Первый биполярный транзистор был изобретен в Bell Laboratories в 1947 году. «Биполярный» означает «двухполярный», отсюда и название «биполярный транзистор» (BJT). BJT — это устройство с тремя выводами: коллектором (C), базой (B) и эмиттером (E).
В настоящее время существует два типа биполярных кристаллов: NPN- и PNP-транзисторы. В этой статье мы расскажем о структуре, принципе работы и применении PNP-транзистора.
Что такое транзистор PNP?
PNP-транзистор — это тип биполярного транзистора с переходной зоной (BJT), состоящий из трех слоев легированных полупроводников. В PNP-транзисторе основными носителями заряда являются дырки, которые протекают от эмиттера к базе, а затем к коллектору. PNP-транзистор широко используется в электронных схемах в качестве переключателя или усилителя.
Структура PNP-транзистора
Чтобы проиллюстрировать структуру PNP-транзистора, рассмотрим следующую схему:
PNP-транзистор состоит из трех слоев, в которых чередуются полупроводниковые материалы P-типа и N-типа. Эти три слоя называются эмиттером (E), базой (B) и коллектором (C). Слои расположены в виде многослойной структуры, в которой два слоя P-типа окружают слой N-типа, отсюда и название PNP.
На этой схеме эмиттер находится слева, коллектор — справа, а база — посередине. База очень тонкая и слабо легированная, в то время как эмиттер и коллектор сильно легированы. Легирование слоев создает между ними переходы, которые отвечают за функционирование транзистора.
Когда к базе PNP-транзистора подается напряжение, от эмиттера к базе протекает небольшой ток. Этот ток вызывает протекание гораздо большего тока от коллектора к эмиттеру, который может использоваться для управления внешней цепью.
Как работает PNP-транзистор?
Как упоминалось выше, транзистор — это устройство управления током, имеющее два слоя истощения с определенным барьерным потенциалом, необходимым для диффузии слоев истощения. Барьерный потенциал кремниевого транзистора составляет 0,7 В при 25 °C, а германиевого транзистора — 0,3 В при 25 °C. Наиболее широко используемым типом транзистора является кремниевый, поскольку кремний — второй по распространенности элемент на Земле после кислорода.
Внутреннее устройство:
Структура PNP-транзистора такова, что области коллектора и эмиттера легированы материалом p-типа, а область базы легирована небольшим слоем материала n-типа. Область эмиттера сильно легирована по сравнению с областью коллектора. Эти три области образуют два перехода: переход коллектор-база (CB) и переход база-эмиттер.
Когда на переход база-эмиттер подается отрицательный потенциал VBE, падающий с 0 В, электроны и дырки начинают накапливаться в области истощения. Когда потенциал снижается ниже 0,7 В, достигается барьерное напряжение и происходит диффузия. Поэтому электроны текут к положительному полюсу, а ток базы (IB) противоположен потоку электронов. Кроме того, если к коллекторному выводу приложено напряжение VCE, ток начинает течь от эмиттера к коллектору. Таким образом, PNP-транзисторы могут действовать как переключатели и усилители.
Рабочая область и режим работы:
- Активная область: IC = βxIB — работа усилителя
- Область насыщения: IC = ток насыщения — переключающий режим (полностью включен)
- Область отсечения: IC=0 — переключающий режим (полностью выключен)
Примеры применения PNP-транзисторов
1. Транзистор PNP в качестве переключателя
Транзисторы PNP часто используются в качестве переключателей в схемах. В этом примере мы используем модель PSPICE и транзистор PN2907A. Сначала не забудьте использовать резистор, ограничивающий ток на базе. Более высокий ток базы может повредить BJT. Согласно приведенной ниже спецификации, максимальный непрерывный ток коллектора составляет 600 мА, а соответствующий коэффициент усиления (hFE или β) указан в спецификации в качестве условия испытания. Также доступны соответствующее напряжение насыщения и ток базы.
Шаги по выбору компонентов:
1. Определите ток коллектора, который потребляется нагрузкой. В данном случае он будет равен 200 мА (параллельно светодиоду или нагрузке) и сопротивлению = 60 Ом.
2. Чтобы привести транзистор в состояние насыщения, необходимо потреблять достаточное количество тока базы, чтобы транзистор полностью включился. Рассчитайте ток базы и соответствующий резистор, который необходимо использовать. Ниже приведена формула расчета тока базы и сопротивления базы в PNP-транзисторе:
IB=IC/β=-200 мА / 90=-2,2 мА≈-2,5 мА
RB=VBE/IB=-5/-2,5 мА=2000 Ом≈2,2 кОм
Для полного насыщения ток базы составляет около 2,5 мА (не слишком высокий и не слишком низкий). Ниже приведена схема для 12 В на базу, такая же, как для эмиттера на землю, во время которой выключатель выключен.
Теоретически переключатель полностью открыт, но на практике можно наблюдать ток утечки. Этот ток незначителен, поскольку его величина измеряется в пА или нА. Чтобы лучше понять управление током, можно представить транзистор как переменный резистор между коллектором (C) и эмиттером (E), сопротивление которого изменяется в зависимости от тока, проходящего через базу (B).
Изначально, когда через базу не протекает ток, сопротивление между CE настолько высоко, что ток через него не протекает. Когда на базовом выводе появляется разность потенциалов 0,7 В и выше, переход BE диффундирует и вызывает диффундирование перехода CB. Теперь ток, протекающий от эмиттера к коллектору, пропорционален току, протекающему от эмиттера к базе, что и является коэффициентом усиления.
Теперь давайте посмотрим, как контролировать выходной ток, управляя током базы. Фиксированный IC = 100 мА, хотя нагрузка составляет 200 мА, соответствующее усиление в техническом паспорте находится в диапазоне от 100 до 300, и, следуя той же формуле, что и выше, мы получаем:
IB=IC/β=-100 мА/250=-0,4 мА
RB=VBE/IB=-5/-0,4 мА=12500 Ом≈13 кОм
Разница между фактическими и рассчитанными значениями обусловлена падением напряжения на транзисторе и используемой резистивной нагрузкой. Кроме того, на базе вместо 12,5 кОм использовалось стандартное значение резистора 13 кОм.
2. Транзистор PNP в качестве усилителя
Усиление — это преобразование слабого сигнала в пригодную для использования форму. Процесс усиления является важным этапом во многих областях применения, таких как беспроводная передача сигналов, беспроводной прием сигналов, MP3-плееры, мобильные телефоны и т. д. Транзисторы могут усиливать мощность, напряжение и ток в различных конфигурациях.
Некоторые конфигурации, используемые в схемах транзисторных усилителей:
- усилитель с общим эмиттером
- усилитель с общим коллектором
- усилитель с общим основанием
Из вышеперечисленных типов наиболее часто используется схема с общим эмиттером. Эта операция происходит в активной области, примером которой является одноступенчатая схема усилителя с общим эмиттером. Стабильная точка смещения постоянного тока и стабильное усиление переменного тока важны для конструкции усилителя. Название «одноступенчатый усилитель» используется, когда используется только один транзистор.
Выше представлен одноступенчатый усилитель, в котором слабый сигнал, подаваемый на базовый вывод, преобразуется в сигнал, равный бета-коэффициенту, умноженному на фактический сигнал на коллекторном выводе.
Конфигурации усилительных схем PNP-транзисторов
Усилительные схемы бывают трех типов: с общим эмиттером (CE), с общим базовым выводом (CB) и с общим коллектором (CC). В этих схемах для усиления и стабилизации сигнала используются различные емкостные и резистивные элементы.
Общий эмиттер (CE)
Конфигурация CE (общий эмиттер) включает в себя соединительный конденсатор (CIN) и выходной соединительный конденсатор (COUT). CIN соединяет входной сигнал с базой транзистора, пропуская сигналы переменного тока и изолируя сигналы постоянного тока. COUT соединяет выходной сигнал транзистора с нагрузочной цепью и пропускает только сигнал переменного тока. В конфигурации CE также используется обходной конденсатор в качестве пути с низким сопротивлением для усиленного сигнала.
В конфигурации CE R2 и RE используются для обеспечения стабильности усилителя, а R1 и R2 вместе действуют как делитель напряжения, обеспечивая стабильность в точке смещения постоянного тока.
Общая база (CB)
В усилителях CB входной сигнал подается на эмиттерный вывод, а выходной сигнал снимается с коллекторного вывода. Эмиттерный вывод имеет прямое смещение, а коллекторный вывод — обратное смещение. Условия смещения усилителя CB обеспечивают низкий входной импеданс и высокий выходной импеданс.
Схема усилителя с общим основанием может быть представлена следующим уравнением: Av = -gmRc, где Av — коэффициент усиления по напряжению, gm — параметр проводимости, а Rc — нагрузочный резистор. Коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим основанием меньше единицы, но он имеет высокий коэффициент усиления по току и широкую полосу пропускания.
Общий коллектор (CC)
Усилитель постоянного тока также известен как эмиттерный повторитель, поскольку выходное напряжение точно повторяет входное напряжение. В схеме усилителя постоянного тока эмиттерный вывод всегда смещен на напряжение, немного меньшее, чем базовое напряжение, обычно около 0,6 В для кремниевого транзистора. Это гарантирует, что транзистор находится в активной области и может усиливать входной сигнал.
Усилитель CC имеет высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс, что делает его подходящим для применения в системах согласования импеданса и усиления напряжения. Он также обеспечивает высокий коэффициент усиления по току и высокую полосу пропускания с единичным коэффициентом усиления, что делает его идеальным для буферизации сигналов между каскадами усилителя.
