Как работает транзистор?

Материал из РадиоВики - энциклопедии радио и электроники
Перейти к: навигация, поиск
Выкупить рекламный блок

Как же работает транзистор?

Рассмотри хорошенько рис. 93. Слева на этом рисунке ты видишь упрощенную схему усилителя на транзисторе структуры p-n-p и иллюстраций, поясняющие сущность работы этого усилителя. Здесь, как и на предыдущих рисунках, дырки областей p-типа условно изображены кружками, а электроны области n-типа — черными шариками таких же размеров. Запомни наименования p-n переходов: между коллектором и базой — коллекторный, между эмиттером и базой — эмиттерный.

Рис. 93. Упрощенная схема усилителя на транзисторе структуры p-n-p и графики, иллюстрирующие его работу.

Между коллектором и эмиттером включена батарея Бк (коллекторная), создающая на коллекторе по отношению к эмиттеру отрицательное напряжение порядка нескольких вольт. В эту же цепь, именуемую коллекторной, включена нагрузка Rн, которой может быть телефон или иной прибор — в зависимости от назначения усилителя.

Если база ни с чем не будет соединена, в коллекторной цепи появится очень слабый ток (десятые доли миллиампера), так как при такой полярности включения батареи Бк сопротивление коллекторного p-n перехода окажется очень большим; для коллекторного перехода это будет обратный ток. Ток коллекторной цепи Iк резко возрастает, если между базой и эмиттером включить элемент смещения Бс, подав на базу по отношению к эмиттеру небольшое, хотя бы десятую долю вольта, отрицательное напряжение. Вот что при этом произойдет. При таком включении элемента Бс (имеется в виду, что зажимы для подключения источника усиливаемого сигнала, обозначенного на схеме знаком «~» — синусоидой, соединены накоротко) в этой новой цепи, называемой цепью базы, пойдет некоторый прямой ток Iб; как и в диоде, дырки в эмиттере и электроны в базе будут двигаться встречно и нейтрализоваться, обусловливая ток через эмиттерный переход.

Но судьба большей части дырок, вводимых из эмиттера в базу, иная, нежели исчезнуть при встрече с электронами. Дело в том, что при изготовлении транзисторов структуры p-n-p насыщенность дырок в эмиттере (и коллекторе) делают всегда большей, чем насыщенность электронов в базе. Благодаря этому только небольшая часть дырок (меньше 10%), встретившись с электронами, исчезает. Основная же масса дырок свободно проходит в базу, попадает под более высокое отрицательное напряжение на коллекторе, входит в коллектор и в общем потоке с его дырками перемещается к его отрицательному контакту. Здесь они нейтрализуются встречными электронами, вводимыми в коллектор отрицательным полюсом батареи Бк. В результате сопротивление всей коллекторной цепи уменьшается и в ней течет ток, во много раз превышающий обратный ток коллекторного перехода. Чем больше отрицательное напряжение на базе, тем больше дырок вводится из эмиттера в базу, тем значительнее ток коллекторной цепи. И, наоборот, чем меньше отрицательное напряжение на базе, тем меньше и ток коллекторной цепи транзистора.

А если в цепь базы последовательно с источником постоянного напряжения, питающего эту цепь, вводить переменный электрический сигнал? Транзистор усилит его.

Процесс усиления в общих чертах происходит следующим образом. При отсутствии напряжения сигнала в цепях базы и коллектора текут токи некоторой величины (участка Оа на графиках на рис. 93), определяемые напряжениями батарей и свойствами транзистора. Как только в цепи базы появляется сигнал, соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзистора: во время отрицательных полупериодов, когда суммарное отрицательное напряжение на базе возрастает, токи цепей увеличиваются, а во время положительных полупериодов, когда напряжения сигнала и элемента Бс противоположны и, следовательно, отрицательное напряжение на базе уменьшается, токи в обеих цепях тоже уменьшаются. Происходит усиление по напряжению и току.

Если во входную цепь, т. е. в цепь базы, подан электрический сигнал звуковой частоты, а нагрузкой выходной — коллекторной — цепи будет телефон, он преобразует усиленный сигнал в звук. Если нагрузкой будет резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепь второго транзистора для дополнительного усиления. Один транзистор может усилить сигнал в 30 — 50 раз.

Точно так же работают и транзисторы структуры n-p-n, только в них основными носителями тока являются не дырки, а электроны. В связи с этим полярность включения элементов и батарей, питающих цепи базы и коллекторов n-p-n транзисторов, должна быть не такой, как у p-n-p транзисторов, а обратной.

Запомни очень важное обстоятельство: на базу транзистора (относительно эмиттера) вместе с напряжением усиливаемого сигнала обязательно должно подаваться постоянное напряжение, называемое напряжением смещения, открывающее транзистор.

В усилителе по схеме на рис. 93 роль источника напряжения смещения выполняет элемент Бс. Для германиевого транзистора структуры p-n-p оно должно быть отрицательным и составлять 0,1—0,2 В, а для транзистора структуры n-p-n — положительным. Для кремниевых транзисторов напряжение смещения составляет 0,5 —0,7 В. Без начального напряжения смещения эмиттерный p-n переход «срежет», подобно диоду, положительные (p-n-p транзистор) или отрицательные (n-p-n транзистор) полуволны сигнала, отчего усиление будет сопровождаться искажениями. Напряжение смещения на базу не подают лишь в тех случаях, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования высокочастотного модулированного сигнала.

Обязательно ли для подачи на базу начального напряжения смещения нужен специальный элемент или батарея? Нет, конечно. Для этой цели обычно используют напряжение коллекторной батареи, соединяя базу с этим источником питания через резистор. Сопротивление такого резистора чаше подбирают опытным путем, так как оно зависит от свойств данного транзистора.

В начале этой части беседы я сказал, что биполярный транзистор можно представить себе как два включенных встречно плоскостных диода, совмещенных в одной пластинке полупроводника и имеющих один общий катод, роль которого выполняет база транзистора. В этом нетрудно убедиться на опытах, Для которых тебе потребуется любой бывший в употреблении, но не испорченный германиевый низкочастотный транзистор структуры p-n-p, например МП39 или подобные ему транзисторы МП40 — МП42. Между коллектором и базой транзистора включи последовательно соединенные батарею 3336Л и лампочку от карманного фонаря, рассчитанную на напряжение 2,5 В и ток 0,075 или 0,15 А. Если плюс батареи окажется соединенным (через лампочку) с коллектором, а минус - с базой (рис. 94, а), то лампочка будет гореть. При другой полярности включения батареи (рис. 94,б) лампочка гореть не должна.

Рис. 94. Опыты с транзистором.

Как объяснить эти явления? Сначала на коллекторный p-n переход ты подавал прямое, т. е. пропускное напряжение. В этом случае коллекторный переход открыт, его сопротивление мало и через него течет прямой ток коллектора Iк. Значение этого тока в данном случае определяется в основном сопротивлением нити лампочки и внутренним сопротивлением батареи. При втором включении батареи ее напряжение подавалось на коллекторный переход в обратном, непропускном направлении. В этом случае переход закрыт, его сопротивление велико и через него течет лишь небольшой обратный ток коллектора. У исправного маломощного низкочастотного транзистора обратный ток коллектора IКБО не превышает 30 мкА. Такой ток, естественно, не мог накалить нить лампочки, поэтому она и не горела.

Проведи аналогичный опыт с эмиттерным переходом. Результат будет таким же: при обратном напряжении переход будет закрыт — лампочка не горит, а при прямом напряжении он будет открыт — лампочка горит.

Следующий опыт, иллюстрирующий один из режимов работы транзистора, проводи по схеме, показанной на рис. 95, а. Между эмиттером и коллектором того же транзистора включи последовательно соединенные батарею 3336Л и лампочку накаливания. Положительный полюс батареи должен соединяться с эмиттером, а отрицательный — с коллектором (через нить накала лампочки). Горит лампочка? Нет, не горит. Соедини проволочной перемычкой базу с эмиттером, как показано на схеме штриховой линией. Лампочка, включенная в коллекторную цепь транзистора, тоже не будет гореть. Удали перемычку и вместо нее подключи к этим электродам последовательно соединенные резистор сопротивлением 200 — 300 Ом и один гальванический элемент Эб, например типа 332, но так, чтобы минус элемента был на базе, а плюс — на эмиттере. Теперь лампочка должна гореть. Поменяй местами полярность подключения элемента к этим электродам транзистора. В этом случае лампочка гореть не будет. Повтори несколько раз этот опыт и ты убедишься в том, что лампочка в коллекторной цепи будет гореть только тогда, когда на базе транзистора относительно эмиттера действует отрицательное напряжение.

Рис. 95. Опыты, иллюстрирующие работу транзистора в режиме переключения (а) и в режиме усиления (б).

Разберемся в этих опытах. В первом из них, когда ты, соединив перемычкой базу с эмиттером, замкнул накоротко эмиттерный переход, транзистор стал просто диодом, на который подавалось обратное, закрывающее транзистор напряжение. Через транзистор шел лишь незначительный обратный ток коллекторного перехода, который не мог накалить нить лампочки. В это время транзистор находился в закрытом состоянии. Затем, удалив перемычку, ты восстановил эмиттерный переход. Первым включением элемента между базой и эмиттером ты подал па эмиттерный переход прямое напряжение. Эмиттерный переход открылся, через него пошел прямой ток, который открыл второй переход транзистора — коллекторный. Транзистор оказался открытым и по цепи эмиттер — база — коллектор пошел ток транзистора, который во много раз больше тока цепи эмиттер — база. Он-то и накалил нить лампочки. Когда же ты изменил полярность включения элемента на обратную, то его напряжение закрыло эмиттерный переход, а вместе с тем закрылся и коллекторный переход. При этом ток транзистора почти прекратился (шел только обратный ток коллектора) и лампочка не горела.

В этих опытах транзистор был в одном из двух состояний: открытом или закрытом. Переключение транзистора из одного состояния в другое происходило под действием напряжения на базе UБ. Такой режим работы транзистора, проиллюстрированный графиками на рис. 95, а, называют режимом переключения или, что то же самое, ключевым режимом. Такой режим работы транзисторов используют в основном в аппаратуре электронной автоматики.

Какова в этих опытах роль резистора Rб? В принципе этого резистора может и не быть. Я же рекомендовал включить его исключительно для того, чтобы ограничить ток в базовой цепи. Иначе через эмиттерный переход пойдет слишком большой прямой ток, в результате чего может произойти тепловой пробой перехода и транзистор выйдет из строя.

Если бы при проведении этих опытов в базовую и коллекторную цепи были включены измерительные приборы, то при закрытом транзисторе токов в его цепях почти не было бы. При открытом же транзисторе ток базы IБ был бы не более 2 — 3 мА, а ток коллектора IК составлял 60 — 75 мА. Это означает, что транзистор может быть усилителем тока.

В приемниках и усилителях звуковой частоты транзисторы работают в режиме усиления. Этот режим отличается от режима переключения тем, что, используя малые токи в базовой цепи, мы можем управлять значительно большими токами в коллекторной цепи транзистора.

Иллюстрировать работу транзистора в режиме усиления можно таким опытом (рис. 95, б). В коллекторную цепь транзистора Т включи электромагнитный телефон Тф2 между базой и минусом источника питания Б — резистор Rб сопротивлением 200 — 250 кОм. Второй телефон Тф1 включи между базой и эмиттером через конденсатор связи Ссв емкостью 0,1 — 0,5 мкФ. У тебя получится простейший усилитель, который может выполнять, например, роль одностороннего телефонного аппарата. Если твой приятель будет негромко говорить перед телефоном, включенным на вход усилителя, его разговор ты будешь слышать в телефонах, включенных на выходе усилителя.

Какова роль резистора Rб в этом усилителе? Через него на базу транзистора от батареи питания Б подается небольшое начальное напряжение смещения, открывающее транзистор и тем самым обеспечивающее ему работу в режиме усиления. На вход усилителя вместо телефона Тф1 можно включить звукосниматель и проиграть грампластинку. Тогда в телефонах Тф2 будут хорошо слышны звуки мелодии или голос певца, записанные на грампластинку.

В этом опыте на вход усилителя подавалось переменное напряжение звуковой частоты, источником которого был телефон, преобразующий, как микрофон, звуковые колебания в электрические, или звукосниматель, преобразующий механические колебания его иглы в электрические колебания. Это напряжение создавало в цепи эмиттер — база слабый переменный ток, управляющий значительно большим током в коллекторной цепи: при отрицательных полупериодах на базе коллекторный ток увеличивался, а при положительных — уменьшался (см. графики на рис. 95, б). Происходило усиление сигнала, а усиленный транзистором сигнал преобразовывался телефоном, включенным в цепь коллектора, в звуковые колебания. Транзистор работал в режиме усиления.

Аналогичные опыты ты можешь провести и с транзистором структуры n-p-n, например типа МП35. В этом случае надо только изменить полярность включения источника питания транзистора: с эмиттером должен соединяться минус, а с коллектором (через телефон) — плюс батареи.

Коротко об электрических параметрах биполярных транзисторов. Качество и усилительные свойства биполярных транзисторов оценивают по нескольким параметрам, которые измеряют с помощью специальных приборов. Тебя же, с практической точки зрения, в первую очередь должны интересовать три основных параметра: обратный ток коллектора IКБО статический коэффициент передачи тока h21Э (читают так: аш два один э) и граничная частота коэффициента передачи тока fгр.

Обратный ток коллектора IКБО — это неуправляемый ток через коллекторный p-n переход, создающийся неосновными носителями тока транзистора. Параметр IКБО характеризует качество транзистора: чем он меньше, тем выше качество транзистора. У маломощных низкочастотных транзисторов, например типов МП39 — МП42, IКБО не должен превышать 30 мкА, а у маломощных высокочастотных транзисторов — не более 5 мкА. Транзисторы с большими значениями IКБО в работе неустойчивы.

Статический коэффициент передачи тока h21Э характеризует усилительные свойства транзистора. Статическим его называют потому, что этот параметр измеряют при неизменных напряжениях на его электродах и неизменных токах в его цепях. Большая (заглавная) буква «Э» в этом выражении указывает на то, что при измерении транзистор включают по схеме с общим эмиттером (о схемах включения транзистора я расскажу в следующей беседе). Коэффициент h21Э характеризуется отношением постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор — эмиттер и токе эмиттера. Чем больше численное значение коэффициента h21Э, тем большее усиление сигнала может обеспечить данный транзистор[1].

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр, выраженная в килогерцах или мегагерцах, позволяет судить о возможности использования транзистора для усиления колебаний тех или иных частот. Граничная частота транзисторов МП39, например, 500 кГц, а транзисторов П401 — П403 — больше 30 МГц. Практически транзисторы используют для усиления частот значительно меньше граничных, так как с повышением частоты коэффициент передачи тока h21Э транзистора уменьшается.

В практической работе надо учитывать и такие параметры, как максимально допустимое напряжение коллектор — эмиттер, максимально допустимый ток коллектора, а также максимально допустимую рассеиваемую мощность коллектора Транзистора — мощность, превращающуюся внутри транзистора в тепло.

Основные сведения о маломощных транзисторах массового применения ты найдешь в прилож. 4.

Примечания

  1. В популярной радиотехнической литературе выпуска предыдущих лет усилительные свойства транзисторов оценивались статическим коэффициентом усиления Вст. Численно коэффициент Вст равен коэффициенту h21Э