Однопереходные транзисторы

В статье описывается устройство, принцип работы и применение однопереходных транзисторов.

Что такое однопереходный транзистор?

Однопереходный транзистор или, как его еще называют, двухбазовый диод, представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор с одним р-n переходом. Структура его условно показана на рис. 1, а, условное графическое обозначение в схемах — на рис. 1, б.

Основой однопереходного транзистора является кристалл полупроводника (например, с проводимостью n-типа), называемый базой. На концах кристалла имеются омические контакты Б1 и БЗ, между которыми расположена область, имеющая выпрямляющий контакт с полупроводником р-типа, выполняющим роль эмиттера.

Принцип действия однопероходного транзистора удобно рассмотреть, пользуясь простейшей эквивалентной схемой (рис. 1, в), где R_Б1 и R_Б2 — сопротивления между соответствующими выводами базы и эмиттером, а Д1— эмиттерный р-п переход. Ток, протекающий через сопротивления R_Б1 и R_Б2, создает на первом из них падение напряжения, смещающее диод Д1 в обратном направлении. Если напряжение на змиттере Uэ меньше падения напряжения на сопротивлении R_Б1, диод Д1 закрыт, и через него течет только ток утечки. Когда же напряжение U_Э становится выше напряжения на сопротивлении R_Б1, диод начинает пропускать ток в прямом направлении. При этом сопротивление R_Б1 уменьшается, что приводит к увеличению тока в цепи Д1 R_Б1, а это, в свою очередь, вызывает дальнейшее уменьшение сопротивления R_Б1. Этот процесс протекает лавинообразно. Сопротивление R_Б1 уменьшается быстрее, чем увеличивается ток через р-п переход, в результате на вольт-амперной характеристике однопереходного транзистора (рис. 2), появляется область отрицательного сопротивления (кривая 1). При дальнейшем увеличении тока зависимость сопротивления R_Б1 от тока через р-п переход уменьшается, и при значениях, больших некоторой величины ( Iвыкл) оно не зависит от тока (область насыщения).

При уменьшении напряжения смещения Uсм вольт-амперпая характеристика смещается влево (кривая 2) и при отсутствии его обращается в характеристику открытого р-п перехода (кривая 3).

Основными параметрами однопереходных транзисторов, характеризующими их как элементы схем, являются:
межбазовое сопротивление R_Б1Б2 — сопротивление между выводами баз при отключенном эмиттере;
коэффициент передачи

характеризующий напряжение переключения;
напряжение срабатывания Ucp— минимальное напряжение на эмиттерном переходе, необходимое для перевода прибора из состояния с большим сопротивлением в состояние с отрицательным сопротивлением;
ток включения Iвкл — минимальный ток, необходимый для включения однопереходного транзистора, то есть перевода его в область отрицательного сопротивления;
ток выключения Iвыкл —наименьший эмиттерный ток, удерживающий транзистор во включенном состоянии;
напряжение выключения Uвыкл— напряжение на эмиттерном переходе при токе через него, равном Iвыкл;
обратный ток эмиттера Iэо — ток утечки закрытого эмиттерного перехода.

Эквивалент однопереходного транзистора может быть построен из двух обычных транзисторов с разным типом проводимости, как показано на рис. 3.

Здесь ток, протекающий через делитель, состоящий из резисторов R1 и R2, создает на втором из них падение напряжения, закрывающее эмиттерныи переход транзистора Т1. При увеличении напряжения на эмиттере транзистор Т1 начинает пропускать ток в базу транзистора Т2, в результате чего он также открывается. Это приводит к снижению напряжения на базе транзистора Т1, что, в свою очередь, вызывает еще большее открывание его и т. д. Другими словами, процесс открывания транзисторов в таком устройстве также протекает лавинообразно и вольтамперная характеристика устройства имеет вид, аналогичный характеристике однопереходного транзистора.

Устройства на однопереходных транзисторах

Однопереходные транзисторы (двухбазовые диоды) широко применяются в различных устройствах автоматики, импульсной и измерительной техники — генераторах, пороговых устройствах, делителях частоты, реле времени и т. д.

Одним из основных типов устройств на однопереходных транзисторах является релаксационный генератор, схема которого показана на рис. 1.

При включении питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1. Как только напряжение на конденсаторе становится равным напряжению включения однопереходного транзистора Т1, его эмиттерный переход открывается и конденсатор быстро разряжается. По мере разряда конденсатора эмиттерный ток уменьшается и при достижении величины, равной току выключения, транзистор закрывается, после чего процесс повторяется снова. В результате на базах Б1 и Б2 возникают короткие разнополярные импульсы, которые и являются выходными сигналами генератора.

Частоту колебаний f генератора можно рассчитать по приближенной формуле:

где R — сопротивление резистора R1, Ом;

С—емкость конденсатора С1, Ф;

η— коэффициент передачи однопереходного транзистора.

При заданной частоте колебаний емкость конденсатора следует выбрать возможно большей с тем, чтобы получить на нагрузке (R2 или R3) сигнал с нужной амплитудой. Важным достоинством генератора на однопереходном транзисторе является то, что частота его колебаний незначительно зависит от величины питающего напряжения. Практически изменение напряжения от 10 до 20 В приводит к изменению частоты всего на 0,5%.

Если вместо резистора R1 в зарядную цепь включить фотодиод, фоторезистор, терморезистор или другой элемент, изменяющий свое сопротивление под действием внешних факторов (света, температуры, давления и т. д.), то генератор превращается в аналоговый преобразователь соответствующего физического параметра в частоту следования импульсов.

Несколько изменив схему, как показано на рис. 2, этот же генератор можно превратить в устройство сравнения напряжений. В этом случае базовые цепи транзистора подключают к источнику эталонного напряжения, а зарядную цепь — к исследуемому источнику. Когда напряжение последнего превысит напряжение включения, устройство начнет генерировать импульсы положительной полярности.

В устройстве, схема которого показана на рис. 3, конденсатор заряжается через резистор R4 и сопротивление участка эмиттер — коллектор биполярного транзистора Т1. В остальном работа этого генератора не отличается от описанного ранее. Зарядный ток, а, следовательно, и частоту пилообразного напряжения, снимаемого в этом случае с эмиттера однопереходного транзистора Т2, регулируют изменением напряжения смещения на базе транзистора Т1 с помощью подстроечного резистора R2. Отклонение линейности формы колебаний, вырабатываемых таким устройством, не превышает 1%

Моментом включения однопереходного транзистора можно управлять, подавая импульс положительной полярности в цепь эмиттера или отрицательной полярности в цепь базы Б2. На этом принципе основана работа ждущего мультивибратора, схема которого приведена на рис. 4. Для получения нужного режима работы максимальное напряжение на конденсаторе С1, зависящее от соотношения сопротивлений резисторов делителя R1R2, устанавливают меньшим напряжения включения транзистора. Разность этих напряжений выбирают с учетом возможных помех в цепи запуска, которые могут привести к ложным срабатываниям устройства. При подаче импульса отрицательной полярности в цепь базы Б2 межбазовое напряжение U_Б1Б2 уменьшается (модулируется), в результате транзистор Т1 открывается и на базе Б1 возникает импульс положительной полярности.

Однопереходные транзисторы применяют и в генераторах напряжения ступенчатой формы. На вход такого устройства (см. рис. 5) подают сигнал симметричной (синусоидальной, прямоугольной и т, д.) формы. При положительной полуволне сигнала конденсатор С1 заряжается через резистор R2 и сопротивление участка эмиттер-коллектор транзистора Т1 до некоторого напряжения, значительно меньшего напряжения включения однопереходного транзистора Т2. За время действия следующей положительной полуволны напряжение на конденсаторе ступенчато возрастает на такую же величину и так до тех пор, пока не станет равным напряжению включения транзистора Т2.

Напряжение ступенчатой формы снимается с его эмиттера. На использовании этого принципа основана работа делителей частоты. Один каскад на однопереходном транзисторе способен обеспечить коэффициент деления до 5. Объединив в единое целое несколько таких устройств, можно получить делитель с гораздо большим коэффициентом деления. Для примера на рис. 6 приведена схема делителя частоты на 100. Первый каскад устройства делит частоту поступающих на его вход импульсов положительной полярности на 4, два других - на 5.

Как видно из схемы, каскады делителя частоты отличаются друг от друга только сопротивлениями резисторов в цепях заряда конденсаторов С1—СЗ. Постоянная времени заряда конденсатора С1 определяется резисторами Rl, R2. R4 и R6; С2 — резисторами R3. R4 и R6; C3—R5 и R6. При включении питания конденсаторы С1—СЗ начинают заряжаться. Импульсы напряжения положительной полярности, поступающие на вход устройства, складываются с напряжением на конденсаторе С1 и как только их сумма достигает величины, равной напряжению включения, однопереходный транзистор открывается и конденсатор разряжается через его эмиттерный переход. В результате скачком увеличивается падение напряжения на резисторах R4 и R6, а это приводит к уменьшению межбазовых напряжений транзисторов Т2 и ТЗ. Однако транзистор Т2 откроется только тогда, когда напряжение на конденсаторе С2 станет достаточным для его включения при пониженном межбазовом напряжении. Аналогично работает и третий каскад делителя.

Схема реле времени, отличающегося очень высокой экономичностью, приведена на рис. 7. В исходном состоянии тиристор ДЗ закрыт, поэтому устройство практически не потребляет энергии (токи утечки невелики и ими можно пренебречь). При подаче на управляющий электрод запускающего импульса положительной полярности тиристор открывается. В результате срабатывает реле Р1 и своими контактами (на схеме условно не показаны) включает исполнительное устройство. Одновременно через резисторы R1 и R2 начинают заряжаться конденсаторы С1 и С2. Поскольку сопротивление первого из этих резисторов во много раз больше второго, то первым зарядится конденсатор С2, а когда напряжение на конденсаторе С1 достигнет величины напряжения включения, однопереходный транзистор откроется и конденсатор С1 разрядится через его эмиттерный переход. Возникший при этом на резисторе R2 импульс положительной полярности сложится с напряжением на конденсаторе С2, в результате чего тиристор ДЗ закроется и обесточит реле Р1 до прихода следующего запускающего импульса.

Устройство, схема которого приведена на рис, 8, предназначено для аналогового преобразования напряжения в частоту. Здесь транзистор Т2 использован в релаксационном генераторе, Т1 вместе с резисторами R1 и R2 включен в зарядную цепь конденсатора С1. При изменении напряжения на базе транзистора Т1 изменяется сопротивление его участка эмиттер—коллектор, а следовательно, в зависимости от величины входного напряжения однопереходный транзистор Т2 открывается с большей или меньшей частотой. По частоте следования импульсов, снимаемых с нагрузочного резистора R3 в цепи базы Б1 можно судить о напряжении на входе устройства.