3. Транзистор

Определения и обозначения

Транзистор — полупроводниковый прибор, в котором малый ток или напряжение в одной цепи управляет значительно большим током в другой. Иными словами, слабый входной сигнал может контролировать более мощный выходной сигнал. Поэтому транзисторы применяют для усиления сигналов и переключения электрических цепей.

Эмиттер — область транзистора, которая поставляет носители заряда в базу. Носители — это частицы, переносящие электрический заряд: электроны или дырки. Эмиттер нужен, чтобы создать поток, которым транзистор будет управлять.

База — тонкая средняя область транзистора, через которую проходят носители заряда; ток базы управляет током коллектора. Она действует как управляющая область: небольшое изменение её электрического режима меняет долю носителей, достигающих коллектора. Тонкость базы помогает получить заметный ток коллектора при малом токе базы.

Коллектор — область транзистора, которая собирает носители заряда, прошедшие через базу. Он входит в выходную цепь, ток в которой может быть намного больше управляющего тока базы. В обозначениях обычно используют Ib для тока базы, Ic для тока коллектора и β для коэффициента усиления по току.

Как это устроено

Транзистор образован тремя областями полупроводника, причём средняя область имеет тип проводимости, отличный от двух крайних. Поэтому существуют структуры NPN и PNP: буквы показывают последовательность областей с электронной и дырочной проводимостью. Между соседними областями возникают электронно-дырочные переходы, свойства которых зависят от приложенных напряжений. Такая структура позволяет направлять носители через прибор и управлять их движением.

База делают тонкой, потому что носителям, попавшим в неё из эмиттера, нужно пройти короткий путь до коллектора. Если база достаточно тонкая, большинство носителей не успевает встретиться с носителями противоположного знака и исчезнуть при рекомбинации. Они пересекают базу и достигают коллектора. Поэтому для поддержания потока требуется сравнительно небольшой ток базы.

Напряжение между эмиттером и базой создаёт условия для поступления носителей из эмиттера в базу. В обычном режиме усиления переход эмиттер—база открыт, а переход коллектор—база закрыт; нужная полярность напряжений зависит от того, NPN это транзистор или PNP. Поле в области коллекторного перехода притягивает носители, прошедшие базу, и направляет их в цепь коллектора. Так напряжение источника питания обеспечивает ток коллектора, а входная цепь задаёт условия для его изменения.

Ток базы связан с количеством носителей, поступающих из эмиттера и проходящих через базу. Поэтому изменение Ib меняет число носителей, достигающих коллектора, и вызывает изменение Ic. В режиме усиления связь часто приближённо записывают как Ic ≈ βIb, где β — коэффициент усиления по току; его значение зависит от транзистора и условий работы. Это соотношение объясняет, как небольшой сигнал на входе управляет более сильным сигналом на выходе, но не означает, что транзистор создаёт энергию.

Чтобы использовать транзистор как электронный ключ, его включают в цепь нагрузки так, чтобы сигнал на базе переключал прибор между закрытым и открытым состояниями. В закрытом состоянии ток через нагрузку очень мал, поэтому, например, лампа не светится. При достаточном управляющем сигнале транзистор открывается, и ток от источника питания проходит через нагрузку. В таком применении важны именно два состояния цепи, а не плавное усиление сигнала.

Области транзистора и их роль

Таблица помогает различать области по их положению и функции: эмиттер начинает поток, база управляет им, коллектор принимает носители. Обозначения Ie, Ib и Ic относятся к токам соответствующих областей. В конкретной схеме направление токов зависит от типа транзистора и выбранных направлений отсчёта.

Разбор задач

1. В транзисторе ток базы увеличили в несколько раз. Качественно опишите, как изменится ток коллектора в режиме усиления.

Здесь не требуется вычислять точное значение: оно зависит от характеристик транзистора. В режиме усиления ток базы управляет током коллектора, и при неизменных условиях их связывает коэффициент усиления по току. Поэтому увеличение управляющего тока приводит к увеличению тока коллектора.

1. Определяем, что транзистор работает именно в режиме усиления, а не как ключ.
2. Используем связь Ic ≈ βIb: при неизменном β увеличение Ib в несколько раз вызывает качественно такое же увеличение Ic.

Ответ: ток коллектора заметно увеличится; точный результат без значения β и условий работы определить нельзя.

2. Ток базы равен 0,02 мА, а коэффициент усиления по току равен 100. Найдите ток коллектора.

Ток коллектора вычисляют по приближённому соотношению Ic ≈ βIb. Перед вычислением проверим единицы: ток базы уже задан в миллиамперах, коэффициент усиления безразмерный. Переводить ток в амперы необязательно, если ответ записать в миллиамперах.

1. Записываем данные: Ib = 0,02 мА, β = 100.
2. Подставляем значения: Ic ≈ 100 · 0,02 мА.
3. Выполняем умножение: Ic ≈ 2 мА.

Ответ: ток коллектора приблизительно равен 2 мА. Результат приближённый, так как реальный коэффициент усиления зависит от режима работы транзистора.

3. Транзистор управляет лампой: при отсутствии сигнала на базе лампа погашена, а при подаче сигнала загорается. Объясните работу устройства и укажите, в каком режиме действует транзистор.

Лампа включена в управляемую цепь, а сигнал подают на базу транзистора. Без сигнала транзистор закрыт, ток через лампу практически не проходит. При появлении достаточного сигнала транзистор открывается и позволяет току источника питания течь через лампу.

1. Сопоставляем состояния нагрузки: погашенная лампа означает, что ток в её цепи мал.
2. Связываем включение с управляющим сигналом: сигнал на базе переводит транзистор в открытое состояние.
3. Определяем назначение схемы: прибор переключает цепь, а не воспроизводит плавное усиление сигнала.

Ответ: транзистор действует как электронный ключ; сигнал на базе включает лампу, а отсутствие сигнала оставляет её выключенной.

Типичные ошибки

Ошибка — считать ток базы и ток коллектора одинаковыми. Такое представление может возникнуть из-за того, что оба тока связаны с одним прибором, но в режиме усиления Ic обычно значительно больше Ib. Проверка: вспомните соотношение Ic ≈ βIb, где β обычно больше единицы.

Ошибка — называть базу источником носителей. Из-за положения базы между двумя другими областями её иногда принимают за начало движения, однако носители в базу поставляет эмиттер. Проверка: восстановите последовательность процесса — эмиттер поставляет носители, база пропускает их, коллектор собирает.

Ошибка — считать, что транзистор создаёт энергию для усиленного сигнала. Её источник — блок питания, а транзистор лишь управляет потоком энергии с помощью входного сигнала. Проверка: найдите в схеме источник питания и проследите, откуда энергия поступает к нагрузке.

Ошибка — полагать, что транзистор всегда усиливает сигнал. Его используют и как ключ, когда нужно переключить цепь между закрытым и открытым состояниями. Проверка: если от прибора требуется включать и выключать нагрузку, это ключевой режим, а не режим усиления.

Связь с другими темами

Чтобы понять работу транзистора, нужно знать строение полупроводников, различие электронного и дырочного типов проводимости, а также устройство электронно-дырочного перехода. Эти знания помогают объяснить, почему напряжение влияет на движение носителей и как они переходят между областями. Полезно также уметь различать направление движения носителей и направление условного тока.

Транзисторы используют в усилителях электрических сигналов и электронных ключах цифровых устройств. В усилителе слабый входной сигнал управляет более мощным сигналом, а в ключе переключение транзистора задаёт состояние цепи. В обоих случаях сам транзистор работает вместе с источником питания и другими элементами схемы.

Что запомнить

• Транзистор имеет эмиттер, базу и коллектор.
• База тонкая и управляет потоком носителей от эмиттера к коллектору.
• Небольшое изменение тока базы может вызвать значительно большее изменение тока коллектора.
• Для усиления транзистор должен быть правильно включён в электрическую цепь.
• В режиме ключа транзистор открывает или закрывает управляемую цепь.
• Энергию для работы нагрузки обеспечивает источник питания, а не транзистор.