Лекция №4 транзистор – это тоже просто

1. Биполярные транзисторы

Транзистор (transistor от слов transfer — передача и resistor — сопротивление) можно трактовать так: сопротивление в выходной цепи (например, между коллектором и эмиттером) может регулироваться входным сигналом (например, напряжением на базе).

Транзисторы биполярные– потому что при работе всегда происходит движение двух видов зарядов: электронов и дырок. Есть еще Униполярные (полевые, канальные) транзисторы, при их работе происходит движение либо электронов, либо дырок по специальному каналу (n- или p-типа).

Биполярные транзисторы – трехслойная структура с тремя выводами: эмиттер (излучатель зарядов), база (средняя часть), коллектор (собиратель зарядов). Биполярные транзисторы бывают двух типов: npn или pnp.

коллектор

npn-транзистор

База

эмиттер

коллектор

pnp-транзистор

База

эмиттер

Некоторые технические детали. Стрелка на изображении транзистора показывает возможное направление тока, то есть перемещение положительного заряда между эмиттером и коллектором. Направление тока совпадает с перемещением положительных дырок и противоположно перемещению отрицательных электронов. Не трудно убедиться, что электроны или дырки всегда двигаются от эмиттера к коллектору. Кроме того направление стрелки показывают полярность включения. Если потенциал эмиттера равен нулю, на коллекторе npn транзистора должен «плюс», а на коллекторе pnp транзистора - «минус». Направление стрелки еще показывает напряжение на базе, при которой транзистор «открывается» (начинает работать). В npn транзисторе напряжение на базе относительно эмиттера должно быть положительным, а в pnp транзисторе – отрицательным. Зная эту символику, легко анализировать разные схемы.

В цифровой технике наиболее распространенное включение транзисторов по схеме ОЭ (с общим эмиттером). Входное напряжение (на базе) и выходное (на коллекторе) измеряется относительно эмиттера, потенциал которого принимается за ноль. Это определяет схему включения коллектора: плюс в npn, минус в pnp транзисторе. В цепи коллектора и эмиттера может быть сопротивление, чтобы при открывании транзистора не замкнуть источник на землю «накоротко».

Uвх Uвых

Uвых

Uвх

Менее распространены схемы включения ОБ (с общей базой: база заземлена, вход – эмиттер, выход – коллектор) и ОК (с общим коллектором: если эмиттер и коллектор поменять местами относительно положения на приведенном рисунке).

2. Процессы в биполярном транзисторе

В биполярных транзисторах есть движение зарядов обоих типов. Однако в npn-транзисторе главную роль играет электронная проводимость, в pnp-транзисторе - дырочная проводимость. То есть основным считается движение заряда от эмиттера к коллектору (электронов в npn, дырок в pnp). Перемещение свободных электронов происходит быстрее, чем «перескок по дыркам». Поэтому в современной технике предпочитают использовать npn-транзисторы.

Рассмотрим процессы в npn-транзисторе (включенном по схеме ОЭ). Все сказанное можно распространить и на pnp-транзистор, если в рассуждениях «плюс» и «минус», «электроны» и «дырки» поменять местами.

Под сопротивлением транзистора понимают сопртивление между эмиттером и коллектором. Если Rтр→∞, говорят «транзистор закрыт». Коллектор и эмиттер разомкнуты, ток в выходной цепи не протекает, на выходе оказывается высокое напряжение. Если Rтр→0, говорят «транзистор полностью открыт». Эмиттер и коллектор замыкаются накоротко, падение напряжение выделяется только на сопротивлении (включаемое между коллектором и источником). На входе – низкое напряжение, так как выход замкнут на землю.

Итак, на эмиттере – ноль, на коллекторе – плюс. Напряжение на базе меняется, и именно Uбэ (напряжение базы относительно эмиттера) определяет, закрыт или открыт транзистор.

+

Uвых

Uвх

Как и в случае диода будем рассматривать процессы в виде перемещения зарядов под действием электрических сил и в виде поведения частиц в потенциальной яме (дырки при этом похожи на шарики, стремящиеся занять нижнее положение, а электроны подобны пузырькам воздуха в жидкости).

Рассмотрим два случая. Первый случай, пусть Uбэ соответствует логическому нулю – низкому напряжению: Uбэ = 0 или Uбэ < 0 или положительное, но Uбэ < Uпор ~ 0.5В. Проще считать Uбэ ≤ 0, так как при Uбэ=0 за счет контактной разности потенциалов на базе появится небольшой минус.

Второй случай, пусть Uбэ соответствует логической единице – высокому напряжению: Uбэ положительное и Uбэ >> Uпор ~ 0.5В, но меньше напряжения источника (5В). Обычно Uбэ ~ 2В – 2.5В.

Если на входе (базе) 0 или минус, все переходы закрыты, транзистор закрыт, токи не протекают, Rтр→∞

­

Если на входе (базе) плюс, то электроны эмиттера идут на базу и большинство попадают на коллектор. Дырки базы идут на эмиттер, транзистор открыт, Rтр=0.

Получается интересный эффект: переход Б-К остается закрытым даже в рабочем состоянии, а электроны, попавшие с эмиттера на базу, далее проходят на коллектор. Это связано с тем, что переход Б-К закрыт для основных носителей (дырок базы и электронов коллектора), а для неосновных носителей (электронов, попавших на базу p-типа) переход является открытым.

С ростом напряжения на базе транзистор «открывается», увеличивается ток в выходной цепи (эмиттер – коллектор), но достаточно быстро при Uвх>2 В (при ЭДС=5В) наступает насыщение: транзистор полностью открыт, увеличение Uэб уже не влияет на токи и напряжения в выходной цепи.