Биполярные и полевые транзисторы - неотъемлемая часть современной радиоэлектроники. Они помогают управлять электрическими токами и сигналами во многих устройствах. Но в чем разница между ними и как правильно выбрать нужный тип транзистора для конкретной задачи? В этой статье мы разберемся в особенностях биполярных и полевых транзисторов, сравним их характеристики и определим плюсы и минусы каждого типа.
История создания биполярных и полевых транзисторов
Первый транзистор был изобретен в 1947 году в лаборатории Bell Labs учеными Уильямом Шокли, Уолтером Браттейном и Джоном Бардином. Это был точечный контактный транзистор, который стал прообразом современных биполярных транзисторов.
"Изобретение транзистора, вероятно, может быть оценено как самое выдающееся изобретение из всех, сделанных за последние десятилетия..." - журнал Science от 1948 года.
Первые транзисторы представляли собой полупроводниковые кристаллы с двумя p-n переходами и тремя выводами - эмиттером, базой и коллектором. Принцип их работы основан на способности управлять электрическим током, протекающим между эмиттером и коллектором, посредством небольшого тока базы.
В 1952 году был изобретен первый полевой транзистор американскими учеными Уильямом Шокли и Джеральдом Пирсоном. В отличие от биполярного, полевой транзистор управлялся электрическим полем, создаваемым на затворе.
В 1956 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены Нобелевской премии по физике "за исследования, относящиеся к открытию транзисторного эффекта".
C 1950-х годов биполярные транзисторы стали активно производиться и использоваться в радиоэлектронной аппаратуре вместо электронных ламп. К 1960 году только в США ежегодно производилось уже более 100 миллионов транзисторов.
Полевые транзисторы получили широкое распространение в 1960-1970-х годах. Особенно перспективными оказались МОП-транзисторы, которые легли в основу микропроцессоров и оперативной памяти компьютеров.
Принцип работы биполярного транзистора
Рассмотрим подробнее устройство и принцип работы биполярного транзистора.
Биполярный транзистор состоит из трех областей полупроводника, называемых эмиттером, базой и коллектором. Эмиттер и коллектор имеют противоположный тип проводимости по отношению к базе.
Различают два основных типа биполярных транзисторов:
- с электронной проводимостью (n-p-n тип)
- с дырочной проводимостью (p-n-p тип)
Принцип действия биполярного транзистора основан на способности управлять величиной тока между коллектором и эмиттером посредством тока базы. Небольшое изменение тока базы вызывает значительное изменение коллекторного тока. Таким образом осуществляется усиление электрических сигналов.
Существует два основных способа включения биполярного транзистора в электрическую цепь:
- По схеме с общим эмиттером
- По схеме с общей базой
В зависимости от режима работы транзистора различают режим насыщения, нормальный активный режим и режим отсечки. При расчете параметров схемы на транзисторе используют характеристики входа и выхода.
Принцип работы полевого транзистора
Полевой транзистор имеет иную конструкцию и принцип действия по сравнению с биполярным. Рассмотрим его подробнее.
Полевой транзистор состоит из двух областей полупроводника - истока и стока. Между ними располагается тонкий слой диэлектрика. На этот диэлектрик подается напряжение от затвора, который управляет величиной тока между стоком и истоком.
Существует несколько разновидностей полевых транзисторов:
- JFET (EPO-транзисторы)
- MOSFET (МОП-транзисторы)
- MESFET (металл-полупроводниковые)
Наиболее распространены МОП-транзисторы, в которых в качестве диэлектрика используется оксид кремния SiO2.
Основные схемы включения полевого транзистора - по стоку и по истоку. При увеличении отрицательного напряжения на затворе ток сток-исток уменьшается.
Полевые транзисторы могут работать в режиме нормальной проводимости, режиме обогащения и режиме сужения. Для расчета параметров используют характеристики входа и выхода.
Сравнение биполярных и полевых транзисторов
Рассмотрим основные отличия в устройстве и принципе работы биполярных и полевых транзисторов.
| Параметр | Биполярный транзистор | Полевой транзистор |
| Управление | Током базы | Напряжением на затворе |
| Быстродействие | Ниже из-за накопления заряда | Выше, так как нет накопления заряда |
| Входное сопротивление | Низкое | Высокое |
| Шумы | Выше | Ниже |
Как видно из таблицы, полевые транзисторы имеют ряд преимуществ перед биполярными, такие как более высокое быстродействие, меньший уровень шумов, большее входное сопротивление. Это определяет их применение в высокочастотных схемах.
В то же время, биполярные транзисторы обладают большей чувствительностью к управляющему сигналу и меньшими искажениями. Поэтому они чаще используются в низкочастотных каскадах звукового диапазона.
Таким образом, оба типа транзисторов имеют свои достоинства и недостатки. Правильный выбор транзистора зависит от конкретных требований к электрической схеме.
Преимущества и недостатки биполярных транзисторов
Рассмотрим подробнее достоинства и недостатки биполярных транзисторов.
К преимуществам биполярных транзисторов можно отнести:
- Высокая чувствительность к управляющему току базы
- Широкий диапазон рабочих частот
- Способность работать с большими токами и мощностями
- Простота схемы включения
Однако у биполярных транзисторов есть и недостатки:
- Сильная зависимость параметров от температуры
- Высокий уровень собственных шумов
- Ограничения по амплитуде входного сигнала
Поэтому при выборе биполярного транзистора для конкретной схемы необходимо учитывать рабочую температуру и требования к уровню шумов. Также важно правильно рассчитать режим работы транзистора, чтобы избежать его перегрузки.
Преимущества и недостатки полевых транзисторов
Теперь рассмотрим основные достоинства и недостатки полевых транзисторов.
К достоинствам полевых транзисторов относятся:
- Очень высокое входное сопротивление
- Низкий уровень собственных шумов
- Высокая рабочая частота у MOSFET транзисторов
- Устойчивость к перегрузкам по току
Однако есть и недостатки:
- Более сложная схема включения
- Меньший диапазон рабочих температур
- Ограничения по рабочему напряжению
Таким образом, полевые транзисторы лучше всего подходят для высокочастотных схем, в которых важны низкий уровень шумов и высокая помехоустойчивость. Однако они требуют более тщательного расчета режимов работы и защиты от перенапряжений.
Области применения биполярных транзисторов
Биполярные транзисторы широко используются в различных областях радиоэлектроники. Рассмотрим наиболее распространенные сферы их применения.
- Усилители низкой частоты (звукового диапазона)
- Импульсные источники питания
- Схемы согласования и защиты от перенапряжений
- Генераторы несинусоидальных колебаний
- Датчики магнитного поля
- Транзисторные ключи в цифровых схемах
Благодаря высокой чувствительности, низкому уровню искажений и способности работать с большими токами, биполярные транзисторы хорошо подходят для перечисленных областей применения.
Области применения полевых транзисторов
Полевые транзисторы также нашли широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре. Рассмотрим основные сферы их использования.
- Высокочастотные усилители
- Источники питания большой мощности
- Цифровые микросхемы в технологии КМОП
- Микропроцессоры и микроконтроллеры
- Преобразователи напряжения
- Схемы защиты от перенапряжений
Высокое быстродействие, низкий уровень шумов и устойчивость к перегрузкам полевых транзисторов определяют их применение в перечисленных областях радиоэлектроники.
Замена биполярного транзистора на полевой
Иногда в электрических схемах требуется произвести замену биполярного транзистора на полевой. Рассмотрим, в каких случаях это может потребоваться и как правильно это сделать.
Замена биполярного транзистора на полевой может потребоваться в следующих случаях:
- Необходимо повысить быстродействие схемы
- Требуется снизить уровень шумов
- Нужно расширить диапазон рабочих температур
- Есть проблемы с перегрузкой биполярного транзистора
При замене биполярного транзистора на полевой нужно подобрать модель с соответствующими параметрами по току, напряжению и мощности. Затем следует рассчитать сопротивления нагрузки и истока для обеспечения нужного режима работы полевого транзистора.
Замена полевого транзистора на биполярный
В некоторых случаях возникает необходимость заменить полевой транзистор на биполярный. Когда это может потребоваться?
- Нужно упростить схему управления транзистором
- Требуется расширить амплитуду входного сигнала
- Необходима работа с большими токами и мощностями
- Нужно снизить искажения усиливаемого сигнала
При замене полевого транзистора на биполярный следует подобрать модель с соответствующими параметрами и добавить в цепь базы резистор для ограничения тока. Кроме того, может потребоваться перерасчет нагрузочного резистора в коллекторной цепи.
Отличия при замене транзисторов
При замене биполярного транзистора на полевой и наоборот есть ряд особенностей, которые необходимо учитывать. Рассмотрим ключевые отличия.
- Меняется схема управления - ток базы на напряжение затвора
- Пересчитываются резисторы нагрузки и истока
- Может потребоваться добавление стабилитрона или TVS-диода
- Изменяются требования по теплоотводу
- Меняются частотные свойства схемы
Таким образом, при замене одного типа транзистора на другой нужен осторожный перерасчет всех компонентов схемы, чтобы сохранить ее работоспособность.
Подбор транзистора по техническим параметрам
Чтобы правильно подобрать транзистор для конкретной схемы, нужно опираться на его основные технические параметры. Рассмотрим подробнее, какие характеристики важно учитывать.
Для биполярных транзисторов ключевыми параметрами являются:
- Максимально допустимый ток коллектора
- Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер
- Диапазон рабочих частот
- Коэффициент усиления по току
Для полевых транзисторов основными параметрами будут:
- Максимальный ток стока
- Максимальное напряжение сток-исток
- Входная емкость
- Сопротивление в открытом состоянии
Опираясь на эти данные из спецификации, можно подобрать оптимальный транзистор, который будет надежно функционировать в заданной схеме.
Учет температурных режимов при выборе транзистора
При выборе транзистора обязательно нужно учитывать температурные режимы, в которых будет работать схема.
У полевых транзисторов с ростом температуры возрастает сопротивление в открытом состоянии. Поэтому запас по максимальному току должен быть выше.
У биполярных транзисторов наоборот - сопротивление коллектор-эмиттер снижается при нагреве. Нужно выбирать модели с более низким максимальным током коллектора.
Кроме того, для работы в условиях высоких температур лучше подойдут кремниевые транзисторы, нежели германиевые.
Влияние импульсных нагрузок на выбор транзистора
При наличии в схеме импульсных или реактивных нагрузок, таких как реле, соленоиды, двигатели, нужно учитывать их влияние при выборе транзистора.
Индуктивные и емкостные нагрузки могут вызвать кратковременные броски тока или напряжения. В этом случае запас по максимальному току и напряжению коллектор-эмиттера или сток-исток должен быть выше минимум в 2-3 раза.
Кроме того, необходимо предусмотреть в схеме элементы защиты - диоды, варисторы, RC-цепочки для гашения помех.
Особенности схем на комплементарных транзисторах
Иногда в одной схеме используются комплементарные пары транзисторов - npn и pnp типа. Чаще всего это выходные каскады усилителей мощности.
В таких схемах важно подбирать транзисторы с близкими характеристиками, чтобы обеспечить симметричную работу. Желательно использовать комплементарные пары одной серии от одного производителя.
Кроме того, необходимо обеспечить тепловую связь между транзисторами для выравнивания температурного режима.
Отличия при замене одного типа транзистора на другой
При замене биполярного транзистора на полевой и наоборот в схеме необходимо учитывать их отличия:
- Меняется схема управления
- Пересчитываются резисторы нагрузки
- Изменяются частотные свойства
- Могут потребоваться дополнительные элементы защиты
Чтобы замена прошла успешно, нужен осторожный перерасчет параметров схемы и учет особенностей каждого типа транзистора.
