Как работает транзистор в схеме. Основы электроники для чайников: что такое транзистор и как он работает

Транзистор (transistor) – полупроводниковый элемент с тремя выводами (обычно), на один из которых (коллектор ) подаётся сильный ток, а на другой (база ) подаётся слабый (управляющий ток ). При определённой силе управляющего тока,как бы «открывается клапан» и ток с коллектора начинает течь на третий вывод (эмиттер ).

То есть транзистор – это своеобразный клапан , который при определённой силе тока, резко уменьшает сопротивление и пускает ток дальше (с коллектора на эмиттер).Происходит это потому, что при определенных условиях, дырки имеющие электрон, теряют его принимая новый и так по кругу. Если к базе не прилагать электрический ток, то транзистор будет находиться в уравновешенном состоянии и не пропускать ток на эмиттер.

В современных электронных чипах, количество транзисторов исчисляется миллиардами . Используются они преимущественно для вычислений и состоят из сложных связей.

Полупроводниковые материалы, преимущественно применяемые в транзисторах это: кремний , арсенид галлия и германий . Также существуют транзисторы на углеродных нанотрубках , прозрачные для дисплеев LCD и полимерные (наиболее перспективные).

Разновидности транзисторов:

Биполярные – транзисторы в которых носителями зарядов могут быть как электроны, так и «дырки». Ток может течь, как в сторону эмиттера , так и в сторону коллектора . Для управления потоком применяются определённые токи управления.

– распротранёные устройства в которых управление электрическим потоком происходит посредством электрического поля. То есть когда образуется большее поле – больше электронов захватываются им и не могут передать заряды дальше. То есть это своеобразный вентиль, который может менять количество передаваемого заряда (если полевой транзисторс управляемым p — n — переходом). Отличительной особенностью данных транзисторов являются высокое входное напряжение и высокий коэффициент усиления по напряжению.

Комбинированные – транзисторы с совмещёнными резисторами, либо другими транзисторами в одном корпусе. Служат для различных целей, но в основном для повышения коэффициента усиления по току.

Подтипы:

Био-транзисторы – основаны на биологических полимерах, которые можно использовать в медицине, биотехнике без вреда для живых организмов. Проводились исследования на основе металлопротеинов, хлорофилла А (полученного из шпината), вируса табачной мозаики.

Одноэлектронные транзисторы – впервые были созданы российскими учёными в 1996 году . Могли работать при комнатной температуре в отличии от предшественников. Принцип работы схож с полевым транзистором, но более тонкий. Передатчиком сигнала является один или несколько электронов. Данный транзистор также называют нано- и квантовый транзистор. С помощью данной технологии, в будущем рассчитывают создавать транзисторы с размером меньше 10 нм , на основе графена .

Для чего используются транзисторы?

Используются транзисторы в усилительных схемах , лампах , электродвигателях и других приборах где необходимо быстрое изменение силы тока или положение вкл выкл . Транзистор умеет ограничивать силу тока либо плавно , либо методом импульс —пауза . Второй чаще используется для -управления. Используя мощный источник питания, он проводит его через себя, регулируя слабым током.

Если силы тока недостаточно для включения цепи транзистора, то используются несколько транзисторов с большей чувствительностью, соединённые каскадным способом.

Мощные транзисторы соединённые в один или несколько корпусов, используются в полностью цифровых усилителях на основе . Часто им требуется дополнительное охлаждение . В большинстве схем, они работают в режиме ключа (в режиме переключателя).

Применяются транзисторы также в системах питания , как цифровых, так и аналоговых (материнские платы , видеокарты , блоки питания & etc ).

Центральные процессоры , тоже состоят из миллионов и миллиардов транзисторов, соединённых в определённом порядке для специализированных вычислений .

Каждая группа транзисторов, определённым образом кодирует сигнал и передаёт его дальше на обработку. Все виды и ПЗУ памяти, тоже состоят из транзисторов.

Все достижения микроэлектроники были бы практически невозможны без изобретения и использования транзисторов. Трудно представить хоть один электронный прибор без хотя бы одного транзистора.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор - электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» - дважды). А в полевом (он же униполярный) - или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые - в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов - усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора ), а между эмиттером и базой - слабый управляющий ток (ток базы ). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй - с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но бо льшая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны - неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу . Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем - ток коллектора, а управляющий ток базы - то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) - соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21 . Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току . Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора . Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора - коэффициент усиления по напряжению . Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая - очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику , которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной .

Также параметрами биполярного транзистора являются:

обратный ток коллектор-эмиттер
время включения
обратный ток колектора
максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

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.
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.
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.
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.

Схемы включения биполярных транзисторов

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.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности - до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор - обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное - не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным - потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке - VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке - VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления - то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл.xls (35 кб) .

Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Теги: Добавить метки

Транзистор (transistor, англ.) – триод, из полупроводниковых материалов, с тремя выходами, основное свойство которого – сравнительно низким входным сигналом управлять значительным током на выходе цепи. В радиодеталях, из которых собирают современные сложные электроприборы, используются полевые транзисторы. Их свойства позволяют решать задачи по выключению или включению тока в электрической цепи печатной платы, или его усилению.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор - это устройство с тремя или четырьмя контактами, в котором ток на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. Поэтому их называют полевыми.

Контакты:

Полевой транзистор с п – р переходом – особый вид транзисторов, которые служат для управления током .

Он отличается от простого обычного тем, что ток в нем проходит, не пересекая зоны р — n перехода, зоны, образующейся на границы этих двух зон. Размер р — n зоны регулируется.

Полевые транзисторы, их виды

Полевые транзисторы с п – р переходом делят на классы:

По типу канала проводника: n или р. От канала зависит знак, полярность, сигнала управления. Она должна быть противоположна по знаку n -зоне.
По структуре прибора: диффузные, сплавные по р – n — переходом, с затвором , тонкопленочные.
По числу контактов: 3-х и 4-контактные. В случае 4-контактного прибора, подложка также исполняет роль затвора.
По используемым материалам: германий, кремний, арсенид галлия.

Классы делятся по принципу работы:

устройство под управлением р — n перехода;
устройство с изолированным затвором или с барьером Шоттки.

Полевой транзистор, принцип работы

По-простому, как работает полевой транзистор с управляющим р-п переходом, можно сказать так: радиодеталь состоит из двух зон: р — перехода и п — перехода. По зоне п течет электрический ток. Зона р – перекрывающая зона своего рода вентиль. Если на нее сильно надавить, она перекрывает зону для прохождения тока и его проходит меньше. Или, если давление снизить пройдет больше. Такое давление осуществляют увеличением напряжения на контакте затвора, находящегося в зоне р.

Прибор с управляющим р — п канальным переходом - это полупроводниковая пластина с электропроводностью одного из этих типов. К торцам пластины подсоединены контакты: сток и исток, в середине - контакт затвора. Действие устройства основано на изменяемости толщины пространства р-п перехода. Поскольку в запирающей области почти нет подвижных носителей заряда, ее проводимость равна нулю . В полупроводниковой пластине, в области не под воздействием запирающего слоя, создается проводящий ток канал. При подаче отрицательного напряжения по отношению к истоку, на затвор создается поток, по которому истекают носители заряда.

В случае изолированного затвора, на нем расположен тонкий слой диэлектрика. Этот вид устройства работает на принципе электрического поля . Чтобы разрушить его достаточно небольшого электричества. Поэтому для защиты от статического напряжения, которое может достигать тысяч вольт, создают специальные корпуса приборов — они позволяют минимизировать воздействие вирусного электричества.

Зачем нужен полевой транзистор

Рассматривая работу сложной электронной техники, как работу полевого транзистора (как одного из компонентов интегральной схемы) сложно представить, что основных направления его работы пять:

Усилители высоких частот.
Усилители низких частот.
Модуляция.
Усилители постоянного тока.
Ключевые устройства (выключатели).

На простом примере работу транзистора, как выключателя, можно представить как компоновку микрофона с лампочкой. Микрофон улавливает звук, от этого появляется электрический ток. Он поступает на запертый полевой транзистор. Своим присутствием ток включает устройство, включает электрическую цепь, к которой подключена лампочка. Лампочка загорается при улавливании звука микрофоном, но горит за счет источника питания, не связанного с микрофоном и более мощного.

Модуляция применяется для управления информационным сигналом. Сигнал управляет частотой колебания. Модуляция применяется для качественного звукового сигнала в радио, для передачи звукового ряда в телевизионных передачах, трансляции цвета и телевизионного сигнала высокого качества. Она применяется везде, где требуется работа с материалом высокого качества.

Как усилитель полевой транзистор упрощенно работает так: графически любой сигнал, в частности, звуковой ряд, можно представить в виде ломаной линии, где ее длина – это время, а высота изломов частота звука. Для усиления звука на радиодеталь подают мощное напряжение, которое приобретает необходимые частоты, но с более большими значениями, за счет подачи слабого сигнала на управляющий контакт. Другими словами, устройство пропорционально перерисовывает изначальную линию, но с более высокими пиковыми значениями.

Применение полевых транзисторов

Первым прибором, поступившим в продажу, где использовался полевой транзистор с управляющим p-n переходом, был слуховой аппарат . Его появление зафиксировано в пятидесятых годах прошлого века. В промышленных масштабах их применяли в телефонных станциях.

В современном мире, устройства применяют во всей электротехнике . Благодаря маленьким размерам и разнообразию характеристик полевого транзистора, встретить его можно в кухонной технике, аудио и телевизионной технике, компьютерах и электронных детских игрушках. Их применяются в системах сигнализации как охранных механизмов, так и пожарной сигнализации.

На заводах транзисторное оборудование применяется для регуляторов мощности станков . В транспорте от работы оборудования на поездах и локомотивов, до системы впрыска топлива частных автомобилей. В ЖКХ от систем диспетчеризации, до систем управления уличным освещением.

Одна из важнейших областей применения транзисторов – производство процессоров . По сути, весь процессор состоит из множества миниатюрных радиодеталей. Но при переходе на частоту работы выше 1,5 ГГц, они лавинообразно начинают потреблять энергию. Поэтому производители процессоров пошли по пути многоядерности, а не путем увеличения тактовых частот.

Плюсы и минусы полевых транзисторов

Полевые транзисторы своими характеристиками оставили далеко позади другие виды устройства. Широкое применение они нашли в интегральных схемах в роли выключателей.

каскад деталей расходует мало энергии;
усиление выше, чем у других видов;
высокая помехоустойчивость достигается отсутствием прохождения тока в затворе;
более высокая скорость включения и выключения – они могут работать на недоступных другим транзисторам частотах.

более низкая температура разрушения, чем у других видов;
на частоте 1,5 ггц, потребляемая энергия начинает резко возрастать;
чувствительность к статическому электричеству.

Характеристики полупроводниковых материалов, взятых за основу полевых транзисторов, позволили применять устройства в быту и производстве . На основе плевых транзисторов создали бытовую технику в привычном для современного человека виде. Обработка высококачественных сигналов, производство процессоров и других высокоточных компонентов невозможна без достижений современной науки.

В свое время транзисторы пришли на смену электронным лампах. Это произошло благодаря тому, что они имеют меньшие габариты, высокую надежность и менее затратную стоимость производства. Сейчас, биполярные транзисторы являются основными элементами во всех усилительных схемах.

Представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода . Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода . В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.

База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.

Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.

Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.

Как правило, эмиттер содержит намного большее количество основных зарядов, чем база. Это основное условие работы транзистора, потому что в этом случае, при прямом смещении эмиттерного перехода, ток будет обуславливаться основными носителями эмиттера. Эмиттер сможет осуществлять свою главную функцию – впрыск носителей в слой базы. Обратный ток эмиттера обычно стараются сделать как можно меньше. Увеличение основных носителей эмиттера достигается с помощью высокой концентрации примеси .

Базу делают как можно более тонкой . Это связано с временем жизни зарядов. Носители зарядов должны пересекать базу и как можно меньше рекомбинировать с основными носителями базы, для того чтобы достигнуть коллектора.

Для того чтобы коллектор мог наиболее полнее собирать носители прошедшие через базу его стараются сделать шире.

Принцип работы транзистора

Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.

В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.

Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном . Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора. Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника. Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом к эмиттеру, а отрицательным к базе. Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ < Uк.

Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении. Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его. Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки 1-5, а в базе электроны 7-8. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном ими.

Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы.

Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции .

Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

Дырки 1-5 перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода. Таким образом, создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода, в следствии чего начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу. Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.

Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися там, например, как дырка 5 и электрон 6. А так как дырки поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд, поэтому, должны поступать и электроны, которые втягиваются через вывод базы и образуют базовый ток Iбр. Это важное условие работы транзистора – концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов. Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.

Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы.

Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1.

Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора.

Обратный ток коллектора возникает в результате обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырки 9 и электрона 10. Именно потому, что обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током .

От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.

Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока .

Как же работает транзистор?

Рассмотри хорошенько рис. 93. Слева на этом рисунке ты видишь упрощенную схему усилителя на транзисторе структуры p-n-p и иллюстраций, поясняющие сущность работы этого усилителя. Здесь, как и на предыдущих рисунках, дырки областей p-типа условно изображены кружками, а электроны области n-типа - черными шариками таких же размеров. Запомни наименования p-n переходов: между коллектором и базой - коллекторный, между эмиттером и базой - эмиттерный.

Рис. 93. Упрощенная схема усилителя на транзисторе структуры p-n-p и графики, иллюстрирующие его работу.

Между коллектором и эмиттером включена батарея Б к (коллекторная), создающая на коллекторе по отношению к эмиттеру отрицательное напряжение порядка нескольких вольт. В эту же цепь, именуемую коллекторной, включена нагрузка R н, которой может быть телефон или иной прибор - в зависимости от назначения усилителя.

Если база ни с чем не будет соединена, в коллекторной цепи появится очень слабый ток (десятые доли миллиампера), так как при такой полярности включения батареи Б к сопротивление коллекторного p-n перехода окажется очень большим; для коллекторного перехода это будет обратный ток. Ток коллекторной цепи I к резко возрастает, если между базой и эмиттером включить элемент смещения Б с, подав на базу по отношению к эмиттеру небольшое, хотя бы десятую долю вольта, отрицательное напряжение. Вот что при этом произойдет. При таком включении элемента Б с (имеется в виду, что зажимы для подключения источника усиливаемого сигнала, обозначенного на схеме знаком «~» - синусоидой, соединены накоротко) в этой новой цепи, называемой цепью базы, пойдет некоторый прямой ток I б; как и в диоде, дырки в эмиттере и электроны в базе будут двигаться встречно и нейтрализоваться, обусловливая ток через эмиттерный переход.

Но судьба большей части дырок, вводимых из эмиттера в базу, иная, нежели исчезнуть при встрече с электронами. Дело в том, что при изготовлении транзисторов структуры p-n-p насыщенность дырок в эмиттере (и коллекторе) делают всегда большей, чем насыщенность электронов в базе. Благодаря этому только небольшая часть дырок (меньше 10%), встретившись с электронами, исчезает. Основная же масса дырок свободно проходит в базу, попадает под более высокое отрицательное напряжение на коллекторе, входит в коллектор и в общем потоке с его дырками перемещается к его отрицательному контакту. Здесь они нейтрализуются встречными электронами, вводимыми в коллектор отрицательным полюсом батареи Б к. В результате сопротивление всей коллекторной цепи уменьшается и в ней течет ток, во много раз превышающий обратный ток коллекторного перехода. Чем больше отрицательное напряжение на базе, тем больше дырок вводится из эмиттера в базу, тем значительнее ток коллекторной цепи. И, наоборот, чем меньше отрицательное напряжение на базе, тем меньше и ток коллекторной цепи транзистора.

А если в цепь базы последовательно с источником постоянного напряжения, питающего эту цепь, вводить переменный электрический сигнал? Транзистор усилит его.

Процесс усиления в общих чертах происходит следующим образом. При отсутствии напряжения сигнала в цепях базы и коллектора текут токи некоторой величины (участка О а на графиках на рис. 93), определяемые напряжениями батарей и свойствами транзистора. Как только в цепи базы появляется сигнал, соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзистора: во время отрицательных полупериодов, когда суммарное отрицательное напряжение на базе возрастает, токи цепей увеличиваются, а во время положительных полупериодов, когда напряжения сигнала и элемента Б с противоположны и, следовательно, отрицательное напряжение на базе уменьшается, токи в обеих цепях тоже уменьшаются. Происходит усиление по напряжению и току.

Если во входную цепь, т. е. в цепь базы, подан электрический сигнал звуковой частоты, а нагрузкой выходной - коллекторной - цепи будет телефон, он преобразует усиленный сигнал в звук. Если нагрузкой будет резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепь второго транзистора для дополнительного усиления. Один транзистор может усилить сигнал в 30 - 50 раз.

Точно так же работают и транзисторы структуры n-p-n, только в них основными носителями тока являются не дырки, а электроны. В связи с этим полярность включения элементов и батарей, питающих цепи базы и коллекторов n-p-n транзисторов, должна быть не такой, как у p-n-p транзисторов, а обратной.

Запомни очень важное обстоятельство: на базу транзистора (относительно эмиттера) вместе с напряжением усиливаемого сигнала обязательно должно подаваться постоянное напряжение, называемое напряжением смещения, открывающее транзистор.

В усилителе по схеме на рис. 93 роль источника напряжения смещения выполняет элемент Б с. Для германиевого транзистора структуры p-n-p оно должно быть отрицательным и составлять 0,1-0,2 В, а для транзистора структуры n-p-n - положительным. Для кремниевых транзисторов напряжение смещения составляет 0,5 -0,7 В. Без начального напряжения смещения эмиттерный p-n переход «срежет», подобно диоду, положительные (p-n-p транзистор) или отрицательные (n-p-n транзистор) полуволны сигнала, отчего усиление будет сопровождаться искажениями. Напряжение смещения на базу не подают лишь в тех случаях, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования высокочастотного модулированного сигнала.

Обязательно ли для подачи на базу начального напряжения смещения нужен специальный элемент или батарея? Нет, конечно. Для этой цели обычно используют напряжение коллекторной батареи, соединяя базу с этим источником питания через резистор. Сопротивление такого резистора чаше подбирают опытным путем, так как оно зависит от свойств данного транзистора.

В начале этой части беседы я сказал, что биполярный транзистор можно представить себе как два включенных встречно плоскостных диода, совмещенных в одной пластинке полупроводника и имеющих один общий катод, роль которого выполняет база транзистора. В этом нетрудно убедиться на опытах, Для которых тебе потребуется любой бывший в употреблении, но не испорченный германиевый низкочастотный транзистор структуры p-n-p, например МП39 или подобные ему транзисторы МП40 - МП42. Между коллектором и базой транзистора включи последовательно соединенные батарею 3336Л и лампочку от карманного фонаря, рассчитанную на напряжение 2,5 В и ток 0,075 или 0,15 А. Если плюс батареи окажется соединенным (через лампочку) с коллектором, а минус - с базой (рис. 94, а), то лампочка будет гореть. При другой полярности включения батареи (рис. 94,б) лампочка гореть не должна.

Рис. 94. Опыты с транзистором.

Как объяснить эти явления? Сначала на коллекторный p-n переход ты подавал прямое, т. е. пропускное напряжение. В этом случае коллекторный переход открыт, его сопротивление мало и через него течет прямой ток коллектора I к. Значение этого тока в данном случае определяется в основном сопротивлением нити лампочки и внутренним сопротивлением батареи. При втором включении батареи ее напряжение подавалось на коллекторный переход в обратном, непропускном направлении. В этом случае переход закрыт, его сопротивление велико и через него течет лишь небольшой обратный ток коллектора. У исправного маломощного низкочастотного транзистора обратный ток коллектора I КБО не превышает 30 мкА. Такой ток, естественно, не мог накалить нить лампочки, поэтому она и не горела.

Проведи аналогичный опыт с эмиттерным переходом. Результат будет таким же: при обратном напряжении переход будет закрыт - лампочка не горит, а при прямом напряжении он будет открыт - лампочка горит.

Следующий опыт, иллюстрирующий один из режимов работы транзистора, проводи по схеме, показанной на рис. 95, а. Между эмиттером и коллектором того же транзистора включи последовательно соединенные батарею 3336Л и лампочку накаливания. Положительный полюс батареи должен соединяться с эмиттером, а отрицательный - с коллектором (через нить накала лампочки). Горит лампочка? Нет, не горит. Соедини проволочной перемычкой базу с эмиттером, как показано на схеме штриховой линией. Лампочка, включенная в коллекторную цепь транзистора, тоже не будет гореть. Удали перемычку и вместо нее подключи к этим электродам последовательно соединенные резистор сопротивлением 200 - 300 Ом и один гальванический элемент Э б, например типа 332, но так, чтобы минус элемента был на базе, а плюс - на эмиттере. Теперь лампочка должна гореть. Поменяй местами полярность подключения элемента к этим электродам транзистора. В этом случае лампочка гореть не будет. Повтори несколько раз этот опыт и ты убедишься в том, что лампочка в коллекторной цепи будет гореть только тогда, когда на базе транзистора относительно эмиттера действует отрицательное напряжение.

Рис. 95. Опыты, иллюстрирующие работу транзистора в режиме переключения (а) и в режиме усиления (б).

Разберемся в этих опытах. В первом из них, когда ты, соединив перемычкой базу с эмиттером, замкнул накоротко эмиттерный переход, транзистор стал просто диодом, на который подавалось обратное, закрывающее транзистор напряжение. Через транзистор шел лишь незначительный обратный ток коллекторного перехода, который не мог накалить нить лампочки. В это время транзистор находился в закрытом состоянии. Затем, удалив перемычку, ты восстановил эмиттерный переход. Первым включением элемента между базой и эмиттером ты подал па эмиттерный переход прямое напряжение. Эмиттерный переход открылся, через него пошел прямой ток, который открыл второй переход транзистора - коллекторный. Транзистор оказался открытым и по цепи эмиттер - база - коллектор пошел ток транзистора, который во много раз больше тока цепи эмиттер - база. Он-то и накалил нить лампочки. Когда же ты изменил полярность включения элемента на обратную, то его напряжение закрыло эмиттерный переход, а вместе с тем закрылся и коллекторный переход. При этом ток транзистора почти прекратился (шел только обратный ток коллектора) и лампочка не горела.

В этих опытах транзистор был в одном из двух состояний: открытом или закрытом. Переключение транзистора из одного состояния в другое происходило под действием напряжения на базе UБ. Такой режим работы транзистора, проиллюстрированный графиками на рис. 95, а, называют режимом переключения или, что то же самое, ключевым режимом. Такой режим работы транзисторов используют в основном в аппаратуре электронной автоматики.

Какова в этих опытах роль резистора R б? В принципе этого резистора может и не быть. Я же рекомендовал включить его исключительно для того, чтобы ограничить ток в базовой цепи. Иначе через эмиттерный переход пойдет слишком большой прямой ток, в результате чего может произойти тепловой пробой перехода и транзистор выйдет из строя.

Если бы при проведении этих опытов в базовую и коллекторную цепи были включены измерительные приборы, то при закрытом транзисторе токов в его цепях почти не было бы. При открытом же транзисторе ток базы I Б был бы не более 2 - 3 мА, а ток коллектора I К составлял 60 - 75 мА. Это означает, что транзистор может быть усилителем тока.

В приемниках и усилителях звуковой частоты транзисторы работают в режиме усиления. Этот режим отличается от режима переключения тем, что, используя малые токи в базовой цепи, мы можем управлять значительно большими токами в коллекторной цепи транзистора.

Иллюстрировать работу транзистора в режиме усиления можно таким опытом (рис. 95, б). В коллекторную цепь транзистора Т включи электромагнитный телефон Тф 2 между базой и минусом источника питания Б - резистор R б сопротивлением 200 - 250 кОм. Второй телефон Тф 1 включи между базой и эмиттером через конденсатор связи С св емкостью 0,1 - 0,5 мкФ. У тебя получится простейший усилитель, который может выполнять, например, роль одностороннего телефонного аппарата. Если твой приятель будет негромко говорить перед телефоном, включенным на вход усилителя, его разговор ты будешь слышать в телефонах, включенных на выходе усилителя.

Какова роль резистора R б в этом усилителе? Через него на базу транзистора от батареи питания Б подается небольшое начальное напряжение смещения, открывающее транзистор и тем самым обеспечивающее ему работу в режиме усиления. На вход усилителя вместо телефона Тф 1 можно включить звукосниматель и проиграть грампластинку. Тогда в телефонах Тф2 будут хорошо слышны звуки мелодии или голос певца, записанные на грампластинку.

В этом опыте на вход усилителя подавалось переменное напряжение звуковой частоты, источником которого был телефон, преобразующий, как микрофон, звуковые колебания в электрические, или звукосниматель, преобразующий механические колебания его иглы в электрические колебания. Это напряжение создавало в цепи эмиттер - база слабый переменный ток, управляющий значительно большим током в коллекторной цепи: при отрицательных полупериодах на базе коллекторный ток увеличивался, а при положительных - уменьшался (см. графики на рис. 95, б). Происходило усиление сигнала, а усиленный транзистором сигнал преобразовывался телефоном, включенным в цепь коллектора, в звуковые колебания. Транзистор работал в режиме усиления.

Аналогичные опыты ты можешь провести и с транзистором структуры n-p-n, например типа МП35. В этом случае надо только изменить полярность включения источника питания транзистора: с эмиттером должен соединяться минус, а с коллектором (через телефон) - плюс батареи.

Коротко об электрических параметрах биполярных транзисторов. Качество и усилительные свойства биполярных транзисторов оценивают по нескольким параметрам, которые измеряют с помощью специальных приборов. Тебя же, с практической точки зрения, в первую очередь должны интересовать три основных параметра: обратный ток коллектора I КБО статический коэффициент передачи тока h 21Э (читают так: аш два один э) и граничная частота коэффициента передачи тока гр.

Обратный ток коллектора I КБО - это неуправляемый ток через коллекторный p-n переход, создающийся неосновными носителями тока транзистора. Параметр I КБО характеризует качество транзистора: чем он меньше, тем выше качество транзистора. У маломощных низкочастотных транзисторов, например типов МП39 - МП42, I КБО не должен превышать 30 мкА, а у маломощных высокочастотных транзисторов - не более 5 мкА. Транзисторы с большими значениями I КБО в работе неустойчивы.

Статический коэффициент передачи тока h 21Э характеризует усилительные свойства транзистора. Статическим его называют потому, что этот параметр измеряют при неизменных напряжениях на его электродах и неизменных токах в его цепях. Большая (заглавная) буква «Э» в этом выражении указывает на то, что при измерении транзистор включают по схеме с общим эмиттером (о схемах включения транзистора я расскажу в следующей беседе). Коэффициент h 21Э характеризуется отношением постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор - эмиттер и токе эмиттера. Чем больше численное значение коэффициента h 21Э, тем большее усиление сигнала может обеспечить данный транзистор .

Граничная частота коэффициента передачи тока гр, выраженная в килогерцах или мегагерцах, позволяет судить о возможности использования транзистора для усиления колебаний тех или иных частот. Граничная частота транзисторов МП39, например, 500 кГц, а транзисторов П401 - П403 - больше 30 МГц. Практически транзисторы используют для усиления частот значительно меньше граничных, так как с повышением частоты коэффициент передачи тока h 21Э транзистора уменьшается.

В практической работе надо учитывать и такие параметры, как максимально допустимое напряжение коллектор - эмиттер, максимально допустимый ток коллектора, а также максимально допустимую рассеиваемую мощность коллектора Транзистора - мощность, превращающуюся внутри транзистора в тепло.

Основные сведения о маломощных транзисторах массового применения ты найдешь в прилож. 4.