Биполярный транзистор - принцип работы для чайников!

Силовые полевые транзисторы

В настоящее время полевой транзистор является одним из наиболее перспективных силовых приборов. Наиболее широко используются транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Для уменьшения сопротивления канала уменьшают его длину. Для увеличения тока стока в транзисторе выполняют сотни и тысячи каналов, причем каналы соединяют параллельно. Вероятность саморазогрева полевого транзистора мала, т.к. сопротивление канала увеличивается при увеличении температуры.

Силовые полевые транзисторы имеют вертикальную структуру. Каналы могут располагаться как вертикально, так и горизонтально.

Устройство и принцип работы симистора

Широко используется так называемые симметричные тиристоры (симисторы, триаки). Каждый симистор подобен паре рассмотренных тиристоров, включенных встречно-параллельно. Симметричные тринисторы являются управляемым прибором с симметричной вольт-амперной характеристикой. Для получения симметричной характеристики используются двухсторонние полупроводниковые структуры типа p-n-p-n-p.

Структура симистора, его УГО и ВАХ приведены на рисунке:

Симистор (триак) содержит два тиристора p1-n1-p2-n2 и p2-n2-p1-n4, включенных встречно-параллельно. Симистор содержит 5 переходов П1-П2-П3-П4-П5. При отсутствии управляющего электрона УЭ симистор называется диаком.

При положительной полярности на электроде Э1 осуществляется тиристорный эффект в p1-n1-p2-n2, а при противоположной полярности в p2-n1-p1-n4.

При подачи управляющего напряжения на УЭ в зависимости от его полярности и величины изменяется напряжение переключателя Uвкл

Тиристоры (динисторы, тринисторы, симисторы) являются основными элементами в силовых устройствах электроники. Существует тиристоры, для которых напряжение переключения больше, чем 1 кВ, а максимально допустимый ток больше, чем 1 кА

История появления транзисторов

На заре прошлых веков конца 19 века ученые физики и практики (Гутри, Браун, Эдисон, Боус, Пикард, Флеминг) разных стран совершили принципиальное открытие и получили патенты на “детектор”, “выпрямитель” – так тогда называли диод. Вслед за диодом последовало эпохальное открытие транзистора. Перечисление имен ученых разных стран, приложивших голову и руки к открытию транзистора, заняло бы много строк.

Основными теоретиками считаются Шокли, работавший в Bell Telephone Laboratories, а также его коллеги Бардин и Браттейн.

Слева направо: Шокли, Бардин и Браттейн

В итоге их работ, в 1947 году, получен первый образец работающего точечного германиевого транзистора, и на его основе, в том же году, был разработан первый усилитель, имевший коэффициент усиления 20 дБ (в 10 раз) на частоте 10 Мгц.

Серийный выпуск точечных транзисторов фирмой Western Electric начался в 1951 году и достиг около 10 000 штук в месяц в 1952 году. В СССР первый точечный транзистор был создан в 1949 г. Серийный выпуск точечных транзисторов был налажен в 1952 году, а плоскостных – в 1955 году. Затем последовали следующие открытия в теории и технологиях: транзисторы на выращенных переходах (1950 г.), сплавные транзисторы (1952 г.), диффузные мета-транзисторы (1958 г.), планарные транзисторы (1960 г.), эпитаксиальные транзисторы (1963 г.), многоэмиттерные транзисторы (1965 г.) и т. д.

Как же появился среди них наш герой – транзистор Дарлингтона (далее по тексту ТД)? Дарлингтон (англ. Darlingtone) – город в в Великобритании. Однако и люди могут иметь фамилии по имени городов или наоборот. Таким является сотрудник все той же фирмы Bell – Сидни Дарлингтон

Сидни Дарлингтон

Зачем же потребовалась эта “сладкая парочка”? Дело в том, что первые транзисторы имели весьма посредственные характеристики, если смотреть на сегодняшние успехи. Прежде всего – невысокий коэффициент усиления. Сейчас это кажется странным – подумаешь, каскадное соединение – это элементарно! Но тогда, в 1953 году – это были пионерские работы.

Полевые транзисторы

Полевые, или униполярные, транзисторы в качестве основного физического принципа используют эффект поля. В отличие от биполярных транзисторов, у которых оба типа носителей, как основные, так и неосновные, являются ответственными за транзисторный эффект, в полевых транзисторах для реализации транзисторного эффекта применяется только один тип носителей. По этой причине полевые транзисторы называют униполярными. В зависимости от условий реализации эффекта поля полевые транзисторы делятся на два класса: полевые транзисторы с изолированным затвором и полевые транзисторы с управляющим p-n переходом.

Транзисторы в корпусе типа КТ-26

Рассмотрим, что означает маркировка транзисторов отечественного производства. Данный тип корпуса наиболее популярен среди производителей полупроводниковых приборов. Он имеет форму цилиндра с одной скошенной стороной, три вывода выходят из нижнего основания. В данном случае используют принцип смешанной маркировки, содержащий и кодовые символы, и цветовые. На верхнее основание наносят цветную точку, означающую группу транзистора, а на скошенную сторону — кодовый символ или цветную точку, соответствующие типу прибора. Кроме типа, могут наноситься год и месяц выпуска. Для обозначения группы используется следующая цветная маркировка транзисторов: группе А соответствует темно-красная точка, Б – желтая, В – темно-зеленая, Г – голубая, Д – синяя, Е – белая, Ж – темно-коричневая, И – серебристая, К – оранжевая, Л – светло-табачная, М – серая.

Тип обозначают посредством указанных ниже символов и красок.

КТ203 соответствует прямоугольный треугольник (катетами вниз и вправо) либо темно-красная точка.
КТ208 – маленький круг (для этого типа цветовой маркировки нет).
К209 – ромб (серая точка).
К313 – символ, напоминающий перевернутую букву Т (оранжевая точка).
КТ326 – перевернутый равносторонний треугольник (коричневая точка).
КТ339 – равносторонний треугольник (голубая точка).
КТ342 – четверть круга (синяя точка).
КТ502 – полкруга (желтая точка); КТ503 – круг (белая точка).
КТ3102 – прямоугольный треугольник катетами вверх и влево (темно-зеленая точка).
КТ3157 – прямоугольный треугольник катетами влево и вниз (цветового обозначения нет).
К366 – буква Т (цвета нет).
КТ6127 – перевернутая буква П.
КТ632 – символьного обозначения нет (серебристая точка).
КТ638 – без символа (оранжевая точка).
КТ680 – буква Г.
КТ681 – вертикальная палочка.
КТ698 – буква П.

Режим насыщения

У всех транзисторов имеется определенный порог входного значения тока. Как только произойдет достижение этого значения, коэффициент усиления перестает играть большую роль. При этом выходной ток не изменяется вообще. Напряжение на контактах «база — эмиттер» может быть выше, нежели между коллектором и эмиттером. Это состояние насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит о том, что транзистор работает в двух режимах – либо он полностью открыт, либо же закрыт. Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

Взаимодействие с другими ключами

Для этого используются элементы связи. Так, если первый ключ на выходе имеет высокий уровень напряжения, то на входе второго происходит открытие и работает в заданном режиме. И наоборот. Такая цепь связи существенно влияет на переходные процессы, что возникают во время переключения и быстродействия ключей. Вот как работает транзисторный ключ. Наиболее распространёнными являются схемы, в которых взаимодействие совершается только между двумя транзисторами. Но это вовсе не значит, что это нельзя сделать устройством, в котором будет применяться три, четыре или даже большее число элементов. Но на практике такому сложно бывает найти применение, поэтому работа транзисторного ключа такого типа и не используется.

Биполярные транзисторы

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

Коллектор (collector) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
База (base) — через неё подаётся небольшой ток, чтобы разблокировать большой; база заземляется, чтобы заблокировать его
Эмиттер (emitter) — через него проходит ток с коллектора и базы, когда транзистор «открыт»

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

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

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

NPN и PNP

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

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

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

IGBT-транзистор

IGBT – гибридный полупроводниковый прибор. В нем совмещены два способа управления электрическим током, один из которых характерен для полевых транзисторов (управление электрическим полем), а второй – для биполярных (управление инжекцией носителей электричества).

Обычно в IGBT используется структура МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа. Структура этого транзистора отличается от структуры ДМДП-транзистора дополнительным слоем полупроводника р-типа.

Обратим внимание на то, что для обозначения электродов IGBT принято использовать термины «эмиттер», «коллектор» и «затвор». Добавления слоя р-типа приводит к образованию второй структуры биполярного транзистора (типа p-n-p)

Таким образом, в IGBT имеется две биполярные структуры – типа n-p-n и типа p-n-p

Добавления слоя р-типа приводит к образованию второй структуры биполярного транзистора (типа p-n-p). Таким образом, в IGBT имеется две биполярные структуры – типа n-p-n и типа p-n-p.

УГО и схема выключения IGBT показаны на рисунке:

Типичный вид выходных характеристик показаны на рисунке:

Проверка и безопасное использование

Будьте внимательными в использовании транзисторов этой серии, при покупке S8050 убедитесь, что он именно то, что Вам нужно. Очень редко, но встречаются данные транзисторы с PNP проводимостью. Так, компания Wing Shing Computer Components выпускает его с PNP проводимостью.

Придерживайтесь следующих мер безопасности:

Не эксплуатируйте его с напряжением выше 20 В (V) и нагрузкой более 700 мА (mA);
Используйте подходящий базовый резистор, который ограничит ток базы до требуемого уровня;
Не подвергайте его нагреву более 150 и ниже минус 60 градусов по Цельсию;

Производители

Транзистор S8050 выпускают следующие компании:

Wing Shing Computer Components Co.Ltd. (WS);
UTC (Unisonic Technologies Company);
Weitron technology co.,ltd;
Galaxy Semi-Conductor Holdings Limited;
Daya Electric Group Co., Ltd;
SeCoS Halbleitertechnologie GmbH;
Shenzhen Jin Yu Semiconductor Co., Ltd;
SHENZHEN YONGERJIA INDUSTRY CO.,LTD.

Импортные и отечественные аналоги

Из представленной выше информации видно, что транзисторы BC546-550 различаются по допустимым величинам напряжений и имеют хотя не одинаковые, но близкие показатели коэффициента шума. Остальные электрические параметры и типовые характеристики у них идентичны.

Среди транзисторов российского производства наиболее близким к этой группе можно считать КТ3102, который имеет такой же корпус и цоколевку, но более высокий коэффициент усиления (КТ3102Г, Е).

В таблице приведены пригодные для замены BC547 n-p-n транзисторы (в корпусе ТО-92) и их основные параметры.

Тип	V_CEO, В	I_C, мA	P_C, мВт	h_FE	f_T, МГц	Цоколевка (слева направо)
BC547	50	100	500	110-800	300	кбэ
Отечественное производство
КТ3102	20-50	100	250	100-1000	от 150	+ (кбэ)
Импорт
BC171	45	100	350	120-800	150	+ (кбэ)
BC182	50	100	350	120-500	100	+ (кбэ)
BC237	45	100	500	120-460	100	+ (кбэ)
BC414	45	100	300	120-800	200	+ (кбэ)
BC447	80	300	625	50-460	от 100	+ (кбэ)
BC550	45	200	500	110-800	300	+ (кбэ)
2SC2474	30	100	310	20	2000	+ (кбэ)
2SC828A	45	100	400	130-520	220	— (экб)
2SC945	50	100	250	150-450	от 150	— (экб)

Примечания:

У КТ3102 значения V_CEO и h_FE зависит от буквы, следующей за последней цифрой.
В последнем столбце знак «+» означает совпадение порядка следования выводов с BC547, знак «-» – различие.
Параметры транзисторов указанные в таблице взяты из производителя.

Аналоги и комплементарная пара

Существуют зарубежные устройства, которые полностью идентичны ВС337 по своим характеристикам и распиновке: BC184, 2N4401, MPSA06. Российская промышленность также выпускает изделия, которыми его можно заменить: КТ660А, КТ3102Б, КТ928.

Перед заменой транзистора нужно разобраться, в какой схеме и для чего он используется, а также знать режимы его работы и сравнить технические характеристики оригинального и предполагаемого на замену прибора. И только после этого можно решать, подходит он или нет.

В качестве комлементарой пары производители рекомендуют использовать BC327.

Технические характеристики

Транзисторы КТ361 распределены по параметрам группам усиления и отличаются между собой преимущественно такими основными характеристиками: максимальное постоянное напряжения между выводами К-Э, К-Б (при R_БЭ=10 кОм) от 20 до 50 В; статическим коэффициентом передачи тока (H_21Э) от 20 до 350. При этом разброс возможного H_21Э, даже в одинаково промаркированных устройствах, может значительно варьироваться. У них также разные напряжения между К-Э от 10 до 60 В, при обратном токе К-Э не более 1 мА. Другие значения параметров похожие и являются типовыми для всего семейства.

Предельно допустимые

Рассмотрим предельно допустимые параметры, характерные для серии КТ361:

напряжение между выводами Б-Э до 4В;
ток коллектора до 50мА;
мощность рассеивания: 150мВт, если Т>+100оС до 30мВт;
температуры: кристалла до 120 оС; окружающей среды – 60…+100 оС;
статический потенциал до 200 В.

При повышении нагрева устройства свыше +100 оС отдельные параметры ухудшаются. Особенно это сильно влияет на мощность рассеивания.

Типовые электрические

К типовым электрическим параметрам у КТ361 относятся:

граничная частота по H_21Э(если U_K_Э=10 В и I_Э=5 мА) более 250 МГц;
обратные токи: между К-Э (при R_БЭ=10 кОм и максимальном U_K_Э) до 1 мкА; коллектора (при U_K_Б=10В) до 1 мкА;
возможная емкость перехода на коллекторе-7..9 пФ;
статический коэффициент усиления H_{21Э от 20 до 350.}

Исходя из вышесказанного, КТ361 можно отнести к высокочастотным полупроводниковым триодам p-n-p-структуры малой мощности. В таблице представлены основные значения наиболее распространенных его групп.

Особенности работы

Из-за специфичной эпитаксиально-планарной технологии изготовления, КТ361 получился не столь хорош, как его «старший брат» КТ315. К основным его недостаткам можно отнести:

большой разброс значений H_21Э;
в два раза меньший предельно допустимый коллекторный ток;
внезапно появляющиеся/пропадающие шумы.

Вместе эти транзисторы выгодней использовать при I_К в районе 20…30 мА, в этот момент H_21Э у них самый высокий. Но при одинаковых условиях и режимах эксплуатации КТ 361 выходит из строя быстрее. Как следствие альтернативу ему приходится искать чаще. Но многое зависит от схемы и её назначения.

Аналоги

Импортные аналоги для кт361 обычно подбирают из следующих устройств: BC556, 2N3905, BC557, BC308A, BC327, SS9012, 2N3906, Из отечественных в качестве замены можно рассмотреть: КТ3107, КТ502. В SMD-корпусе импортные ВС857, ВС858 и российский или белорусский КТ3129.

Маркировка

Первоначальная кодовая маркировка пластиковой упаковки КТ-13 состояла всего из одного символа, размещенного прямо по центру. Она могла запутать многих радиолюбителей, так как в начальный период производства (с 1967 г.) уже были похожие изделия в аналогичном исполнении, но с другими параметрами.

Поэтому с 1971г. обозначение группы коэффициента усиления по току у КТ361, состоящее всего из одной буквы, стали наносить посередине корпуса. Чуть ниже — дату выпуска. Данный транзистор легко отличить от КТ315, групповая принадлежность которого указана в левом верхнем углу на пластике. Таким образом, производители продолжают делать и сейчас.

Транзисторы в корпусе КТ-26 имеют полную цифро-буквенную маркировку и их идентификация обычно не вызывает трудностей.

Составные транзисторы

Для увеличения значения h21 соединяют биполярные транзисторы по схеме Дарлингтона:

В составном транзисторе, имеющем характеристики, как одного, база VT1 соединена с эмиттером VT2 и ΔIэ2 = ΔIб1. Коллекторы обоих транзисторов соединены и этот вывод является выводом составного транзистора. База VT2 играет роль базы составного транзистора ΔIб = ΔIб2, а эмиттер VT1 – роль эмиттера составного транзистора ΔIэ = ΔI1.

Получим выражение для коэффициента усиления по току β для схемы Дарлингтона. Выразим связь между изменением тока базы dIб и вызванным вследствие этого изменением тока коллектора dIк составного транзистора следующим образом:

Поскольку для биполярных транзисторов коэффициент усиления по току обычно составляет несколько десятков (β1, β2 >> 1), то суммарный коэффициент усиления составного транзистора будет определяться произведением коэффициентов усиления каждого из транзисторов βΣ = β1 · β2 и может быть достаточно большим по величине.

Отметим особенности режима работы таких транзисторов. Поскольку эмиттерный ток VT2 Iэ2 является базовым током VT1 dIб1, то, следовательно, транзистор VT2 должен работать в микромощном режиме, а транзистор VT1 – в режиме большой инжекции, их эмиттерные токи отличаются на 1-2 порядка. При таком неоптимальном выборе рабочих характеристик биполярных транзисторов VT1 и VT2 не удается в каждом из них достичь высоких значений усиления по току. Тем не менее даже при значениях коэффициентов усиления β1, β2 ≈ 30 суммарный коэффициент усиления βΣ составит βΣ ≈ 1000.

Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статистическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ, наоборот, и граничная частота усиления по току, и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов VT1, VT2 в отдельности.

Перевод двоичного кода десятичного числа в код семисегментного индикатора

Давайте еще раз посмотрим на схему подключения семисегментного индикатора к микроконтроллеру:

На этой схеме выводы порта PB0…..PB7 подключены к выводам индикатора в определенной последовательности. Выводу PB0 соответствует сегмент «А» и далее соответственно по порядковому номеру вывода порта и по алфавиту выводов индикатора, при этом десятичная точка «dp» подсоединена к выводу порта PB7. Сейчас и далее мы будем рассматривать схемы подключения для индикаторов с общим катодом, а при необходимости я буду вставлять дополнения для индикатора с общим анодом.

Для того, чтобы высветить определенную цифру на индикаторе, необходимо на соответствующих выводах порта микроконтроллера установить логическую единицу

На рисунке выше, черные цифры от 0 до 7 — выводы порта, зеленные латинские буквы — выводы светодиодного индикатора, красные нули — логические уровни на выходах порта (в данном случае логический уровень «0»). Для того, чтобы, к примеру, высветить на индикаторе цифру «4» и зажечь десятичную точку нам необходимо подать логическую 1 на выводы индикатора B, C, F, G и dp, что соответствует подачи логической единицы на выводы порта 1,2,5,6 и 7:

Поэтому, первое что нам необходимо сделать, это определить соответствие каждой десятичной цифре двоичного числа, которое надо выдавать на выход порта микроконтроллера для зажигания соответствующих сегментов индикатора. Для «четверки» мы уже определили такую комбинацию = 1110 0110, что соответствует шестнадцатиричному числу 66h, определяем и для остальных цифр:

Операция, которую мы проделали, называется переводом двоичного кода десятичного числа в код семисегментного индикатора.

Данная таблица дана для семисегментных индикаторов с общим катодом (сегмент индикатора зажигается логическим уровнем «1»). Для индикаторов с общим анодом (сегмент индикатора зажигается логическим уровнем «0») двоичные коды необходимо проинвертировать (поменять 0 на 1, и наоборот) и заново вычислить соответствующие значения в шестнадцатиричной системе.

Предельно допустимые значения

В случае превышения приведенного в таблице 1 значения любого из параметров, производитель не гарантирует как соблюдения заявленных остальных значений (таблица 2) и типовых характеристик (приведены далее), так исправности самой детали.

Таблица 1. Предельные значения параметров на транзистор S9014

Обозначение	Параметр	Значение
V_CBO (U_{CB max})	Напряжение коллектор-база, В	50
V_CEO (U_{CE max})	Напряжение коллектор-эмиттер, В	45
V_EBO (U_{EB max})	Напряжение эмиттер-база (обратное), В	5
I_C(I_Cmax)	Ток коллектора, мА	100
P_C (P_{C max})	Рассеиваемая мощность, Вт	SOT-23	0,2
TO-92	0,45
T_j(t_jmax)	Температура кристалла, °С	150
T_stg	Температура хранения, °С	-55…+150

Европейская система PRO-ELECTRON

Маркировка транзисторов и других полупроводниковых приборов у европейских производителей осуществляется следующим образом. Код представляет собой символьную запись. Первая буква означает материал полупроводника: кремний, германий и т. п. Наиболее распространен кремний, ему соответствует литера В. Следующий символ – это тип прибора. Далее ставится номер серии продукта. У этого номера существует несколько диапазонов. Например, если указаны цифры от 100 до 999, то эти элементы относятся к изделиям общего назначения, а если перед ними ставится буква (Z10 – А99), то эти полупроводники считаются деталями специального или промышленного назначения. Кроме того, к общей кодировке может добавляться дополнительный символ модификации прибора. Ее определяет непосредственно производитель полупроводниковых элементов. Первый символ (материал): А – германий, В – кремний, С – арсенид галлия, R – сульфид кадмия. Второй элемент означает тип транзистора: С – маломощный низкочастотный; D – мощный низкочастотный; F – маломощный высокочастотный; G – несколько приборов в одном корпусе; L – мощный высокочастотный; S – маломощный переключающий; U – мощный переключающий.

Заключение

Информация о маркировочных кодах, содержащаяся в литературе, требует критического подхода и осмысления. К сожалению, красиво оформленный каталог с безукоризненной полиграфией не гарантируют от опечаток, ошибок, разночтений и противоречий, поэтому исходите из данных, что приведены в справочнике о маркировке радиоэлементов.

В заключение хотелось бы поблагодарить источники, которые были использованы для подбора материала к данной статье:

www.mp16.ru

www.rudatasheet.ru

www.texnic.ru

www.solo-project.com

www.ra4a.narod.ru

Предыдущая
ПолупроводникиЧто такое биполярный транзистор
Следующая
ПолупроводникиSMD транзисторы