4. Транзистор

Определения и обозначения

Транзистор — полупроводниковый прибор с тремя выводами, предназначенный для усиления и переключения электрических сигналов. Его можно использовать, чтобы слабый сигнал управлял более сильным током или чтобы электронная цепь включалась и выключалась. Для понимания работы прибора важно проследить, как связаны управляющий сигнал и ток в нагрузке.

Биполярный транзистор — транзистор, в работе которого участвуют электроны и дырки; он состоит из трёх чередующихся областей полупроводника. Слово «биполярный» указывает на участие носителей заряда обоих типов. Чередование областей определяет, будет ли структура n-p-n или p-n-p и как нужно подключать питание.

Эмиттер, база и коллектор — три области транзистора, различающиеся назначением, размерами и степенью легирования. Эмиттер поставляет носители заряда, база управляет их прохождением, а коллектор собирает их. Названия помогают не путать области, даже если выводы прибора подключены к разным внешним цепям.

Коэффициент усиления по току — отношение тока коллектора к току базы в активном режиме: β = Iк/Iб. Он показывает, во сколько раз ток коллектора больше тока базы при подходящих условиях работы. Например, β = 100 означает, что при токе базы 1 мкА ток коллектора составляет около 100 мкА.

Как это устроено

Если расположить области n- и p-типа поочерёдно, получатся структуры n-p-n или p-n-p. На каждой границе областей образуется p–n-переход, поэтому у прибора два перехода, хотя выводов три: средняя область-база является общей для обоих. Именно такое устройство позволяет отдельно задавать условия переноса носителей и управлять током между крайними областями.

Базу делают очень тонкой и слабо легированной, чтобы в ней было мало носителей, способных рекомбинировать с частицами, пришедшими из эмиттера. Эмиттер, напротив, сильно легируют: так он передаёт в базу много основных носителей заряда. Большинство из них проходит тонкую базу и достигает коллектора, а небольшая часть формирует ток базы.

В активном режиме переход эмиттер–база открыт, а переход коллектор–база закрыт. Изменение напряжения на первом переходе немного меняет ток базы и количество носителей, проходящих через базу. Поэтому ток коллектора изменяется сильнее: примерно Iк = βIб. Так транзистор усиливает сигнал по току, а энергию для тока в нагрузке даёт источник питания.

В режиме отсечки переход эмиттер–база не открыт, поэтому токи базы и коллектора очень малы: транзистор почти не проводит. В активном режиме один переход открыт, другой закрыт, и ток коллектора управляется током базы. В насыщении оба перехода открыты; ток коллектора тогда ограничивают источник питания и нагрузка, поэтому простая пропорциональность Iк = βIб перестаёт работать.

У транзисторов n-p-n и p-n-p противоположно расположены области, поэтому для открытия перехода эмиттер–база и получения активного режима требуется обратная полярность источников. В n-p-n-транзисторе коллектор обычно имеет более высокий потенциал, чем эмиттер; в p-n-p — более низкий. Смена полярности позволяет создать нужные направления электрического поля и движения носителей для каждого типа.

Сравнение биполярных транзисторов n-p-n и p-n-p

Сначала по чередованию областей или направлению стрелки определяют тип транзистора. Затем проверяют полярность: для n-p-n и p-n-p она противоположна. Условие активного режима одинаково по смыслу для обоих типов, но полярность переходов меняется на обратную.

Разбор задач

Задача 1. По схеме биполярного транзистора определить эмиттер, базу и коллектор, а также назвать тип транзистора — n-p-n или p-n-p. Решение строится по условному обозначению: база изображается боковым выводом, а эмиттер — выводом со стрелкой. Тип находят по направлению стрелки или по чередованию полупроводниковых областей.

1. Найти область, которая соединена с боковым выводом: это база.
2. Посмотреть на стрелку. Она находится на выводе эмиттера; третий вывод — коллектор.
3. Если стрелка направлена наружу от символа, транзистор n-p-n; если внутрь — p-n-p.

Ответ: базу определяют по боковому выводу, эмиттер — по стрелке, коллектор — по оставшемуся выводу. Направление стрелки позволяет назвать тип транзистора.

Задача 2. В активном режиме ток базы равен 40 мкА, коэффициент усиления по току β = 100. Найти ток коллектора и ток эмиттера. Сначала используем формулу усиления для коллектора, а затем учитываем, что ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора. Все токи выражены в микроамперах, поэтому перед сложением единицы можно не менять.

1. Записать связь токов: Iк = βIб.
2. Подставить значения: Iк = 100 · 40 мкА = 4000 мкА = 4 мА.
3. Найти ток эмиттера: Iэ = Iк + Iб = 4 мА + 0,04 мА = 4,04 мА.

Ответ: ток коллектора равен 4 мА, ток эмиттера — 4,04 мА. Ток эмиттера немного больше тока коллектора, потому что в него входит также ток базы.

Задача 3. Транзистор с β = 80 включён в усилительный каскад. Ток базы изменился от 20 до 35 мкА; максимально допустимый ток коллектора равен 2 мА. Найти изменение тока коллектора и проверить, не наступило ли насыщение. В активном режиме изменению тока базы соответствует изменение тока коллектора, умноженное на β. Затем нужно сравнить конечный расчётный ток с заданным пределом.

1. Определить изменение тока базы: ΔIб = 35 − 20 = 15 мкА.
2. Рассчитать изменение тока коллектора: ΔIк = βΔIб = 80 · 15 мкА = 1200 мкА = 1,2 мА.
3. Найти конечный ток коллектора: Iк = 80 · 35 мкА = 2,8 мА. Он превышает предел 2 мА, поэтому линейный расчёт не описывает реальную работу: транзистор не сможет оставаться в активном режиме и может перейти в насыщение.

Ответ: расчётное изменение тока коллектора равно 1,2 мА. Расчётный конечный ток 2,8 мА выше допустимых 2 мА, поэтому следует ожидать ограничения тока и перехода к насыщению.

Типичные ошибки

Эмиттер и коллектор иногда путают, потому что оба вывода соединены с внешними цепями. Но их назначение и легирование различаются: эмиттер поставляет носители, а коллектор собирает их; обычно эмиттер легирован сильнее. Проверить себя можно по условному обозначению: стрелка расположена на выводе эмиттера.

Ошибочно считать, что транзистор сам создаёт энергию и усиливает сигнал без питания. Такой вывод возникает из-за слова «усиление», но транзистор лишь управляет передачей энергии от источника в нагрузку. Для проверки проследите, откуда поступает энергия тока коллектора: она должна поступать от источника питания.

Формулу Iк = βIб нельзя применять без проверки режима. Её используют для активного режима, тогда как при отсечке токи почти равны нулю, а при насыщении ток коллектора ограничен внешней цепью. Перед расчётом выясните, какие переходы открыты, и сопоставьте найденный ток с возможностями нагрузки.

Для n-p-n и p-n-p иногда выбирают одинаковую полярность питания. Ошибка возникает, если запомнить только расположение выводов, не учитывая тип полупроводника. Самопроверка проста: в активном режиме переход эмиттер–база должен быть открыт, а коллектор–база закрыт; для p-n-p полярности по сравнению с n-p-n противоположны.

Связь с другими темами

Для изучения транзистора нужны знания о строении атома, свободных носителях заряда и полупроводниках: они объясняют, откуда берутся электроны и дырки. Понятие p–n-перехода помогает разобраться в режимах работы, а закон Ома — рассчитать токи и напряжения во внешней цепи. Позже транзисторы встретятся в усилительных каскадах, генераторах и цифровых логических схемах. В технике их используют как усилители слабых сигналов и как электронные ключи.

Что запомнить

• Биполярный транзистор состоит из эмиттера, базы и коллектора.
• Существуют транзисторы n-p-n и p-n-p.
• Тонкая база обеспечивает управление током коллектора током базы.
• В активном режиме малый ток базы управляет большим током коллектора.
• Для транзистора справедливо соотношение Iэ = Iк + Iб.
• Основные режимы работы — отсечка, активный режим и насыщение.
• Транзистор применяют для усиления сигналов и переключения электрических цепей.