3.9.3. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор (bipolar junction transistor) - это устройство с тремя выводами, которое в большинстве логических схем действует подобно ключу, уп­равляемому током. Если в один из выводов, называемый базой (base), втекает небольшой ток, то ключ «замкнут»: между двумя другими выводами, которые называются эмиттером (emitter) и коллектором (collector), может протекать ток. Если в базу ток не втекает, то ключ «разомкнут» и ток между эмиттером и коллек­тором не течет.

Изучение транзистора мы начнем с рассмотрения двух диодов, соединенных так, как показано на рис. 3.66(а). В этой схеме ток может протекать от точки В к точке С или к точке Е, если соответствующий диод открыт. Однако от точки С к точке Е и в обратном направлении ток протекать не может, так как при любом выборе напряжений в точках В, С и Е один или оба диода будут заперты. На рис. 3.66(b) эти два диода показаны в видер-л-переходов.

Р ис. 3.66. Переход от полупроводниковых диодов к л-р-л-транзистору: (а) встречное включение диодов; (b) представление диодов в виде р-л-перехо-дов; (с) структура л-р-л-транзистора; (d) условное обозначение л-р-л-тран-зистора

Теперь предположим, что диоды, включенные встречно, изготовляются так, что область полупроводника р-типа у них общая, как показано на рис. 3.66(с). Получающаяся структура называется n-p-n-транзистором (npn transistor)', она обладает поразительным свойством (по крайней мере, физикам, придумавшим транзисторы еще в 50-е годы, это свойство казалось потрясающим!): если обеспечить протекание тока через p-n-переход база-эмиттер, то тогда возможно также протекание тока и через n-p-переход коллектор-база (что в нормальных условиях невозможно), так что в результате ток течет от коллектора к эмиттеру.

Условное обозначение n-p-n-транзистора показано на рис. 3.66(d). Обратите внимание, что в условном обозначении транзистора имеется стрелка, указывающая положительное направление тока. Кроме того, это напоминает нам, что переход база-эмиттер является p-n-переходом, таким же, как диод, в условном обозначении которого имеется стрелка, направленная в ту же сторону.

Можно также изготовить р-n-р-транзистор (рnр transistor), показанный на рис. 3.67. Однако p-n-p-транзисторы редко используются в цифровых схемах, так что в дальнейшем мы не будем их рассматривать.

Ток эмиттераIg, вытекающий из р-n-р-транзистора, равен сумме токов /А и/, втекающих в транзистор со стороны базы и коллектора. Транзистор часто является составной частью усилителя (amplifier) сигнала, поскольку в пределах некоторого рабочего диапазона (активная область', active region) ток коллектора равен произведению тока базы на фиксированную константу . Однако в цифровых схемах, как объясняется ниже, транзистор обычно используют в качестве простого ключа, который всегда либо «замкнут», либо «разомкнут».

На рис. 3.68 показано включение р-n-р-транзистора по схеме с общим эмиттером (common-emitter configuration), которая чаще всего встречается в цифровых схемах. Эта схема помимо одного р-n-р-транзистора содержит два дискретных резистора R1 и R2. Если напряжение V_IN равно 0 или отрицательно, то переход база-эмиттер оказывается запертым, и ток базы (V_B )течь не может. Коль скоро отсутствует ток базы, то не может протекать и ток коллектора (V_C); в таком случае говорят, что транзистор находится в состоянии отсечки (cut off), то есть закрыт (OFF).

Поскольку переход база-эмиттер является не идеальным, а реальным диодом, прежде чем сможет протечь какой-либо ток базы, напряжение р-n-р-должно достичь, по крайней мере, величины +0.6 В (падение напряжения на открытом диоде). Как только это произойдет, согласно закону Ома получим:

(Обычно пренебрегают малым сопротивлением R_f открытого перехода база-эмиттер по сравнению с сопротивлением базового резистора R1.) Когда течет ток базы I_b, тогда может течь пропорциональный ему ток коллектора, равный

Коэффициент пропорциональности Д называется коэффициентом усиления (gain) тока транзистора; в типичном случае величина /J имеет значение порядка 100.

Хотя ток базы 1Ь определяет ток коллектора /с, он, помимо этого, косвенно вли­яет на напряжение fce между коллектором и эмиттером, так как усе равно напря­жению питания усс минус падение напряжения на резисторе R2:

Однако в идеальном транзисторе напряжение fce никогда не может быть мень­ше нуля (транзистор, конечно, не может быть источником отрицательного потен­циала), а в реальном транзисторе fce никогда не может быть меньше напряжения ^CE(sat)' являюш.егося параметром транзистора; величина ^СЕ. . обычно бывает порядка 0.2 В.

Если значения У , Д R1 и R2 таковы, что напряжение усе, вычисленное соглас­но приведенному выше выражению, меньше чем fce. ., то транзистор не может находиться в активной области, и указанное соотношение не применимо. В этом случае транзистор переходит в область насыщения (saturation region) или, как говорят, оказывается насыщенным (saturated) и полностью открыт (ON). Незави­симо от того, насколько велик ток /А, втекающий в базу, напряжение усе не может стать меньше F"CE. ., поэтому ток коллектора / определяется, главным образом, сопротивлением резистора нагрузки R2:

где Я - сопротивление транзистора в режиме насыщения (saturation resistance). Как правило, сопротивление Я не более 50 Ом и пренебрежимо мало по сравнению с R2.

Специалистам в области информатики может понравиться представление об я-р-л-транзисторе как об устройстве, которое непрерывно наблюдает за тем, что происходит вокруг, выполняя приведенную в табл. 3.10 программу, моделирую­щую поведение транзистора (transistor simulation).