Биполярные транзисторы с переходом NPN широко используются в электронике. Давайте разберемся, как устроен NPN транзистор, каков принцип его работы и особенности применения.
Устройство NPN транзистора
NPN транзистор - это биполярный транзистор, в котором используется последовательность полупроводниковых слоев: N-тип проводимости - P-тип проводимости - N-тип проводимости. Такое название сокращенно и обозначает типы проводимости эмиттера, базы и коллектора.
NPN транзистор состоит из трех основных элементов:
- Эмиттер - сильнолегированный слой N-типа.
- База - слаболегированный слой P-типа.
- Коллектор - слаболегированный слой N-типа.
Между эмиттером и базой, а также между базой и коллектором формируются два p-n перехода. База является управляющим элементом, через который подается входной сигнал. Эмиттер отдает основные носители заряда (электроны) в цепь. Коллектор эти носители "собирает" и пропускает во внешнюю цепь.
По сравнению с PNP транзисторами, NPN обладают рядом преимуществ:
- Выше подвижность электронов по сравнению с "дырками".
- Меньшее падение напряжения на открытом транзисторе.
- Больший коэффициент усиления.
- Выше частотные свойства.
Поэтому NPN транзисторы нашли более широкое применение в электронных устройствах.
Существует множество различных корпусов, в которых выпускают NPN транзисторы. Наиболее распространены пластмассовый, металлопластиковый и металлостеклянный.
Основными параметрами NPN транзистора являются:
- Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер.
- Максимальный ток коллектора.
- Коэффициент усиления по току.
- Частота усиления.
- Мощность рассеяния.
Принцип работы NPN транзистора
Работу NPN транзистора можно упрощенно представить так. Подаем на базу небольшой положительный сигнал. Это отпирает эмиттерный p-n переход, и электроны начинают инжектироваться из эмиттера в базу. Большинство из них диффундируют дальше в коллектор, так как база сделана очень тонкой. Коллекторный p-n переход закрыт обратным напряжением, поэтому электроны ускоряются им и попадают в цепь коллектора.
Таким образом, небольшой входной ток базы управляет гораздо большим выходным током коллектора. Коэффициент усиления тока β может достигать 100-150. Это свойство NPN транзистора активно используется в электронных схемах.
При выключении входного сигнала, транзистор переходит в режим отсечки - оба p-n перехода закрываются и ток через коллектор прекращается.
Также важной характеристикой NPN транзистора является коэффициент усиления напряжения. Он показывает во сколько раз изменение входного напряжения усиливается на выходе. Для NPN транзисторов этот коэффициент обычно лежит в диапазоне от 50 до 200.
Помимо постоянного тока, через NPN транзистор протекают переменные токи высокой частоты. Их наличие накладывает ограничения на применение транзистора, так как с увеличением частоты его характеристики ухудшаются.
Схемы включения NPN транзистора
Существует несколько основных схем включения NPN транзистора:
- С общим эмиттером
- С общей базой
- С общим коллектором
- С базой, заземленной через источник сигнала
Наиболее часто используется схема с общим эмиттером. Она обеспечивает высокий коэффициент усиления по току (порядка 100), но имеет недостаток в виде низкого входного сопротивления.
Схема с общей базой, наоборот, отличается высоким входным сопротивлением (сотни Ом), но малым коэффициентом усиления - порядка единиц. Зато такая схема обладает широкой полосой пропускания.
На практике часто используют комбинацию транзисторов, включенных по разным схемам, чтобы воспользоваться преимуществами каждой из них.
Параметры NPN транзисторов
Параметры NPN транзисторов условно делят на первичные и вторичные.
К первичным относятся параметры самого кристалла транзистора:
- α - коэффициент передачи тока.
- β - коэффициент усиления.
- ω - частота усиления по току.
- рб - внутреннее сопротивление базы.
- рэ - внутреннее сопротивление эмиттера.
Они не зависят от схемы включения транзистора.
Вторичные параметры характеризуют транзистор в конкретной схеме. К ним относятся:
- h11 - входное сопротивление.
- h21 - коэффициент передачи тока.
- h22 - выходная проводимость.
- h12 - коэффициент обратной связи по напряжению.
Между первичными и вторичными параметрами существует взаимосвязь, позволяющая рассчитать характеристики конкретной схемы на основе данных транзистора.
Знание параметров NPN транзистора крайне важно при проектировании электронных устройств для обеспечения их надежной работы.
Применение NPN транзисторов
NPN транзисторы находят широкое применение в различных электронных устройствах и схемах. Рассмотрим основные области их использования.
Усилители
Одно из главных назначений NPN транзисторов - работа в качестве усилителя входного сигнала по мощности. Это достигается за счет высокого коэффициента усиления транзистора.
NPN транзисторы широко применяются в усилителях звуковых частот, радиочастот, промежуточной частоты и других усилителях низкой частоты.
Генераторы и мультивибраторы
Благодаря способности усиливать входной сигнал, NPN транзистор можно использовать для создания автоколебаний в различных генераторных схемах.
Например, транзисторный мультивибратор на NPN транзисторах способен генерировать прямоугольные импульсы. Изменяя параметры схемы, можно варьировать частоту и скважность импульсов.
Цифровые устройства
В цифровых интегральных схемах NPN транзисторы часто используются в качестве ключей. Благодаря высокому коэффициенту усиления транзистор обеспечивает практически идеальное включение/выключение выхода.
NPN транзисторы применяются в логических элементах И, ИЛИ, НЕ, триггерах, схемах формирования импульсов и других цифровых устройствах.
Стабилизаторы напряжения
Стабилизатор напряжения на основе NPN транзистора позволяет получить на выходе стабильное опорное напряжение, не зависящее от колебаний входного напряжения и нагрузки.
Простейший стабилизатор состоит из NPN транзистора, стабилитрона и резистора. Недостатком является падение напряжения на транзисторе порядка 0,6-0,7 В.
Защита от перенапряжений
Благодаря быстродействию, NPN транзисторы используются в схемах защиты от перенапряжений и импульсных помех. Превышение определенного порогового напряжения вызывает открывание транзистора и замыкание цепи на землю или в цепь питания.
Такие простые схемы защиты часто встраиваются в источники питания, измерительные приборы, устройства связи и другую электронную аппаратуру.
