое смещение достаточно близко к нулю, поэтому ток практически не протекает, поэтому этот конец прямой активной области можно рассматривать как область отсечки.

Активные NPN-транзисторы в схемах

Устройство и применение NPN-транзистора. Стрелка по схеме.

На противоположной диаграмме схематически изображен NPN-транзистор, подключенный к двум источникам напряжения. Чтобы транзистор проводил значительный ток (порядка 1 мА) от C до E, В BE должно быть выше минимального значения, которое иногда называют напряжением включения . Напряжение включения обычно составляет около 600 мВ для кремниевых BJT при комнатной температуре, но может отличаться в зависимости от типа транзистора и его смещения. Это приложенное напряжение заставляет нижний P-N переход «включаться», обеспечивая поток электронов от эмиттера к базе.В активном режиме электрическое поле, существующее между базой и коллектором (вызванное V CE ), заставит большинство этих электронов пересечь верхний P-N переход в коллектор, чтобы сформировать ток коллектора I C . Остальные электроны рекомбинируют с дырками, основными носителями в базе, создавая ток через соединение с базой, чтобы сформировать ток базы, I B . Как показано на диаграмме, ток эмиттера, I E , представляет собой полный ток транзистора, который является суммой токов на других клеммах (т.е.е., I E = I B + I C ).

На схеме стрелки, обозначающие ток, указывают на направление обычного тока — поток электронов идет в направлении, противоположном стрелкам, потому что электроны несут отрицательный электрический заряд. В активном режиме отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления постоянного тока . Это усиление обычно составляет 100 или более, но надежные схемы не зависят от точного значения (например, см. Операционный усилитель).Значение этого усиления для сигналов постоянного тока обозначается как h FE , а значение этого усиления для сигналов переменного тока обозначается как h fe . Однако, когда нет конкретного интересующего диапазона частот, используется символ β [ требуется ссылка ] .

Следует также отметить, что ток эмиттера связан с В BE экспоненциально. При комнатной температуре увеличение В BE примерно на 60 мВ увеличивает ток эмиттера в 10 раз.Поскольку ток базы приблизительно пропорционален токам коллектора и эмиттера, они меняются одинаково.

Активные PNP-транзисторы в схемах

Устройство и использование PNP-транзистора.

На схеме напротив схематично показан PNP-транзистор, подключенный к двум источникам напряжения. Чтобы транзистор проводил заметный ток (порядка 1 мА) от E до C, В EB должно быть выше минимального значения, которое иногда называют напряжением включения .Напряжение включения обычно составляет около 600 мВ для кремниевых BJT при комнатной температуре, но может отличаться в зависимости от типа транзистора и его смещения. Это приложенное напряжение заставляет верхний P-N переход «включаться», позволяя перетекать отверстия от эмиттера в основание. В активном режиме электрическое поле, существующее между эмиттером и коллектором (вызванное V CE ) заставляет большинство этих отверстий пересекать нижний PN переход в коллектор, чтобы сформировать ток коллектора I C .Остальные дырки рекомбинируют с электронами, основными носителями в базе, создавая ток через соединение с базой, чтобы сформировать ток базы, I B . Как показано на диаграмме, ток эмиттера, I E , представляет собой полный ток транзистора, который является суммой токов остальных клемм (т. Е. I E = I B + Я С ).

На схеме стрелки, представляющие ток, указывают направление обычного тока — поток отверстий совпадает с направлением стрелок, поскольку отверстия несут положительный электрический заряд.В активном режиме отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления постоянного тока . Это усиление обычно составляет 100 или более, но надежные схемы не зависят от точного значения. Значение этого усиления для сигналов постоянного тока обозначается как h FE , а значение этого усиления для сигналов переменного тока обозначается как h fe . Однако, когда нет конкретного интересующего диапазона частот, используется символ β [ требуется ссылка ] .

Следует также отметить, что ток эмиттера связан с V EB экспоненциально. При комнатной температуре увеличение В EB примерно на 60 мВ увеличивает ток эмиттера в 10 раз. Поскольку ток базы приблизительно пропорционален токам коллектора и эмиттера, они изменяются одинаково.

История

Биполярный точечный транзистор был изобретен в декабре 1947 года в Bell Telephone Laboratories Джоном Бардином и Уолтером Браттейном под руководством Уильяма Шокли.Версия с переходным соединением, известная как биполярный переходный транзистор, изобретенная Шокли в 1948 году, три десятилетия использовалась как предпочтительное устройство при проектировании дискретных и интегральных схем. В настоящее время использование BJT снизилось в пользу технологии CMOS при разработке цифровых интегральных схем. Однако случайные низкоэффективные BJT, присущие КМОП-микросхемам, часто используются в качестве эталона напряжения запрещенной зоны, кремниевого датчика температуры запрещенной зоны и для обработки электростатического разряда.

Германиевые транзисторы

Германиевый транзистор был более распространен в 1950-х и 1960-х годах, и хотя он показывает более низкое «отсечное» напряжение, обычно около 0.2 В, что делает его более подходящим для некоторых приложений, а также имеет большую тенденцию к тепловому разгоне.

Ранние технологии изготовления

Разработаны различные методы изготовления транзисторов с биполярным переходом. [9]

  • Транзистор с точечным контактом — первый тип, демонстрирующий действие транзистора, ограниченное коммерческое использование из-за высокой стоимости и шума.
  • Grown junction transistor — первый тип биполярных переходных транзисторов. [10] Изобретено Уильямом Шокли в Bell Labs.Изобретен 23 июня 1948 г. [11] Патент подан 26 июня 1948 г.
  • Переходный транзистор из сплава — бусины из сплава эмиттера и коллектора, сплавленные с базой. Разработан в General Electric и RCA [12] в 1951 году.
    • Транзистор из микролегированного сплава — высокоскоростной переходный транзистор из сплава. Разработано в Philco. [13]
    • Микролегированный диффузионный транзистор — быстродействующий переходной транзистор из сплава. Разработано в Philco.
    • Пост-сплавный диффузионный транзистор — быстродействующий сплавный транзистор.Разработано в Philips.
  • Тетрод транзистор — высокоскоростной вариант транзистора с расширенным соединением [14] или сплавного транзистора [15] с двумя подключениями к базе.
  • Транзистор с поверхностным барьером — быстродействующий металлический транзистор с барьером. Разработано в Philco [16] в 1953 году. [17]
  • Дрейфовый полевой транзистор — быстродействующий биполярный транзистор. Изобретен Гербертом Кремером [18] [19] в Центральном бюро телекоммуникационных технологий Немецкой почтовой службы в 1953 году.
  • Диффузионный транзистор — биполярный переходной транзистор современного типа. Прототипы [20] разработаны в Bell Labs в 1954 году.
    • Транзистор с диффузной базой — первая реализация диффузионного транзистора.
    • Транзистор

    • Mesa — разработан в Texas Instruments в 1957 году.
    • Планарный транзистор — транзистор с биполярным переходом, который сделал возможным массовое производство монолитных интегральных схем. Разработано доктором Джин Орни [21] в Fairchild в 1959 году.
  • Эпитаксиальный транзистор — транзистор с биполярным переходом, изготовленный методом осаждения из паровой фазы.См. Эпитаксия. Позволяет очень точно контролировать уровни и градиенты допинга.

Теория и моделирование

В приведенном ниже обсуждении основное внимание уделяется биполярному транзистору NPN. В NPN-транзисторе в так называемом активном режиме напряжение база-эмиттер В BE и напряжение коллектор-база В CB положительные, прямое смещение перехода эмиттер-база и обратное смещение коллектора. -базовый переход. В активном режиме работы электроны инжектируются из области эмиттера n-типа с прямым смещением в базу p-типа, где они диффундируют к коллектору n-типа с обратным смещением и уносятся электрическим полем в коллектор-база с обратным смещением. соединение.Рисунок, описывающий прямое и обратное смещение, см. В конце статьи о полупроводниковых диодах.

Модели с большим сигналом

В 1954 году Джуэлл Джеймс Эберс и Джон Л. Молл представили свою математическую модель транзисторных токов:

Модель Ebers – Moll

Модель Эберса – Молла для NPN-транзистора. [22] * I B , I C , I E : токи базы, коллектора и эмиттера * I CD , I ED и токи эмиттерных диодов * α F , α R : усиление прямого и обратного тока общей базы

Модель Эберса – Молла для PNP-транзистора.

Приближенная модель Эберса – Молла для NPN-транзистора в прямом активном режиме. Коллекторный диод имеет обратное смещение, поэтому I CD практически равен нулю. Большая часть тока эмиттерного диода ( α F составляет почти 1) отводится от коллектора, обеспечивая усиление тока базы.

Постоянный ток эмиттера и коллектора в активном режиме хорошо моделируется приближением к модели Эберса – Молла:

I C = α F I E

Базовый внутренний ток в основном обусловлен диффузией (см. Закон Фика) и

где

  • V T — тепловое напряжение k T / q (приблизительно 26 мВ при 300 K ≈ комнатной температуре).
  • I E — ток эмиттера
  • I C — ток коллектора
  • α F — коэффициент усиления прямого тока короткого замыкания с общей базой (от 0,98 до 0,998)
  • I ES — ток обратного насыщения диода база-эмиттер (порядка 10 −15 до 10 −12 ампер)
  • В BE — напряжение база-эмиттер
  • D n — константа диффузии электронов в базе p-типа
  • W — ширина основания

Параметры α и прямого β описаны ранее.Иногда в модель включается обратный β.

Неприближенные уравнения Эберса – Молла, используемые для описания трех токов в любой рабочей области, приведены ниже. Эти уравнения основаны на транспортной модели биполярного переходного транзистора. [23]

где

  • i C — ток коллектора
  • i B — базовый ток
  • i E — ток эмиттера
  • β F — усиление прямого тока общего эмиттера (от 20 до 500)
  • β R — коэффициент усиления по току обратного общего эмиттера (от 0 до 20)
  • I S — обратный ток насыщения (порядка 10 −15 до 10 −12 ампер)
  • V T — тепловое напряжение (приблизительно 26 мВ при 300 K ≈ комнатной температуре).
  • В BE — напряжение база-эмиттер
  • В BC — напряжение база-коллектор
Модуляция ширины базы

Верх: ширина основания NPN для низкого обратного смещения коллектор-основание; Внизу: меньшая ширина основания NPN для большого обратного смещения коллектор-основание. Хэшированные регионы — это истощенные регионы.

Основная статья: Ранний эффект

При изменении приложенного напряжения коллектор – база ( В CB = В CE В BE ) изменяется размер области истощения коллектор – база.Например, увеличение напряжения коллектор – база вызывает большее обратное смещение в переходе коллектор – база, увеличивая ширину обедненной области коллектор – база и уменьшая ширину базы. Это изменение ширины основания часто называют «ранним эффектом» в честь его первооткрывателя Джеймса М. Раннего.

Уменьшение ширины основания имеет два последствия:

  • Существует меньшая вероятность рекомбинации в «меньшей» базовой области.
  • Градиент заряда увеличивается по основанию, и, следовательно, ток неосновных носителей, инжектируемый через эмиттерный переход, увеличивается.

Оба фактора увеличивают коллекторный или «выходной» ток транзистора в ответ на увеличение напряжения коллектор – база.

В прямой активной области эффект Early изменяет ток коллектора ( i C ) и усиление прямого тока общего эмиттера (β F ), как указано в: [ необходима ссылка ]

где:

  • В CE — напряжение коллектор-эмиттер
  • В A — это раннее напряжение (от 15 до 150 В)
  • β F 0 — прямое усиление тока с общим эмиттером при В CB = 0 В
  • r o — выходное сопротивление
  • I C — ток коллектора
ВАХ

При получении идеальных вольт-амперных характеристик BJT [24]

используются следующие допущения.

  • Низкий уровень впрыска
  • Равномерное легирование в каждой области с резкими переходами
  • Одномерный ток
  • Незначительная рекомбинация-генерация в областях пространственного заряда
  • Незначительные электрические поля вне областей пространственного заряда.

Важно охарактеризовать неосновные диффузионные токи, индуцированные инжекцией носителей.

Что касается диода с pn-переходом, ключевым соотношением является уравнение диффузии.

Решение этого уравнения ниже, и два граничных условия используются для решения и нахождения C 1 и C 2 .

Следующие уравнения применяются к области эмиттера и коллектора соответственно, а начало координат 0, 0 ‘и 0’ ‘применяется к базе, коллектору и эмиттеру.

Граничное условие излучателя ниже:

Значения констант A 1 и B 1 равны нулю из-за следующих условий областей эмиттера и коллектора как и.

Поскольку A 1 = B 1 = 0, значения Δ n E (0 ») и Δ n c (0 ‘) равны A 2 и B 2 соответственно.

Выражения I E n и I C n могут быть оценены.

Поскольку происходит незначительная рекомбинация, вторая производная от Δ p B ( x ) равна нулю. Следовательно, существует линейная зависимость между избыточной плотностью отверстий и размером x .

Ниже приведены граничные условия Δ p B .

Заменить в указанную выше линейную зависимость.

.

С этим результатом выведите значение I E p .

Используйте выражения I E p , I E n , Δ p B (0) и Δ p B (905) W разработать выражение тока эмиттера.

Аналогичным образом выводится выражение для тока коллектора.

Выражение базового тока найдено с предыдущими результатами.

Пробойник

Когда напряжение база-коллектор достигает определенного (специфичного для устройства) значения, граница обедненной области база-коллектор встречается с границей обедненной области база-эмиттер.В этом состоянии транзистор фактически не имеет базы. Таким образом, в этом состоянии устройство теряет всякий выигрыш.

Модель с контролем заряда Гаммеля – Пуна

Модель Гаммеля – Пуна [25] — это подробная модель динамики BJT с контролируемым зарядом, которая была принята и разработана другими разработчиками для более подробного объяснения динамики транзисторов, чем это обычно делается в моделях на основе терминалов [2]. Эта модель также включает в себя зависимость значений β транзистора от уровней постоянного тока в транзисторе, которые считаются независимыми от тока в модели Эберса – Молла. [26]

Модели слабого сигнала

гибрид-пи модель

Основная статья: модель гибридного пи

Модель h-параметра

Обобщенная модель h-параметра NPN BJT.
Замените x на e , b или c для топологий CE, CB и CC соответственно.

Другая модель, обычно используемая для анализа схем BJT, — это модель «h-параметра», тесно связанная с гибридной моделью pi и двухпортовой моделью y-параметра, но с использованием входного тока и выходного напряжения в качестве независимых переменных, а не входных и выходное напряжение.Эта двухпортовая сеть особенно подходит для BJT, поскольку она легко поддается анализу поведения схемы и может использоваться для разработки дальнейших точных моделей. Как показано, термин «x» в модели обозначает другое отведение BJT в зависимости от используемой топологии. В режиме с общим эмиттером различные символы принимают определенные значения, как:

  • x = ‘e’, ​​потому что это топология с общим эмиттером
  • Терминал 1 = База
  • Клемма 2 = коллектор
  • Клемма 3 = излучатель
  • i i = Базовый ток ( i b )
  • i o = Ток коллектора ( i c )
  • В дюйм = напряжение база-эмиттер ( В BE )
  • В o = Напряжение между коллектором и эмиттером ( В CE )

, а h-параметры задаются как:

  • h ix = h ie — Входное сопротивление транзистора (соответствует сопротивлению базы r pi ).
  • h rx = h re — Представляет зависимость кривой транзистора I B V BE от значения V CE . Обычно он очень маленький, и им часто пренебрегают (предполагается, что он равен нулю).
  • h fx = h fe — коэффициент усиления транзистора по току. Этот параметр часто указывается как h FE или коэффициент усиления постоянного тока ( β DC ) в таблицах данных.
  • h ox = 1/ h oe — Выходное сопротивление транзистора. Параметр h oe обычно соответствует выходному сопротивлению биполярного транзистора и должен быть инвертирован, чтобы преобразовать его в импеданс.

Как показано, h-параметры имеют нижние индексы и, следовательно, обозначают условия переменного тока или анализ. Для условий постоянного тока они указываются в верхнем регистре. Для топологии CE обычно используется приближенная модель h-параметра, которая дополнительно упрощает анализ схемы.Для этого игнорируются параметры h oe и h re (то есть они устанавливаются на бесконечность и ноль соответственно). Следует также отметить, что показанная модель h-параметра подходит для низкочастотного анализа при слабом сигнале. Для высокочастотного анализа необходимо добавить межэлектродные емкости, которые важны на высоких частотах.

Этимология h FE

‘h’ означает, что он является h-параметром, набором параметров, названных по их происхождению в модели эквивалентной схемы h ybrid .«F» от f или усиление тока , также называемое усилением тока. «E» относится к транзистору, работающему в конфигурации common e mitter (CE). Заглавные буквы в нижнем индексе указывают на то, что h FE относится к цепи постоянного тока.

Приложения

BJT остается устройством, которое выделяется в некоторых приложениях, таких как разработка дискретных схем, благодаря очень широкому выбору доступных типов BJT, а также из-за его высокой крутизны и выходного сопротивления по сравнению с MOSFET.BJT также является выбором для требовательных аналоговых схем, особенно для высокочастотных приложений, таких как радиочастотные цепи для беспроводных систем. Биполярные транзисторы можно комбинировать с полевыми МОП-транзисторами в интегральной схеме, используя процесс изготовления полупроводниковых пластин BiCMOS для создания схем, в которых используются преимущества обоих типов транзисторов.

Датчики температуры

Основная статья: Кремниевый датчик температуры запрещенной зоны

Из-за известной зависимости напряжения перехода база-эмиттер от температуры и тока в прямом направлении, BJT может использоваться для измерения температуры путем вычитания двух напряжений при двух различных токах смещения в известном соотношении [3].

Преобразователи логарифмические

Поскольку напряжение база-эмиттер изменяется как логарифм токов база-эмиттер и коллектор-эмиттер, BJT также может использоваться для вычисления логарифмов и антилогарифмов. Диод также может выполнять эти нелинейные функции, но транзистор обеспечивает большую гибкость схемы.

Уязвимости

Воздействие ионизирующего излучения на транзистор вызывает радиационное повреждение. Излучение вызывает накопление «дефектов» в основной области, которые действуют как центры рекомбинации.Результирующее сокращение срока службы неосновных носителей вызывает постепенную потерю усиления транзистора.

Power BJT подвержены режиму отказа, называемому вторичным пробоем, при котором чрезмерный ток и нормальные дефекты кремниевого кристалла приводят к тому, что части кремния внутри устройства становятся непропорционально более горячими, чем другие. Легированный кремний имеет отрицательный температурный коэффициент, что означает, что он проводит больше тока при более высоких температурах. Таким образом, самая горячая часть кристалла проводит наибольший ток, вызывая увеличение его проводимости, что затем заставляет его снова становиться все более горячим, пока устройство не выйдет из строя внутренне. General Electric (1962). Transistor Manual (6-е изд.). п. 12. «Если при анализе транзистора использовать принцип нейтральности пространственного заряда, становится очевидным, что ток коллектора регулируется с помощью положительного заряда (концентрации дырок) в области базы.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о