§ 3.19. Транзистор

Определения и обозначения

Транзистор — полупроводниковый прибор с тремя областями и тремя выводами, позволяющий управлять током и усиливать электрические сигналы. Три вывода дают возможность отдельно подключать управляющую и управляемую цепи. Поэтому транзистор используют как усилитель или электронный ключ.

Биполярный транзистор — прибор, в котором ток создают носители обоих знаков: электроны и дырки. Он состоит из двух областей одного типа проводимости и одной области другого типа. Такое устройство позволяет направлять поток носителей от эмиттера к коллектору с помощью базы.

Эмиттер — область, которая вводит носители заряда в базу. Его задача — создать основной поток носителей, участвующий в токе транзистора. Именно поэтому эмиттер нельзя путать с управляющим электродом.

База — тонкая область, управляющая потоком носителей, а коллектор — область, принимающая носители, прошедшие через базу. База соединена с управляющей цепью, а коллектор обычно включают вместе с нагрузкой. Токи обозначают Iэ, Iб и Iк; для них выполняется соотношение Iэ = Iк + Iб.

Как это устроено

Три области биполярного транзистора образуют два соседних p–n-перехода. В зависимости от порядка областей получают структуры n–p–n или p–n–p. Два перехода нужны потому, что один из них вводит носители в базу, а другой направляет их к коллектору.

База должна быть очень тонкой, чтобы носители, введённые эмиттером, успевали пройти её насквозь. Если база была бы толстой, многие электроны или дырки рекомбинировали бы в ней, то есть соединялись бы с носителями противоположного знака. Тогда до коллектора доходила бы меньшая часть носителей и управляющее действие транзистора ослабло бы.

Для усиления переход эмиттер–база смещают в прямом направлении, поэтому он пропускает носители из эмиттера в базу. Переход коллектор–база смещают в обратном направлении. Возникающее при этом электрическое поле быстро втягивает носители из базы в коллектор, хотя сам переход почти не пропускает ток в обычном смысле.

Небольшое изменение тока базы меняет условия движения носителей через транзистор. В результате заметно изменяется число носителей, достигающих коллектора, и ток коллектора становится гораздо больше изменения тока базы. Если коллектор соединён с нагрузкой, изменение его тока вызывает изменение напряжения на нагрузке. Дополнительную энергию для усиленного сигнала поставляет источник питания, а входной сигнал лишь управляет её передачей.

Сравнение биполярных транзисторов

В таблице сопоставлены два типа транзисторов по строению, носителям и полярности включения. По первой строке можно определить порядок областей от эмиттера к коллектору. Остальные строки помогают выбрать направление тока и полярность источника питания при анализе схемы.

Разбор задач

Задача 1

Ток эмиттера транзистора равен 5,0 мА, ток базы — 0,10 мА. Требуется найти ток коллектора. Используем правило для токов, входящих в общий узел транзистора: Iэ = Iк + Iб.

1. Выразим ток коллектора: Iк = Iэ − Iб.
2. Подставим значения: Iк = 5,0 мА − 0,10 мА = 4,90 мА.
3. Проверим результат: ток эмиттера равен сумме 4,90 мА и 0,10 мА, то есть 5,0 мА.

Ответ: Iк = 4,90 мА.

Задача 2

Ток базы увеличили на 20 мкА, а ток коллектора изменился на 2,0 мА. Коэффициент усиления по току показывает, во сколько раз приращение тока коллектора больше приращения тока базы. Поэтому нужно разделить эти приращения, предварительно приведя их к одинаковым единицам.

1. Переведём 2,0 мА в микроамперы: 2,0 мА = 2000 мкА.
2. Найдём коэффициент: β = ΔIк/ΔIб = 2000 мкА / 20 мкА = 100.
3. Полученное число означает, что изменение тока коллектора в 100 раз больше изменения тока базы.

Ответ: β = 100.

Задача 3

Транзистор включён с нагрузочным резистором в цепи коллектора. Нужно объяснить, как управляющий сигнал превращается в изменение напряжения. Здесь важно проследить последовательность изменений в цепи, а не считать транзистор источником энергии.

1. Изменение входного сигнала изменяет ток базы.
2. Ток коллектора изменяется сильнее, потому что поток носителей через транзистор зависит от режима базы.
3. По закону Ома изменяется падение напряжения на резисторе: U_н = I_кR_н.
4. Источник питания поддерживает ток и передаёт нагрузке энергию, поэтому изменение напряжения на резисторе может быть усиленным сигналом.

Ответ: цепочка такова: изменение тока базы вызывает изменение тока коллектора, затем падения напряжения на нагрузке; энергию даёт источник питания.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ток коллектора создаётся самим током базы. На самом деле основные носители поступают от эмиттера, а ток базы управляет их прохождением; проверить себя можно по соотношению Iэ = Iк + Iб.

Ошибка: путать эмиттер и коллектор. Эмиттер вводит носители, а коллектор принимает их, поэтому выводы выполняют разные функции; полезно сначала подписать направление движения носителей.

Ошибка: считать, что усиленный сигнал получает энергию от входного сигнала. Вход меняет режим транзистора, а энергия поступает от источника питания; проверьте, есть ли источник в замкнутой цепи усилителя.

Ошибка: полагать, что оба p–n-перехода смещены одинаково. В режиме усиления переход эмиттер–база смещён прямо, а коллектор–база — обратно; это можно проверить по условиям работы двух переходов.

Связь с другими темами

Для понимания транзистора нужны знания о строении полупроводников и p–n-переходе. Особенно важно различать прямое и обратное смещение перехода, потому что они определяют режим работы прибора.

Закон Ома помогает связать ток транзистора с напряжением на нагрузке. Правила для токов в разветвлённых цепях объясняют соотношение Iэ = Iк + Iб.

Транзисторы применяют в усилителях, генераторах и электронных ключах. Значит, изученный принцип связан как с обработкой сигналов, так и с управлением включением и выключением устройств.

Что запомнить

• Биполярный транзистор состоит из эмиттера, базы и коллектора.
• Существуют транзисторы n–p–n и p–n–p.
• База транзистора тонкая.
• В режиме усиления переход эмиттер–база смещён прямо, а переход коллектор–база — обратно.
• Малое изменение тока базы может вызвать большое изменение тока коллектора.
• Энергия усиленного сигнала поступает от источника питания.
• Токи транзистора связаны соотношением Iэ = Iк + Iб.