"Физика (углублённый уровень)", Касьянов В.А.
Транзистор — полупроводниковый прибор из трёх областей, разделённых двумя p–n-переходами. Он нужен, чтобы управлять большим током с помощью малого сигнала: так работают усилители и электронные ключи. В режиме усиления переход эмиттер—база открыт, а база—коллектор закрыт. Ток базы управляет током коллектора, а их связь приближённо описывает коэффициент β: Iк ≈ βIб.
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 двумя p–n-переходами, который используют для усиления и переключения электрических сигналов. Разные области позволяют управлять током в приборе, подавая сигнал на один из его выводов. Поэтому транзистор может управлять работой целой электрической цепи.
Эмиттер — область транзистора, которая инжектирует носители заряда в базу. Инжекция означает переход электронов или дырок из одной области полупроводника в соседнюю. Эмиттер служит источником носителей, участвующих в создании тока через прибор.
База — тонкая область между эмиттером и коллектором, током которой управляют работой транзистора. Через базу проходят носители, попавшие туда из эмиттера, и лишь небольшая их часть создаёт ток базы. Толщина и свойства базы помогают сделать управление эффективным.
Коэффициент усиления по току β — отношение тока коллектора к току базы в режиме усиления: β = Iк/Iб. Он показывает, во сколько раз ток коллектора больше тока базы. Зная β и один из токов, можно оценить другой, если транзистор работает именно в режиме усиления.
Транзистор образуют три чередующиеся области полупроводника p- и n-типа, поэтому возможны структуры n-p-n и p-n-p. На границах соседних областей возникают два p–n-перехода: эмиттер—база и база—коллектор. Средняя область становится базой, а крайние — эмиттером и коллектором. Смена типа проводимости меняет основные носители заряда и полярность напряжений, необходимых для работы прибора.
Эмиттер делают сильно легированным, то есть вводят в него много примесей, создающих свободные носители. Так он может передать в базу большое количество электронов или дырок. Базу, напротив, делают тонкой и слабо легированной: тогда носители редко сталкиваются с частицами примесей и рекомбинируют в ней. Большая их часть пересекает базу и достигает коллектора, поэтому ток базы остаётся малым.
Для режима усиления переход эмиттер—база должен быть открыт, а переход база—коллектор — закрыт. Открытый переход позволяет носителям покинуть эмиттер и попасть в базу. Поле закрытого перехода у коллектора притягивает к нему носители, прошедшие базу. Если изменить полярность смещения, нужное распределение токов нарушится и транзистор не будет работать в обычном режиме усиления.
Небольшой ток базы управляет потоком носителей от эмиттера к коллектору, поэтому ток коллектора может быть значительно больше. Связь токов в режиме усиления приближённо записывают так: Iк ≈ βIб. Например, при β = 80 ток базы 0,1 мА соответствует току коллектора примерно 8 мА. Энергию для усиленного сигнала даёт источник питания цепи коллектора, а не сам входной сигнал.
Чтобы использовать транзистор, его выводы включают в электрическую цепь: сигнал подают на базу, а выходной ток снимают с цепи коллектора. Если малые изменения входного сигнала вызывают более значительные изменения выходного тока, транзистор работает как усилитель. Если же его переключают между состояниями почти полного отсутствия тока и большого тока, он служит электронным ключом. Для усиления выбирают рабочий режим, а ключевое управление обычно использует отсечку и насыщение.
| Свойство | Транзистор n-p-n | Транзистор p-n-p |
|---|---|---|
| Чередование областей | n-p-n | p-n-p |
| Основные носители заряда | Электроны | Дырки |
| Направление условного тока через эмиттер | Из эмиттера | В эмиттер |
| Направление стрелки на условном обозначении | Наружу | Внутрь |
| Полярность напряжения на коллекторе относительно эмиттера | Коллектор положительнее эмиттера | Коллектор отрицательнее эмиттера |
Сначала определите структуру транзистора: она подсказывает, какие носители являются основными и какова полярность питания. Направление стрелки на условном обозначении помогает быстро отличить n-p-n от p-n-p. Указанные полярности относятся к обычному режиму усиления.
Ток базы равен 0,04 мА, коэффициент усиления β = 80. Требуется найти ток коллектора. В условии даны ток базы и β, поэтому используем соотношение для режима усиления Iк ≈ βIб. Подставим значения и при необходимости переведём ответ в амперы.
Ответ: Iк ≈ 3,2 мА, или 0,0032 А.
Ток коллектора равен 24 мА, а ток базы — 0,3 мА. Нужно определить β и ток эмиттера. По определению β — это отношение тока коллектора к току базы, а не к току эмиттера. Для тока эмиттера используем сохранение заряда: в узле транзистора ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора.
Ответ: β = 80; Iэ = 24,3 мА.
Транзистор с β = 100 должен обеспечить ток коллектора 50 мА. Источник базы даёт не более 0,4 мА. Сначала найдём ток базы, необходимый для заданного тока коллектора, затем сравним его с возможностью источника. Расчёт по β справедлив, только если транзистор остаётся в режиме усиления.
Ответ: требуется около 0,5 мА. Источника с пределом 0,4 мА недостаточно, поэтому заданный ток коллектора в режиме усиления обеспечить не получится.
Ошибочно считать, что ток коллектора создаётся только током базы: база управляет потоком носителей, но основная часть тока через прибор проходит по цепи коллектора. Такое заблуждение возникает из-за слова «управляет», которое принимают за «создаёт». Проверьте себя по соотношениям Iк ≈ βIб и Iэ = Iк + Iб: при большом β ток коллектора значительно больше тока базы.
Эмиттер и коллектор иногда путают, считая их одинаковыми областями. Однако эмиттер вводит носители в базу, а коллектор принимает носители, прошедшие базу; различаются и их конструктивные свойства. Чтобы проверить обозначения, вспомните функции областей и направление стрелки: она находится у эмиттера.
Коэффициент β ошибочно вычисляют как отношение тока эмиттера к току базы. Путаница появляется из-за того, что токи эмиттера и коллектора связаны между собой, но определение β задаёт конкретное отношение: β = Iк/Iб. Перед подстановкой чисел проверьте, что в числителе стоит ток коллектора, а не эмиттера.
Формулу Iк ≈ βIб нельзя применять при любом включении транзистора. Она описывает режим усиления, а в отсечке ток почти отсутствует, а в насыщении его ограничивает цепь коллектора. Перед расчётом проверьте режим: переход эмиттер—база открыт, база—коллектор закрыт, а транзистор не достиг насыщения.
Для понимания транзистора нужны знания о проводниках и полупроводниках, электронной и дырочной проводимости, а также о p–n-переходе. Эти понятия объясняют, откуда в областях берутся носители и как электрическое поле управляет их движением. Позже транзисторные схемы встречаются при изучении усилителей и генераторов электрических сигналов. Работа транзистора как ключа связывает полупроводники с электронными устройствами, которые переключают ток.
Почему малый ток базы может управлять большим током коллектора?
Эмиттер вводит носители заряда в тонкую базу, и большая их часть проходит через неё к коллектору. Небольшой ток базы задаёт условия, при которых этот поток становится возможен. Поэтому ток коллектора может во много раз превышать ток базы.
Чем эмиттер отличается от коллектора?
Эмиттер инжектирует носители заряда в базу, а коллектор принимает носители, прошедшие через неё. Эти области отличаются назначением и конструкцией, поэтому в обычной схеме их нельзя просто поменять местами.
Как определить тип транзистора по его условному обозначению?
Посмотрите на стрелку у вывода эмиттера: у n-p-n она направлена наружу, а у p-n-p — внутрь. Стрелка показывает направление условного тока через эмиттер.
Почему транзистор нельзя считать усилителем при любом режиме работы?
Соотношение Iк ≈ βIб применимо в режиме усиления, когда переход эмиттер—база открыт, а база—коллектор закрыт. При отсечке транзистор почти не проводит ток, а при насыщении оба перехода открыты и ток уже не определяется этой формулой.
Чем использование транзистора как ключа отличается от его работы в режиме усиления?
В режиме усиления транзистор работает так, чтобы изменения входного сигнала вызывали пропорциональные изменения выходного тока. В режиме ключа его переключают между состояниями «закрыт» и «открыт», чтобы прерывать или пропускать ток.
§45. Транзистор
