Что такое транзистор вообще? транзистор - как электронный ключ, когда приложено напряжение к A, ток течет через B-C (n-типа) [Это очень примитивная модель в реальной жизни все гораздо сложнее]
(это биполярный транзистор NPN)
(p-типа) когда напряжение приложено к А ток не течет через B-C.
(это биполярный транзистор PNP).
Структура:
Как устроен биполярный транзистор? Между двумя областями с одинаковой проводимостью (эммитер и коллектор) находится очень узкая область базы (ее длинна меньше чем длинна свободного пробега заряда).
В результате получаем 2 диода - через один из которых ток течет, а через другой нет, теперь если мы будем подовать через базу носители заряда, то они будут доступны между переходами будут проходить через границу и возникнет ток больший чем мы подаем на базу. для NPN: В NPN транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и очень слабо легированной, большая часть электронов, инжектированная из эмиттера диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы Iэ = Iб+Iк. Коэффициент a, связывающий ток эмиттера и ток коллектора Iк = a * Iэ a = Iк / Iэ называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента a = 0.9 - 0.999, чем больше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен b = a/(1-a) = 10-1000. b = Iк / Iб Изменяя малый ток базы можно управлять значительно большим током коллектора. для PNP: все также но слова электроны заменяем на дырки, и так же меняем все напряжения на противоположные по знаку.
Рассмотрим что из себя представляет транзистор с точки зрения энергетических уровней:
Справа и слева практически одинаковые энергtтическиу уровни, а посредине находится горка. Подводя ток к затвору мы создаем электрическое поле которое (в зависимости от типа транзистора) или поднимает или опускает энергетический уровень горки, в результате ток не течет или течет.
для NPN движение основных носителей заряда:
Таким образом BJT - управляется током. Сила тока зависит пропорционально от величины тока базы - чем больше даем носителей тем сильнее ток. BJT можно рассматривать как переменный резистор управляемый током базы.
Промоделируем NPN BJT:
(у красного маштаб в 2 раза меньше чем у синего!)
SPICE: ---------------------------------------------------------------- * Oscilloscope(s) .PROBE V(3, 0) R_o_scope_0_0 3 0 1Tohm .PROBE V(1, 0) R_o_scope_0_1 1 0 1Tohm * Function Generator(s) V_fg_plus 3 0 DC 0V AC 5V +PULSE(-5V 5V 0 500ms 500ms 1us 1s) * Battery(s) * V1 4 0 DC 12 * Resistor(s) * R1 0 1 1K * NPN Transistor(s) * Q1 4 3 1 Qnideal .MODEL Qnideal NPN(Is=1e-16 BF=100 BR=1 Rb=0 Re=0 Rc=0 Cjs=0 Cje=0 Cjc=0 +Vje=750m Vjc=750m Tf=0 Tr=0 mje=330m mjc=330m VA=1e+30 ISE=0 IKF=1e+30 +Ne=1.5 NF=1 NR=1 VAR=1e+30 IKR=1e+30 ISC=0 NC=2 IRB=1e+30 RBM=0 XTF=0 +VTF=1e+30 ITF=0 PTF=0 XCJC=1 VJS=750m MJS=0 XTB=0 EG=1.11 XTI=3 KF=0 AF=1 +FC=500m TNOM=27) .END ----------------------------------------------------------------
Промоделируем PNP BJT:
SPICE: ---------------------------------------------------------------- * Oscilloscope(s) .PROBE V(1, 0) R_o_scope_0_0 1 0 1Tohm .PROBE V(2, 0) R_o_scope_0_1 2 0 1Tohm * Function Generator(s) V_fg_plus 1 0 DC 0V AC 5V +PULSE(-5V 5V 0 500ms 500ms 1us 1s) * Battery(s) * V1 0 3 DC 12 * Resistor(s) * R1 0 2 1K * PNP Transistor(s) * Q1 2 1 3 Qpideal .MODEL Qpideal PNP(Is=1e-16 BF=100 BR=1 Rb=0 Re=0 Rc=0 Cjs=0 Cje=0 Cjc=0 +Vje=750m Vjc=750m Tf=0 Tr=0 mje=330m mjc=330m VA=1e+30 ISE=0 IKF=1e+30 +Ne=1.5 NF=1 NR=1 VAR=1e+30 IKR=1e+30 ISC=0 NC=2 IRB=1e+30 RBM=0 XTF=0 +VTF=1e+30 ITF=0 PTF=0 XCJC=1 VJS=750m MJS=0 XTB=0 EG=1.11 XTI=3 KF=0 AF=1 +FC=500m TNOM=27) .END ----------------------------------------------------------------
Поведение транзистора в первом приближении описывается уравнением Эберса-Молла для транзистора: Iк = Iкб.o * [ e^(Vбэ / Ut) - 1], где Iк - ток через коллектор, Iкб.о - обратный ток насыщения гетероперехода коллектор-база Vбэ - напряжение между базой и эммитером Ut - тепловой потенциал В режиме насыщения получаем: Iэ = (b + 1) * Iб Зависимость тока коллектора от Vэк при различных Vбэ:
Режимы работы BJT Каждый из гетеропереходов может быть либо открыт, либо закрыт. -------------------------------- гетеропереход Режим работы ЭП КП -------------------------------- Активный + - Инверсный - + Насыщения + + Отсечки - - --------------------------------
VHDL-AMS модель NPN BJT: PACKAGE electricalSystem IS NATURE electrical IS real ACROSS real THROUGH; FUNCTION SIN(X : real) RETURN real; FUNCTION EXP(X : real) RETURN real; END PACKAGE electricalSystem; use work.electricalsystem.all; entity bjt_npn is generic(isat : real := 1.0e-16; -- Saturation Current bf : real := 100.0; -- Ideal maximus forward current br : real := 1.0; -- ideal maximum reverse current rb : real := 1.0e-5; -- Base resistance rc : real := 1.0e-5; -- collector resistance re : real := 1.0e-5; -- emmiter resistance vaf : real := 100.0); -- Forward Early Voltage port(terminal e,b,c : electrical); end bjt_npn; architecture structure of bjt_npn is terminal b1, c1, e1 : electrical; quantity vbo across ib through b to b1; quantity vco across ic through c to c1; quantity veo across ie through e to e1; quantity vct across Ict through c1 to e1;--current source quantity vbe across ibe through b1 to e1; quantity vbc across ibc through b1 to c1; quantity vce : real := 1.0; -- used to calculate VCE constant gmin : real := 1.0e-12;-- condutsnce in parallel with every pn junction constant vt : real := 0.02589; -- thermal voltage begin brk : break vbe => 1.0, vbc => -1.0; diodecond1 : if(vbe > -5.0*vt) use diodebef : ibe == ((isat*(exp(vbe/vt) - 1.0)) + (gmin*vbe))/bf; elsif(vbe <= -5.0*vt ) use diodeber: ibe == ((-1.0*isat) + (gmin*vbe))/bf; end use; diodecond2 : if(vbc > -5.0*vt) use diodebcf : ibc == ((isat*(exp(vbc/vt) - 1.0)) + (gmin*vbc))/br; elsif(vbc <= -5.0*vt) use diodebcr : ibc == ((-1.0*isat) + (gmin*vbc))/br; end use; bres : vbo == ib * 1.0e-6; cres : vco == ic * 1.0e-6; eres : veo == ie * 1.0e-6; kcl_eqn : ie == -1.0*(ib + ic); vcevolt : vce == vbe - vbc; ictdep : Ict == ((Ibe*bf) - (Ibc*br)) * (1.0 -(vbc/vaf)); end architecture structure;
VHDL-AMS модель PNP BJT: PACKAGE electricalSystem IS NATURE electrical IS real ACROSS real THROUGH; FUNCTION SIN(X : real) RETURN real; FUNCTION EXP(X : real) RETURN real; END PACKAGE electricalSystem; use work.electricalsystem.all; entity bjt_pnp is generic(isat : real := 1.0e-16; -- Saturation Current bf : real := 100.0; -- Ideal maximus forward current br : real := 1.0; -- ideal maximum reverse current rb : real := 1.0e-5; -- Base resistance rc : real := 1.0e-5; -- collector resistance re : real := 1.0e-5; -- emmiter resistance vaf : real := 100.0); -- Forward Early Voltage port(terminal e,b,c : electrical); end bjt_pnp; architecture structure of bjt_pnp is terminal b1, c1, e1 : electrical; quantity vbo across ib through b1 to b; quantity vco across ic through c1 to c; quantity veo across ie through e1 to e; quantity vct across Ict through e1 to c1;--current source quantity vbe across ibe through e1 to b1; quantity vbc across ibc through c1 to b1; quantity vce : real := 1.0; -- used to calculate VCE constant gmin : real := 1.0e-12; -- condutsnce in parallel with every pn junction constant vt : real := 0.02589; -- thermal voltage begin brk : break vbe => 1.0, vbc => -1.0; diodecond1 : if(vbe > -5.0*vt) use diodebef : ibe == ((isat*(exp(vbe/vt) - 1.0)) + (gmin*vbe))/bf; elsif(vbe <= -5.0*vt ) use diodeber: ibe == ((-1.0*isat) + (gmin*vbe))/bf; end use; diodecond2 : if(vbc > -5.0*vt) use diodebcf : ibc == ((isat*(exp(vbc/vt) - 1.0)) + (gmin*vbc))/br; elsif(vbc <= -5.0*vt) use diodebcr : ibc == ((-1.0*isat) + (gmin*vbc))/br; end use; bres : vbo == ib * 1.0e-6; cres : vco == ic * 1.0e-6; eres : veo == ie * 1.0e-6; kcl_eqn : ie == -1.0*(ib + ic); vcevolt : vce == vbe - vbc; ictdep : Ict == ((Ibe*bf) - (Ibc*br)) * (1.0 -(vbc/vaf)); end architecture structure;