まえがき
トランジスタのトピックは非常に広範囲にわたるため、2つの記事があります。バイポーラと電界効果トランジスタについてです。
トランジスタは、ダイオードと同様に、pn接合現象に基づいています。 希望する人は、 ここまたはここで行われているプロセスの物理学の記憶をリフレッシュすることができます 。
必要な説明が与えられたので、ポイントに移ります。
トランジスター 定義と歴史
トランジスタは、2つの電極の回路内の電流が3番目の電極によって制御される電子半導体デバイスです。 （tranzistors.ru）
フィールドトランジスタは最初に発明され（1928年）、バイポーラは1947年にベル研究所で発表されました。 そして、それは誇張することなく、エレクトロニクスの革命でした。
非常に迅速に、トランジスタがさまざまな電子機器の真空管に取って代わりました。 この点で、このようなデバイスの信頼性は向上し、サイズは大幅に縮小しました。 そして今日に至るまで、マイクロ回路がいかに「洗練された」ものであっても、多くのトランジスタ（およびダイオード、コンデンサ、抵抗器など）が含まれています。 非常に小さいだけです。
ところで、最初は抵抗と呼ばれる「トランジスタ」があり、抵抗は印加電圧の大きさを使用して変更できます。 プロセスの物理から注意をそらすと、最新のトランジスタは、供給される信号に応じて抵抗として表すこともできます。
電界効果トランジスタとバイポーラトランジスタの違いは何ですか？ 答えは彼らの名前そのものにあります。 バイポーラトランジスタでは、電子と正孔の両方が電荷移動に関与します（bis — 2回）。 そして、フィールド（別名ユニポーラ）-電子または正孔。
また、これらのタイプのトランジスタはアプリケーションによって異なります。 バイポーラは主にアナログ技術で使用され、フィールド技術はデジタルで使用されます。
最後に、トランジスタの主な応用分野は 、追加の電源による弱い信号の増幅です。
バイポーラトランジスタ。 仕事の原理。 主な機能
バイポーラトランジスタは、エミッタ、ベース、コレクタの3つの領域で構成され、それぞれに電圧が供給されます。 これらの領域の導電性のタイプに応じて、npnトランジスタとpnpトランジスタが区別されます。 通常、コレクター領域はエミッターよりも広いです。 ベースは、軽くドープされた半導体で作られており（抵抗が大きいため）、非常に薄く作られています。 エミッタとベースの接触面積はベースとコレクタの接触面積よりもはるかに小さいため、接続の極性を変更してエミッタとコレクタを入れ替えることはできません。 したがって、トランジスタは非対称デバイスを指します。
トランジスタの動作の物理を検討する前に、一般的な問題の概要を説明します。
構成は次のとおりです。エミッタとコレクタ間に強い電流（ コレクタ電流 ）が流れ、エミッタとベース間に弱い制御電流（ ベース電流 ）が流れます。 コレクタ電流はベース電流によって異なります。 なんで？
トランジスタのpn接合を考えてみましょう。 エミッターベース（EB）とコレクターベース（BC）の2つがあります。 トランジスタのアクティブモードでは、最初のトランジスタが直接接続され、2番目のトランジスタが逆バイアスに接続されます。 pn接合部で何が起こりますか？ より明確にするために、npnトランジスタを検討します。 pnpの場合、すべてが類似しており、「電子」という単語だけを「穴」に置き換える必要があります。
EBの遷移は開いているため、電子は容易にベースに「逃げ」ます。 そこで、それらは部分的に穴と再結合しますが、それらのほとんどは、ベースの厚さが薄く、その合金が弱いため、ベース-コレクタ接合部に達することができます。 思い出すように、これは逆バイアスでオンになります。 また、ベースの電子は少数の電荷キャリアであるため、遷移電場はそれを克服するのに役立ちます。 したがって、コレクタ電流はエミッタ電流よりわずかに少ないだけです。 手を見てください。 ベース電流を増やすと、EB遷移がさらに開き、エミッタとコレクタの間でより多くの電子がスリップする可能性があります。 また、コレクタ電流は最初はベース電流よりも大きいため、この変化は非常に顕著です。 したがって、 ベースに到達する弱い信号の増幅が発生します 。 繰り返しますが、コレクタ電流の強い変化は、ベース電流の弱い変化の比例的な反映です。
クラスメートが水道水を例に使ってバイポーラトランジスタの動作原理を説明したことを覚えています。 その中の水はコレクター電流であり、ベースの制御電流はノブをどれだけ回すかです。 蛇口からの水の流れを増やすには、少しの努力（制御アクション）で十分です。
考慮されるプロセスに加えて、トランジスタのpn接合で多くの現象が発生する可能性があります。 たとえば、ベース-コレクタ接合部の電圧が大幅に増加すると、衝撃イオン化により電荷のなだれ増倍が始まる場合があります。 そして、トンネル効果と一緒に、これは最初に電気を与え、次に（電流を増加させて）熱破壊を与えます。 ただし、トランジスタの熱破壊は、電気なしで発生する可能性があります（つまり、破壊するコレクタ電圧を上げることなく）。 このためには、コレクターを通る1つの過電流で十分です。
別の現象は、コレクタとエミッタの接合部の電圧が変化すると、その厚さが変化するという事実によるものです。 また、ベースが薄すぎると、コレクタジャンクションとエミッタジャンクションの接続という、クロージング効果（ベースのいわゆる「パンクチャ」）が発生する可能性があります。 この場合、ベース領域が消え、トランジスタが正常に動作しなくなります。
トランジスタの通常のアクティブ動作モードでのトランジスタのコレクタ電流は、ベース電流よりも一定回数多くなります。 この数値は電流ゲインと呼ばれ、トランジスタの主要なパラメーターの1つです。 h21と指定されています。 コレクタに負荷がかかっていない状態でトランジスタがオンになった場合、一定のコレクタ-エミッタ電圧で、コレクタ電流とベース電流の比により、 静的電流ゲインが得られます。 これは数十または数百単位に相当しますが、実際の方式では、負荷がオンになるとコレクタ電流が自然に減少するため、この係数が低いという事実を考慮する価値があります。
2番目の重要なパラメータは、トランジスタの入力抵抗です 。 オームの法則によれば、ベースとエミッタ間の電圧とベースの制御電流の比です。 大きいほど、ベース電流が低くなり、ゲインが高くなります。
バイポーラトランジスタの3番目のパラメータは、電圧ゲインです。 これは、出力（エミッタ-コレクタ）および入力（ベース-エミッタ）可変電圧の振幅または電流値の比に等しくなります。 通常、最初の値は非常に大きく（単位と数十ボルト）、2番目の値は非常に小さい（1/10ボルト）ため、この係数は数万単位に達する可能性があります。 各ベース制御信号には独自の電圧ゲインがあることに注意してください。
また、トランジスタは、周波数が増幅の境界周波数に近づく信号を増幅するトランジスタの能力を特徴付ける周波数応答を持っています 。 実際、入力信号の周波数が高くなると、ゲインが減少します。 これは、基本的な物理プロセスの時間経過（エミッタからコレクタへのキャリア転送の時間、バリア容量性遷移の充電および放電）が入力信号の周期と同等になるためです。 つまり トランジスタには入力信号の変化に応答する時間がなく、ある時点で増幅を停止するだけです。 これが発生する頻度は境界と呼ばれます 。
また、バイポーラトランジスタのパラメータは次のとおりです。
- 逆コレクタ-エミッタ電流
- 時間通りに
- コレクタ逆電流
- 最大電流
npnおよびpnpトランジスタの記号は、エミッタを示す矢印の方向でのみ異なります。 特定のトランジスタに電流が流れる様子を示しています。
バイポーラトランジスタモード
上記で考慮されるオプションは、トランジスタの通常のアクティブ動作モードです。 ただし、pn接合にはさらにいくつかのオープン/クローズの組み合わせがあり、それぞれが個別のトランジスタ動作モードを表します。
- 逆アクティブモード 。 BCトランジションはここで開かれ、EBは閉じられます。 もちろん、このモードでの増幅特性は悪化しません。したがって、このモードのトランジスタはほとんど使用されません。
- 彩度モード 。 両方の遷移が開いています。 したがって、コレクタとエミッタの主な電荷キャリアはベースに「移動」し、そこで主なキャリアと積極的に再結合します。 発生する電荷キャリアの冗長性により、ベースおよびpn接合の抵抗が減少します。 したがって、飽和モードのトランジスタを含む回路は短絡していると見なすことができ、この無線素子自体は等電位点として表すことができます。
- カットオフモード 。 両方のトランジスタの接合部が閉じています。 エミッタとコレクタ間の主電荷キャリアの電流は停止します。 少数キャリアの流れは、制御されていない小さな熱遷移電流のみを生成します。 ベースの貧困と電荷キャリアによる遷移により、抵抗が大幅に増加します。 したがって、カットオフモードで動作するトランジスタは開回路であると考えられます。
- バリアモードこのモードでは、ベースは直接またはコレクタへの低抵抗によって閉じられます。 また、コレクタまたはエミッタ回路には、トランジスタに流れる電流を設定する抵抗が含まれています。 したがって、直列抵抗を持つ等価ダイオード回路が得られます。 このモードは、回路がほぼすべての周波数で、広い温度範囲で動作することを可能にし、トランジスタのパラメーターを必要としないため、非常に便利です。
バイポーラトランジスタスイッチング回路
トランジスタには3つの接点があるため、一般的な場合、4つの出力を持つ2つのソースから電力を供給する必要があります。 したがって、トランジスタの接点の1つには、両方のソースから同じ符号の電圧を供給する必要があります。 接点の種類によって、バイポーラトランジスタをオンにするための3つのスキームがあります。共通エミッタ（OE）、共通コレクタ（OK）、共通ベース（OB）です。 それぞれに長所と短所があります。 どちらを選択するかは、どのパラメーターが重要であり、どのパラメーターが危険にさらされるかによって決まります。
エミッタ接地スイッチング回路
この回路は、電圧と電流で最大のゲインを提供し（したがって電力-最大数万台）、したがって最も一般的です。 ここでは、エミッタ-ベース接合が直接オンになり、ベース-コレクタ接合が再びオンになります。 また、同じ符号の電圧がベースとコレクタの両方に印加されるため、回路は単一の電源から給電できます。 この回路では、出力AC電圧の位相は入力AC電圧の位相に対して180度変化します。
しかし、すべての利点に対して、OEスキームには重大な欠点があります。 それは、周波数と温度が上昇すると、トランジスタの増幅特性が著しく低下するという事実にあります。 したがって、トランジスタが高周波で動作する必要がある場合は、別のスイッチング回路を使用することをお勧めします。 たとえば、共通ベースを使用します。
共通ベーススイッチング回路
この回路は大きな信号増幅を行いませんが、トランジスターの周波数応答をより完全に使用できるため、高周波では良好です。 同じトランジスタを最初に共通エミッタで、次に共通ベースでスキームに従ってオンにすると、2番目のケースではカットオフゲイン周波数が大幅に増加します。 この接続では、入力インピーダンスが低く、出力インピーダンスがそれほど大きくないため、OBの回路に従って組み立てられたトランジスタカスケードは、ケーブルの波動インピーダンスが通常100オームを超えないアンテナアンプで使用されます。
ベースが共通の回路では、信号の位相は反転せず、高周波でのノイズレベルが低減します。 しかし、すでに述べたように、彼女の現在の利益は常に団結よりもわずかに少ない。 確かに、ここでの電圧利得は、エミッタが共通の回路と同じです。 一般的な基本スキームの欠点には、2つの電源を使用する必要があることが含まれます。
共通コレクタ配線図
この回路の特徴は、入力電圧が完全に入力に戻されることです。つまり、負帰還は非常に強いです。
フィードバックは負と呼ばれ、出力信号が入力にフィードバックされ、入力信号のレベルが低下することを思い出させてください。 したがって、入力信号パラメータが偶発的に変更された場合に自動補正が行われます
電流ゲインは、一般的なエミッタ回路とほぼ同じです。 しかし、電圧ゲインは小さいです（この回路の主な欠点）。 彼は団結に近づくが、常にそれよりも少ない。 したがって、電力利得はわずか数十単位です。
共通コレクタ回路では、入力電圧と出力電圧の間に位相シフトはありません。 電圧ゲインは1に近いため、位相と振幅の出力電圧は入力と一致します。つまり、繰り返します。 そのため、このような回路はエミッタフォロワーと呼ばれます。 エミッター-出力電圧は、共通ワイヤに関連してエミッターから除去されるため。
このインクルージョンは、トランジスタステージのマッチング、または入力ソースの入力インピーダンスが高い場合に使用されます（たとえば、圧電ピックアップやコンデンサーマイク）。
カスケードについての2つの言葉
出力電力を増やす必要があります（つまり、コレクタ電流を増やします）。 この場合、必要な数のトランジスタの並列接続が使用されます。
当然、それらは特性がほぼ同じである必要があります。 ただし、最大コレクタ電流の合計は、カスケード内のトランジスタの最大コレクタ電流の1.6〜1.7を超えてはならないことに注意してください。
ただし（コメントについてはwrewolfに感謝します ）、これはバイポーラトランジスタにはお勧めできません。 1つのタイプ定格の2つのトランジスタでも少なくとも少しですが、互いに異なるためです。 したがって、並列に接続すると、さまざまなサイズの電流が流れます。 これらの電流を均等化するために、トランジスタのエミッタ回路に平衡抵抗が配置されています。 抵抗の値は、動作電流の範囲での電圧降下が少なくとも0.7 Vになるように計算されます。これにより、回路の効率が大幅に低下することは明らかです。
良好な感度と良好なゲインを備えたトランジスタも必要になる場合があります。 このような場合、より強力な対応部品（図のVT2）の電源を制御する、敏感であるが低電力のトランジスタ（図のVT1）からカスケードが使用されます。
バイポーラトランジスタの他のアプリケーション
トランジスタは、信号増幅スキームだけでなく使用できます。 たとえば、飽和モードとカットオフモードで動作できるため、電子キーとして使用されます。 信号発生器回路でトランジスタを使用することもできます。 キーモードで動作する場合、矩形信号が生成され、増幅モードで動作する場合、制御動作に応じて任意の形状の信号が生成されます。
マーキング
この記事はすでに膨大な量に増えているため、この段落では、半導体デバイス（トランジスタを含む）の基本的なマーキングシステムを詳しく説明する2つのリンクを紹介します。http ： //kazus.ru/guide/transistors/mark_all .htmlおよび.xlsファイル（35 Kb）
ソースのリスト：
http://ru.wikipedia.org
http://www.physics.ru
http://radiocon-net.narod.ru
http://radio.cybernet.name
http://dvo.sut.ru
有用なコメント：
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173