"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Транзистор — полупроводниковый прибор с тремя областями и выводами, способный управлять током и усиливать электрические сигналы. Он состоит из эмиттера, базы и коллектора, образующих структуру n-p-n или p-n-p. Слабое изменение тока базы вызывает гораздо более заметное изменение тока коллектора. Поэтому транзисторы используют в усилителях и электронных переключателях, но энергия усиленного сигнала поступает не от самого прибора, а от источника питания.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Транзистор — полупроводниковый прибор с тремя областями и тремя выводами, который используют для усиления и переключения электрических сигналов. Его особенность в том, что малый управляющий ток может изменять гораздо больший ток в другой цепи. Поэтому транзистор служит основой многих усилителей и электронных устройств.
Эмиттер — область транзистора, которая при работе прибора инжектирует, то есть вводит, носители заряда в базу. Эмиттер делают так, чтобы он эффективно поставлял электроны или дырки. От его работы зависит, сколько носителей сможет попасть в последующие области прибора.
База — очень тонкая область между эмиттером и коллектором, ток которой позволяет управлять током транзистора. Через базу проходит основная часть носителей, пришедших из эмиттера, а небольшой ток базы задаёт режим работы прибора. Именно поэтому базу считают управляющей областью.
Коллектор — область, принимающая носители заряда, прошедшие через базу. Он собирает их и передаёт ток во внешнюю цепь. Так ток коллектора становится выходным током транзистора.
Транзистор состоит из трёх чередующихся областей полупроводника с электронной и дырочной проводимостью. Если порядок областей таков: n-p-n, получают транзистор n-p-n; при порядке p-n-p — транзистор p-n-p. Разные типы проводимости создают два p-n-перехода, свойства которых определяют движение носителей внутри прибора. Поэтому изменение полярности внешних источников должно соответствовать выбранной структуре.
Области транзистора специально делают неодинаковыми по размерам и свойствам. Эмиттер должен эффективно поставлять носители, а база — пропускать их дальше, поэтому её делают очень тонкой. Если бы база была толстой, в ней рекомбинировало бы больше электронов и дырок, а ток коллектора стал бы заметно меньше. Коллектор приспосабливают к приёму носителей и работе при сравнительно большем напряжении.
При правильном включении переход эмиттер—база открыт, поэтому носители легко переходят из эмиттера в базу. Переход база—коллектор закрыт, но его электрическое поле вытягивает носители из тонкой базы в коллектор. Большинство носителей не успевает рекомбинировать в базе именно из-за её малой толщины. В результате через коллектор проходит основной поток заряда, а через базу — лишь небольшая его часть.
Небольшое изменение тока базы изменяет количество носителей, достигающих коллектора, поэтому ток коллектора меняется сильнее. Коэффициент усиления по току можно записать так: β = ΔI𝚌/ΔIᵦ. Токи связаны соотношением Iₑ = Iᵦ + I𝚌, поскольку ток эмиттера разделяется на ток базы и ток коллектора. Энергия усиленного сигнала поступает от источника питания, а транзистор только управляет её передачей.
В схеме с общим эмиттером эмиттер является общим участком входной и выходной цепей. Ток базы используют как управляющий, а ток коллектора — как выходной. Для транзисторов n-p-n и p-p-n полярность источников переставляют, потому что основные носители и направления токов в них различаются. Это позволяет создать для каждого перехода нужные условия — прямое смещение одного перехода и обратное смещение другого.
| Свойство | Транзистор n-p-n | Транзистор p-p-n |
|---|---|---|
| Порядок областей | n-p-n | p-p-n |
| Основные носители заряда | Электроны | Дырки |
| Направление условного тока базы | От базы к источнику управления | К базе от источника управления |
| Полярность включения источников | Коллектор имеет более высокий потенциал, чем эмиттер | Коллектор имеет более низкий потенциал, чем эмиттер |
| Обозначение на схемах | Стрелка эмиттера направлена наружу | Стрелка эмиттера направлена внутрь |
В таблице удобно сначала определить структуру транзистора, а затем по ней выбрать основные носители и полярность подключения. Направление стрелки на схеме помогает быстро отличить один тип от другого. В условных обозначениях стрелка показывает направление условного тока через эмиттер.
В транзисторе ток базы равен 0,02 мА, а ток коллектора — 2,0 мА. Требуется найти ток эмиттера. Используем связь трёх токов, поскольку ток эмиттера складывается из токов базы и коллектора.
Ток базы увеличили с 0,01 мА до 0,03 мА, а коэффициент усиления по току равен 50. Нужно определить изменение тока коллектора. Сначала найдём изменение управляющего тока, затем учтём усиление.
В схеме с общим эмиттером ток коллектора изменился с 1,2 мА до 4,2 мА, а ток базы — с 0,02 мА до 0,08 мА. Требуется найти коэффициент усиления по току и изменение тока эмиттера. Для этого отдельно вычислим изменения обоих управляющих токов.
Ошибка 1. Считать, что транзистор сам создаёт энергию усиленного сигнала. Так происходит потому, что выходной ток становится больше входного, но источник энергии остаётся незаметным в рассуждении. Проверка: всегда ищите в схеме источник питания выходной цепи.
Ошибка 2. Путать эмиттер, базу и коллектор. Ошибку допускают, если запоминают только названия и не связывают их с функциями: эмиттер поставляет носители, база управляет, коллектор принимает. Проверка: база всегда находится между эмиттером и коллектором.
Ошибка 3. Считать ток коллектора равным току базы. Эти токи связаны, но база является управляющей областью, поэтому её ток обычно значительно меньше тока коллектора. Проверка: сравните результат с формулой β = ΔI𝚌/ΔIᵦ и не забывайте о коэффициенте усиления.
Ошибка 4. Забывать о противоположных полярностях для n-p-n и p-p-n. Причина ошибки — перенос схемы одного типа транзистора на другой без изменения направления токов. Проверка: сначала определите порядок областей и основные носители, а затем выбирайте полярность источников.
Для понимания работы транзистора нужны знания о полупроводниках, электронной и дырочной проводимости, а также о p-n-переходе. Именно свойства двух p-n-переходов объясняют, почему один переход открывают, а другой закрывают. Без этого трудно понять движение носителей между эмиттером, базой и коллектором.
Транзисторы применяют в усилителях электрических сигналов и электронных переключающих устройствах. В усилителе они управляют током, а в переключателе переводят цепь между состояниями с малым и большим током. Поэтому транзистор стал одним из главных элементов современной электроники.
Почему база транзистора должна быть очень тонкой?
Через тонкую базу носители заряда, поступившие из эмиттера, проходят к коллектору и лишь в небольшой степени рекомбинируют. Поэтому малый ток базы может управлять значительно большим током коллектора.
Как небольшой ток базы управляет большим током коллектора?
Ток базы изменяет условия движения носителей через переход база—коллектор. Из-за этого изменение тока коллектора оказывается во много раз больше изменения тока базы.
Чем отличаются транзисторы n-p-n и p-p-n?
У них различается порядок областей проводимости и основные носители заряда: электроны или дырки. Поэтому для таких транзисторов нужны противоположные полярности источников и противоположные направления условных токов.
Почему транзистор не может усиливать сигнал без источника питания?
Транзистор только управляет передачей энергии в выходную цепь. Энергия усиленного сигнала поступает от источника питания, а без него прибор не сможет создать усиленный выходной ток.
Как связаны токи эмиттера, базы и коллектора?
Ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора: Iₑ = Iᵦ + I𝚌. Это означает, что ток эмиттера включает поток носителей, управляющий ток базы и основной ток коллектора.
§ 116. Транзисторы
