Транзистор с биполярен преход (BJT) – какво е, принцип и приложения

Транзисторът с биполярно съединение (BJT или биполярен транзистор) е вид транзистор, който работи с контакт между два вида полупроводници. BJT могат да се използват като усилватели, превключватели или в осцилатори. BJT могат да бъдат намерени или самостоятелно, или в голям брой като части от интегрални схеми.

Наричат се биполярни транзистори, защото в работата им участват както електрони, така и дупки.

Усилвателният коефициент по ток обикновено се означава като β (HFE за постоянен режим) и представлява отношението IC/IB. При малосигнален анализ се използва h_fe (диференциална стойност dIC/dIB). Типичните стойности за маломощни транзистори са от около 50 до 300, но в зависимост от типа и работната точка β може да е значително по-нисък (мощни транзистори) или по-висок. Винаги се сверява с паспорта на конкретния елемент при зададени VCE и IC.

Структура и видове

BJT е изграден от три слоя полупроводник и два p–n прехода. Трите извода са емитер (E), база (B) и колектор (C). Съществуват два типа: NPN и PNP. Емитерът е силно легиран, базата – много тънка и слабо легирана, а колекторът – умерено легиран, за да поема по-голяма мощност. В символа на NPN стрелката на емитера сочи навън, а при PNP – навътре.

Принцип на работа

Двата прехода са базо-емитерен (B–E) и базо-колекторен (B–C). В усилвателен режим преходът B–E е в предна поляризация (за силиций V_BE ≈ 0,6–0,7 V), а B–C е в обратна поляризация. Малък ток през базата управлява много по-голям ток през колектора: I_C ≈ β · I_B в активния регион. Носителите, инжектирани от емитера, преминават през тънката база и се събират от колектора, което осигурява усилване.

Режими на работа

• Отсечка (Cut-off): B–E не е проводим, I_C ≈ 0. Транзисторът е „изключен“.
• Активен регион: B–E е проводим, B–C – запушен. Линеен усилвателен режим, I_C ≈ β·I_B.
• Насищане (Saturation): и двата прехода са проводими. V_CE(sat) е ниско (типично 0,05–0,2 V при малки токове). Използва се при превключване „включено“.
• Обратен активен: рядко използван; ролите на емитера и колектора са разменени, усилването е ниско.

Конфигурации на усилватели

• Общ емитер (CE): голямо усилване по напрежение и ток, фазово обръщане 180°. Най-популярната конфигурация за малосигнални усилватели.
• Общ колектор (емитер-следвач, CC): усилване по ток, коефициент по напрежение ≈ 1, много висок входен и нисък изходен импеданс – подходящ за буфери.
• Обща база (CB): нисък входен импеданс, висока честотна лента – използва се във ВЧ стъпала.

По клас на работа в линейни приложения се срещат клас A (линейност, ниска ефективност), B/AB (по-висока ефективност с кръстосани изкривявания), C (в осцилатори/вЧ, импулсен режим).

Коефициенти и важни параметри

• β (HFE) и h_fe: DC и AC усилване по ток. Зависят от тока, напрежението и температурата.
• α: I_C/I_E (обикновено 0,98–0,998). Връзка: β = α/(1 − α).
• V_BE: ~0,6–0,7 V (Si), ~0,2–0,3 V (Ge), намалява с ~2 mV/°C.
• V_CE(sat): остатъчно напрежение при насищане; колкото по-ниско, толкова по-малки загуби в ключов режим.
• f_T: гранична честота, при която усилването става 1; определя високочестотните възможности.
• SOA (област на безопасна работа): допустими комбинации от напрежение, ток и време; критична за надеждността.
• Ефект на Ърли: промяна на I_C с V_CE, води до крайно усилване по напрежение и нелинейност.

Превключвателен режим

За надеждно „включване“ транзисторът се въвежда в насищане чрез достатъчен базов ток. Често се използва „форсиран“ коефициент β_forced 5–10 пъти по-нисък от типичния: I_B ≈ I_C/β_forced. При изключване има закъснения (storage time); за ускоряване се използват базови резистори, Шотки диоди (в Шотки-TTL) или клэмпинг. При управление на индуктивни товари се добавя обратен диод паралелно на товара за защита от пренапрежения.

Термика и стабилност

• Топлинно „избягване“: повишаването на температурата увеличава I_C и може да доведе до самозасилващо се нагряване. Емитерен резистор и отрицателна обратна връзка подобряват стабилността.
• Отвеждане на топлина: радиатори, подходящ корпус (TO‑92, TO‑220, SMD) и добра вентилация.

Приложения

• Малосигнални и мощни усилватели по аудио и ВЧ.
• Превключватели в цифрови логики (напр. TTL), драйвери за релета, мотори и светодиоди.
• Осцилатори, смесители и честотни мултипликатори.
• Токови източници/ограничители, огледала на ток и диференциални двойки.
• Защити и компаратори с транзисторен праг (V_BE референция).

Практически насоки за проектиране

• Поляризация: делител на базата, емитерен резистор за стабилност, байпас кондензатор при нужда от максимално усилване по напрежение.
• Свързващи кондензатори: за отделяне на постоянните нива на вход/изход.
• Ограничаване на базовия ток: винаги използвайте базов резистор при управление от логика/микроконтролер.
• Проверка на паспорта: максимални V_CE, I_C, P_D, f_T, β при съответните условия.
• Сравнение с MOSFET: BJT изискват базов ток и могат да имат по-нисък V_CE(sat) при малки токове; MOSFET имат много висок входен импеданс и често са по-подходящи за високи токове и бързо превключване.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява транзисторът с биполярен преход?

В: Какви са различните приложения на BJT?

В: Къде могат да се намерят BJT?

В: Защо се наричат биполярни транзистори?

В: Какво е hfe в BJT?

В: Какъв е типичният диапазон на hfe в BJT?

В: Каква е функцията на Forward Current Gain в BJT?

Търсене по буква