§ 73. Транзистор

Определения и обозначения

Транзистор — полупроводниковый прибор с тремя областями и тремя выводами, предназначенный для усиления и управления электрическими сигналами. В нём небольшой управляющий сигнал может изменять ток в другой, более мощной цепи. Поэтому транзистор применяют в усилителях, переключателях и вычислительных устройствах.

Эмиттер — область транзистора, инжектирующая носители заряда в базу. Слово «инжектирует» означает вводит электроны или дырки в соседнюю область. От работы эмиттера зависит, сколько носителей сможет пройти через транзистор.

База — тонкая слабо легированная область, через которую осуществляется управление током коллектора. На схеме она соединяется с отдельным выводом, к которому подводят управляющий ток. Малое изменение этого тока позволяет регулировать значительно больший ток основной цепи.

Коллектор — область, собирающая носители заряда, поступающие из эмиттера через базу. Он включён в цепь нагрузки и поэтому проводит основной ток транзистора. Коллектор не равнозначен эмиттеру: его конструкция рассчитана на другое напряжение и режим работы.

Как это устроено

Транзистор состоит из трёх последовательно расположенных областей с разными типами проводимости. В транзисторе n-p-n средняя область имеет p-проводимость, а крайние — n-проводимость; основными носителями являются электроны. В транзисторе p-n-p средняя область имеет n-проводимость, крайние — p-проводимость, поэтому главную роль играют дырки. Такое чередование создаёт два p-n-перехода, свойства которых позволяют управлять переносом заряда.

База делается тонкой, чтобы носители, введённые эмиттером, не успевали рекомбинировать в ней. Её легируют слабее, чем эмиттер, поэтому в базе сравнительно мало собственных носителей, способных поглотить или нейтрализовать пришедшие частицы. В результате большая часть электронов в n-p-n или дырок в p-n-p достигает области коллектора, а ток базы остаётся небольшим.

Ток базы управляет током коллектора не за счёт простого прохождения одного и того же заряда, а за счёт изменения условий переноса через базу. Если ток базы немного увеличить, больше носителей сможет перейти от эмиттера к коллектору. Поэтому в активном режиме выполняется приближённое соотношение I_к = βI_б, где β — коэффициент усиления тока.

Токи трёх выводов связаны законом сохранения заряда: ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора, то есть I_э = I_б + I_к. В n-p-n электроны движутся от эмиттера через базу к коллектору, а условный ток направлен противоположно, от коллектора к эмиттеру. В p-n-p основные носители — дырки: они движутся от эмиттера к коллектору и совпадают по направлению с условным током.

Для усиления переход эмиттер—база открывают, чтобы носители могли входить из эмиттера в базу. Переход база—коллектор запирают, но его электрическое поле вытягивает носители из тонкой базы в коллектор. Если оба перехода открыть, транзистор попадёт в насыщение и перестанет линейно усиливать сигнал; если закрыть переход эмиттер—база, наступит отсечка.

Сравнение транзисторов n-p-n и p-n-p

Таблицу удобно использовать, чтобы быстро определить тип транзистора и полярность его включения. Сначала смотрят на чередование областей и основных носителей, затем проверяют направления условного тока и движения частиц. Нельзя смешивать направление движения электронов с направлением условного тока: они противоположны.

Разбор задач

Задача 1

Нужно определить эмиттер, базу и коллектор транзистора n-p-n, а также установить состояние переходов при усилении. Из условия известно, что транзистор должен работать в активном режиме. Значит, используем не только порядок областей, но и назначения выводов.

1. В записи n-p-n средняя p-область является базой, а крайние n-области — эмиттером и коллектором. Эмиттер выбирают как область, которая сильнее легирована и вводит электроны в базу; коллектор собирает эти электроны.
2. Для режима усиления переход эмиттер—база включают в прямом направлении. Это позволяет электронам переходить из эмиттера в базу.
3. Переход база—коллектор включают в обратном направлении. Его электрическое поле вытягивает электроны из базы в коллектор, не превращая транзистор в полностью открытый прибор.

Ответ: эмиттер вводит электроны, база является тонкой средней областью, коллектор собирает электроны. В активном режиме переход эмиттер—база открыт, а переход база—коллектор закрыт.

Задача 2

Ток базы равен 40 мкА, коэффициент усиления тока β = 75. Требуется найти ток коллектора и ток эмиттера. Так как режим работы активный, можно применить формулу I_к = βI_б.

1. Переводить 40 мкА в амперы необязательно, если результат оставить в микроамперах: I_к = 75 · 40 мкА = 3000 мкА = 3 мА.
2. Используем связь токов транзистора: I_э = I_б + I_к. Тогда I_э = 0,04 мА + 3 мА = 3,04 мА.

Ответ: ток коллектора равен 3 мА, ток эмиттера — 3,04 мА. Небольшая разница между токами эмиттера и коллектора объясняется током базы.

Задача 3

β = 100, сопротивление резистора в цепи коллектора R = 2 кОм, питание 10 В, а ток базы меняется от 20 до 40 мкА. Нужно определить изменение тока коллектора и напряжения на коллекторе, считая режим активным. Сначала найдём токи, а затем учтём падение напряжения на резисторе.

1. При I_б1 = 20 мкА ток коллектора I_к1 = 100 · 20 мкА = 2 мА. При I_б2 = 40 мкА получаем I_к2 = 100 · 40 мкА = 4 мА.
2. Изменение тока коллектора равно ΔI_к = 4 мА − 2 мА = 2 мА.
3. Падение напряжения на резисторе: U_R = I_кR. Для первого значения оно равно 2 мА · 2 кОм = 4 В, поэтому U_к1 = 10 − 4 = 6 В. Для второго значения U_R2 = 8 В, а U_к2 = 10 − 8 = 2 В.
4. Оба тока меньше предельного значения примерно 10 В / 2 кОм = 5 мА, поэтому по условию активный режим не нарушен. Напряжение на коллекторе уменьшается на 4 В.

Ответ: ток коллектора изменяется от 2 до 4 мА, его изменение равно 2 мА. Напряжение на коллекторе изменяется от 6 до 2 В, то есть уменьшается на 4 В.

Типичные ошибки

Эмиттер и коллектор иногда считают равноценными выводами и меняют местами. Ошибка возникает потому, что оба вывода соединены с крайними областями, но они имеют разное легирование и разные функции. Проверяйте себя по назначению: эмиттер вводит носители, коллектор их собирает.

Некоторые принимают ток базы за ток коллектора. Обычно это происходит из-за того, что оба тока обозначены в одной схеме и имеют связь друг с другом. Проверьте формулу I_к = βI_б: при β, значительно большем единицы, ток коллектора во много раз больше тока базы.

Полярность источника иногда выбирают, ориентируясь на движение электронов, а не на условный ток. Из-за этого n-p-n и p-n-p включают одинаково, хотя для них полярности противоположны. Сначала определите основные носители, затем отдельно установите направление условного тока и напряжения.

Формулу I_к = βI_б применяют при насыщении или отсечке. В этих режимах ток ограничивается внешней цепью или почти отсутствует, поэтому пропорциональность нарушается. Перед расчётом убедитесь, что переход эмиттер—база открыт, переход база—коллектор заперт и транзистор работает активно.

Связь с другими темами

Для понимания транзистора нужны знания о строении атома, проводимости полупроводников и p-n-переходе. Также пригодятся прямое и обратное включение диода, закон Ома и правила Кирхгофа, потому что транзисторная схема объединяет эти идеи.

Тема продолжает изучение электронных приборов и подготавливает к анализу усилителей, генераторов электрических колебаний и логических элементов. В таких устройствах транзистор изменяет ток или напряжение по управляющему сигналу.

Характеристики транзистора нужны для работы со схемами с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором. От выбранной схемы зависят усиление, входное и выходное сопротивления, а также способ подключения сигнала и нагрузки.

Что запомнить

• Транзистор имеет три области: эмиттер, базу и коллектор.
• База тонкая и слабо легированная, поэтому ток базы может управлять током коллектора.
• В активном режиме переход эмиттер—база открыт, а переход база—коллектор закрыт.
• Токи транзистора связаны соотношением I_э = I_б + I_к.
• Коэффициент усиления по току β показывает, во сколько раз ток коллектора больше тока базы.
• Транзистор может работать как усилитель электрического сигнала или как электронный ключ.
• Формула I_к = βI_б неприменима в режимах отсечки и насыщения.