path: root/circuitry/referat.tex

\documentclass[spec, och, referat]{SCWorks}
% параметр - тип обучения - одно из значений:
%    spec     - специальность
%    bachelor - бакалавриат (по умолчанию)
%    master   - магистратура
% параметр - форма обучения - одно из значений:
%    och   - очное (по умолчанию)
%    zaoch - заочное
% параметр - тип работы - одно из значений:
%    referat    - реферат
%    coursework - курсовая работа (по умолчанию)
%    diploma    - дипломная работа
%    pract      - отчет по практике
% параметр - включение шрифта
%    times    - включение шрифта Times New Roman (если установлен)
%               по умолчанию выключен
% \usepackage{subfigure}
\usepackage{tikz,pgfplots}
\pgfplotsset{compat=1.5}
\usepackage{float}

%\usepackage{titlesec}
\setcounter{secnumdepth}{4}
%\titleformat{\paragraph}
%{\normalfont\normalsize}{\theparagraph}{1em}{}
%\titlespacing*{\paragraph}
%{35.5pt}{3.25ex plus 1ex minus .2ex}{1.5ex plus .2ex}

\titleformat{\paragraph}[block]
{\hspace{1.25cm}\normalfont}
{\theparagraph}{1ex}{}
\titlespacing{\paragraph}
{0cm}{2ex plus 1ex minus .2ex}{.4ex plus.2ex}

% -------------------------------------------------------------------------- %


\usepackage[T2A]{fontenc}
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage{graphicx}
\graphicspath{ {./images/} }
\usepackage{tempora}

\usepackage[sort,compress]{cite}
% \usepackage{amsmath}
% \usepackage{amssymb}
% \usepackage{amsthm}
% \usepackage{fancyvrb}
% \usepackage{listings}
% \usepackage{listingsutf8}
% \usepackage{longtable}
% \usepackage{array}
\usepackage[english,russian]{babel}

\usepackage[hidelinks]{hyperref}
\usepackage{url}

\usepackage{underscore}
\usepackage{setspace}
\usepackage{indentfirst} 
\usepackage{mathtools}
\usepackage{amsfonts}
\usepackage{enumitem}
\usepackage{tikz}

\usepackage{caption}
\usepackage{subcaption}

\newcommand{\eqdef}{\stackrel {\rm def}{=}}
\newcommand{\specialcell}[2][c]{%
\begin{tabular}[#1]{@{}c@{}}#2\end{tabular}}

% \renewcommand\theFancyVerbLine{\small\arabic{FancyVerbLine}}

\newtheorem{lem}{Лемма}

\begin{document}

% Кафедра (в родительном падеже)
\chair{}

% Тема работы
\title{Биполярные транзисторы}

% Курс
\course{3}

% Группа
\group{331}

% Факультет (в родительном падеже) (по умолчанию "факультета КНиИТ")
\department{факультета КНиИТ}

% Специальность/направление код - наименование
%\napravlenie{09.03.04 "--- Программная инженерия}
%\napravlenie{010500 "--- Математическое обеспечение и администрирование информационных систем}
%\napravlenie{230100 "--- Информатика и вычислительная техника}
%\napravlenie{231000 "--- Программная инженерия}
\napravlenie{10.05.01 "--- Компьютерная безопасность}

% Для студентки. Для работы студента следующая команда не нужна.
% \studenttitle{Студентки}

% Фамилия, имя, отчество в родительном падеже
\author{Гущина Андрея Юрьевича}

% Заведующий кафедрой
% \chtitle{} % степень, звание
% \chname{}

%Научный руководитель (для реферата преподаватель проверяющий работу)
\satitle{преподаватель} %должность, степень, звание
\saname{Р.~А.~Торгашов}

% Руководитель практики от организации (только для практики,
% для остальных типов работ не используется)
% \patitle{к.ф.-м.н.}
% \paname{С.~В.~Миронов}

% Семестр (только для практики, для остальных
% типов работ не используется)
%\term{8}

% Наименование практики (только для практики, для остальных
% типов работ не используется)
%\practtype{преддипломная}

% Продолжительность практики (количество недель) (только для практики,
% для остальных типов работ не используется)
%\duration{4}

% Даты начала и окончания практики (только для практики, для остальных
% типов работ не используется)
%\practStart{30.04.2019}
%\practFinish{27.05.2019}

% Год выполнения отчета
\date{2022}

\maketitle

\tableofcontents

% Включение нумерации рисунков, формул и таблиц по разделам
% (по умолчанию - нумерация сквозная)
% (допускается оба вида нумерации)
% \secNumbering

% -------------------------------------------------------------------------- %

\intro

В 1928 году были изобретены первые полевые транзисторы, а биполярные транзисторы
появились в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения,
революция в электронике. За 30 лет развития, транзисторы почти полностью
вытеснили электронные лампы и стали основой полупроводниковых интегральных схем,
благодаря этому, электронная техника стала значительно более экономичной,
функциональной и миниатюрной. Транзисторы и интегральные схемы на их основе
вызвали бурное развитие компьютерной техники. В начале 21"=го века транзистор
стал одним из самых массовых изделий, производимых человечеством. В 2013 году на
каждого жителя Земли было выпущено около 15 миллиардов транзисторов (большинство
из них "--- в составе интегральных схем). \cite{wiki}


\section{Основные характеристики}

\textbf{Биполярные транзисторы} (либо \textbf{триоды}) "--- электронные
полупроводниковые приборы, отличающиеся от полевых способом переноса заряда. В
полевых (однополярных) транзисторах, используемых в основном в цифровых
устройствах, заряд переносится или дырками, или электронами. В биполярных же в
процессе участвуют и электроны, и дырки. Применяются в аналоговых устройствах.

Полупроводниковый кристалл транзистора состоит из трех областей с чередующимися
типами электропроводности, между которыми находятся два P"=N"=перехода. Средняя
область обычно выполняется очень тонкой (доли микрона), поэтому P"=N"=переходы
близко расположены один от другого.

Управление величиной протекающего в выходной цепи (в цепи коллектора или
эмиттера) биполярного транзистора тока осуществляется с помощью тока в цепи
управляющего электрода "--- базы. \textbf{Базой} называется средний слой в
структуре транзистора. Крайние слои называются \textbf{эмиттер} (испускать,
извергать) и \textbf{коллектор} (собирать). Концентрация примесей (а,
следовательно, и основных носителей зарядов) в эмиттере существенно больше, чем
в базе и больше, чем в коллекторе. Поэтому эмиттерная область самая низкоомная.

При подключении эмиттера и коллектора к источнику питания создаются почти все
условия для протекания тока. Однако свободному перемещению носителей заряда
препятствует база, и для устранения этой помехи на неё подаётся напряжение
смещения. В базовом слое полупроводника возникают физико"=химические процессы
электронно"=дырочной рекомбинации, в результате которой через базу начинает течь
небольшой ток. В результате P"=N"=переходы открывают путь потоку носителей
заряда от эмиттера к коллектору.

Если ток, протекающий через базу, меняется по какому"=то закону, то точно так же
изменяется и мощный ток между эмиттером и коллектором. Следовательно, на выходе
биполярного транзистора получается такой же сигнал, как и на базе, но с более
высокой мощностью. \cite{eandc}

В зависимости от типа проводимости эмиттера, коллектора и базы различают
P"=N"=P"= и N"=P"=N"=транзисторы. Единственное функциональное отличие между
этими видами транзисторов заключается в полярности приложенного напряжения.
Выбор того или иного вида биполярного транзистора определяется особенностями
конкретных радиотехнических устройств.

Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным
полупроводниковым прибором. В качестве основного материала для изготовления
биполярных транзисторов в настоящее время используется кремний. При этом
преимущественно изготавливают транзисторы N"=P"=N"=типа, в которых основными
носителями заряда являются электроны, имеющие подвижность в 2 -- 3 раза выше,
чем подвижность дырок. \cite{studopedia}

На рисунке \ref{fig:scheme-transistor} представлено обозначение биполярного
транзистора в электрической схеме.

\begin{figure}[h]
    \centering
    \begin{subfigure}[b]{0.4\textwidth}
        \centering
        \includegraphics[width=\textwidth]{image_1.png}
        \caption{P"=N"=P"=транзистор}
    \end{subfigure}
    \begin{subfigure}[b]{0.4\textwidth}
        \centering
        \includegraphics[width=\textwidth]{image_2.png}
        \caption{N"=P"=N"=транзистор}
    \end{subfigure}
    \caption{Обозначение транзистора}
    \label{fig:scheme-transistor}
\end{figure}

Разберёмся, какой тип отображает каждый рисунок. N означает Negative и содержит
свободные электроны, а P (Positive) "--- положительно заряженные атомы или
<<дырки>>. Ток течёт в направлении противоположном движению отрицательных
частиц.

На схеме нарисована стрелка, идущая от эмиттера к базе или наоборот. Она
показывает направление управляющего тока. Если база изготовлена из
N"=полупроводника, то стрелка обращена к ней. Если стрелка направлена к
эмиттеру, то это N"=P"=N тип.


\section{Применение}

Основной функцией биполярного транзистора (БТ) является увеличение мощности
входного электрического сигнала. Эти полупроводниковые радиокомпоненты
появились, как альтернатива электровакуумных триодов, и со временем практически
вытеснили их из отрасли. Хотя лампы применяются и до сих пор, в очень узком
сегменте аппаратуры специального назначения, в массовой радиотехнике
используются, в основном, транзисторы "--- биполярные и их ближайшие
<<родственники>> полевые.

\subsection{Режимы работы}

\begin{enumerate}
    \item
        \textbf{Инверсный активный режим}. Здесь открыт переход БК, а ЭБ
        наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже
        некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
    \item
        \textbf{Режим насыщения}. Оба перехода открыты. Соответственно, основные
        носители заряда коллектора и эмиттера <<бегут>> в базу, где активно
        рекомбинируют с ее основными носителями. Из"=за возникающей избыточности
        носителей заряда сопротивление базы и P"=N переходов уменьшается.
        Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать
        короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде
        эквипотенциальной точки.
    \item
        \textbf{Режим отсечки}. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток
        основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается.
        Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые
        тепловые токи переходов. Из"=за бедности базы и переходов носителями
        зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что
        транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
    \item
        \textbf{Барьерный режим}. В этом режиме база напрямую или через малое
        сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или
        эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор.
        Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно
        включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет
        схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне
        температур и нетребователен к параметрам транзисторов. \cite{habr}
\end{enumerate}


\section{Схемы включения}

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно
подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому
на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового
знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт,
различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ),
общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства,
так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие
параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

На рисунке \ref{fig:switching-scheme} изображены возможные схемы включения в
цепь.

\begin{figure}[h]
    \centering
    \begin{subfigure}[b]{0.3\textwidth}
        \centering
        \includegraphics[width=\textwidth]{shared_base.jpeg}
        \caption{С общей базой}
    \end{subfigure}
    \begin{subfigure}[b]{0.3\textwidth}
        \centering
        \includegraphics[width=\textwidth]{shared_emitter.jpeg}
        \caption{С общим эмиттером}
    \end{subfigure}
    \begin{subfigure}[b]{0.3\textwidth}
        \centering
        \includegraphics[width=\textwidth]{shared_collector.jpeg}
        \caption{С общим коллектором}
    \end{subfigure}
    \caption{Схемы включения транзистора}
    \label{fig:switching-scheme}
\end{figure}

\begin{itemize}
    \item 
        Схема включения с общим эмиттером даёт наибольшее усиление по напряжению
        и току (а отсюда и по мощности "--- до десятков тысяч единиц), в связи с
        чем является наиболее распространенной.
    \item
        Схема включения с общей базой не даёт значительного усиления сигнала,
        зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно
        использовать частотную характеристику транзистора.
    \item
        Особенность схемы включения с общим коллектором заключается в том, что
        входное напряжение полностью передаётся обратно на вход, т.е. очень
        сильна отрицательная обратная связь. \cite{radioelementy}
\end{itemize}


\begin{thebibliography}{99}
    \bibitem{studopedia} Биполярные транзисторы [Электронный ресурс] -- URL:~\url{https://studopedia.ru/7_31925_bipolyarnie-tranzistori.html} (дата обращения 13.04.2022) -- Загл. с экрана. Яз. рус.
    \bibitem{habr} Биполярные транзисторы. For dummies [Электронный ресурс] -- URL:~\url{https://habr.com/ru/post/133136/} (дата обращения 13.04.2022) -- Загл. с экрана. Яз. рус.
    \bibitem{radioelementy} Биполярные транзисторы: принцип работы, характеристики и параметры [Электронный ресурс] -- URL:~\url{https://www.radioelementy.ru/articles/bipolyarnye-tranzistory/} (дата обращения 13.04.2022) -- Загл. с экрана. Яз. рус.
    \bibitem{eandc} Биполярные транзисторы: устройство, принцип и режимы работы, схема включения, применение, основные параметры [Электронный ресурс] -- URL:~\url{https://eandc.ru/news/detail.php?ID=21477} (дата обращения 13.04.2022) -- Загл. с экрана. Яз. рус.
    \bibitem{wiki} Транзистор [Электронный ресурс] // Википедия [Электронный ресурс] : свободная энциклопедия / текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike ; Wikimedia Foundation, Inc, некоммерческой организации. - Wikipedia®, 2001- . - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Транзистор (дата обращения: 13.04.2022). -- Загл. с экрана. - Последнее изменение страницы: 22:18, 21 января 2022 года. -- Яз. рус.
\end{thebibliography}

\end{document}