3. Транзистор

Определения и обозначения

Транзистор — полупроводниковый прибор с тремя выводами, который применяют для усиления и переключения электрических сигналов. Он позволяет малым управляющим током изменять большой ток в другой части цепи. Поэтому транзистор используют в усилителях, вычислительной технике и электронных ключах.

Эмиттер — область транзистора, из которой носители заряда поступают в базу. Его задача — вводить носители в рабочую часть прибора. От эмиттера начинается управляемый поток зарядов.

База — тонкая область между эмиттером и коллектором, управляющая током транзистора. Изменение тока базы влияет на количество носителей, проходящих к коллектору. Поэтому база служит управляющим выводом.

Коллектор — область, в которую из базы переходят основные носители заряда. Через цепь коллектора проходит значительный ток, которым управляет база. Именно этот ток обычно передаёт энергию нагрузке.

Как это устроено

Биполярный транзистор состоит из трёх областей полупроводника, образующих два p–n-перехода. Если области расположены как n–p–n, получается транзистор n–p–n, а при порядке p–n–p — транзистор p–n–p. Разные типы нужны потому, что в них противоположны полярности напряжений и направления движения основных носителей заряда.

При обычном включении переход эмиттер—база делают открытым, чтобы носители могли переходить из эмиттера в базу. Переход база—коллектор при этом закрывают внешним напряжением, но его электрическое поле притягивает носители к коллектору. Такое сочетание позволяет направить поток зарядов в нужную часть цепи.

База специально сделана очень тонкой и слабо легированной. Поэтому большинство носителей, попавших в неё из эмиттера, не успевает соединиться с носителями другого типа и достигает коллектора. Лишь небольшая часть носителей образует ток базы, а большая часть создаёт ток коллектора.

Изменение малого тока базы меняет число носителей, проходящих к коллектору, поэтому ток коллектора изменяется сильнее. Так транзистор усиливает сигнал по току, а при наличии сопротивления нагрузки может увеличиваться и напряжение или мощность сигнала. Сам прибор энергию не создаёт: её передаёт источник питания, а транзистор управляет этой передачей.

В режиме электронного ключа транзистор используют не для плавного усиления, а для двух состояний. При малом токе базы он почти закрыт и почти не пропускает ток через нагрузку, а при достаточном токе базы открывается. Так управляющий сигнал может включать и выключать лампу, двигатель или другой потребитель.

Сравнение биполярных транзисторов и их основных характеристик

Сначала по таблице определяют тип транзистора и порядок его областей. Затем проверяют полярность источников и направление условного тока, не смешивая его с движением электронов. Соотношение токов одинаково по смыслу для обоих типов: ток эмиттера складывается из токов базы и коллектора.

Разбор задач

Задача 1

Условие: ток базы равен 2 мА, а ток коллектора — 100 мА. Нужно найти отношение тока коллектора к току базы.

1. Искомое отношение характеризует усиление тока: β = Iк / Iб.
2. Подставим значения: β = 100 мА / 2 мА.
3. Единицы сокращаются, поэтому получаем β = 50.

Ответ: ток коллектора в 50 раз больше тока базы.

Задача 2

Условие: ток коллектора в 40 раз больше тока базы, а ток базы равен 0,5 мА. Нужно найти ток коллектора.

1. Используем связь токов: Iк = βIб.
2. Подставим данные: Iк = 40 · 0,5 мА.
3. Выполним умножение: Iк = 20 мА. При необходимости это равно 0,020 А.

Ответ: ток коллектора равен 20 мА.

Задача 3

Условие: транзистор управляет лампой, включённой в цепь коллектора. Нужно определить, что произойдёт с лампой при прекращении и увеличении тока базы.

1. Если ток базы прекращается, транзистор переходит почти в закрытое состояние.
2. Ток коллектора и ток через лампу резко уменьшаются, поэтому лампа гаснет или светит очень слабо.
3. Если ток базы увеличить до достаточного значения, транзистор открывается и ток через лампу возрастает.
4. Лампа включается или начинает светить ярче, если источник питания и сама лампа рассчитаны на такой режим.

Ответ: прекращение тока базы выключает лампу, а достаточное увеличение тока базы включает её или повышает яркость.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что транзистор сам создаёт энергию усиленного сигнала. Так думают из-за слова «усиление», но энергию даёт источник питания, а транзистор только управляет её передачей. Проверка: найдите в схеме источник питания и убедитесь, что без него усиленный сигнал не возникнет.

Ошибка 2. Путать ток базы с током коллектора. Ток базы мал, однако именно его изменение управляет большим током коллектора. Проверка: при вычислении коэффициента усиления используйте β = Iк / Iб, а не обратное отношение.

Ошибка 3. Представлять базу массивной областью, через которую проходят все носители. На самом деле она тонкая, поэтому большая часть носителей достигает коллектора, а меньшая часть создаёт ток базы. Проверка: вспомните, что малый ток базы связан с большим током коллектора.

Ошибка 4. Путать условное направление тока с направлением движения электронов. В n–p–n-транзисторе условный ток и движение электронов направлены противоположно. Проверка: сначала определите, о каком направлении говорится — о принятом направлении тока или о движении частиц.

Связь с другими темами

Для изучения транзистора нужны представления о p–n-переходе, условном направлении тока и работе полупроводникового диода. Также используются понятия тока, напряжения, источника питания и нагрузки. Знания о транзисторах необходимы далее при изучении усилителей, электронных ключей и логических схем.

Что запомнить

• У биполярного транзистора три области: эмиттер, база и коллектор.
• Транзисторы бывают типов n–p–n и p–n–p.
• База тонкая и управляет током коллектора.
• Ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора: Iэ = Iб + Iк.
• Небольшой ток базы может управлять значительно большим током коллектора.
• В режиме ключа транзистор пропускает или почти прекращает ток через нагрузку.