2.5. Транзисторы

Транзистор - полупроводниковый прибор с тремя электродами, служащий для усиления или переключения электрического сигнала.

Транзисторы бывают двух видов: биполярные и полевые. Рассмотрим вначале биполярные транзисторы.

Общие сведения о биполярных транзисторах

Существует два вида биполярных транзисторов: транзисторы прямой проводимости (p-n-p-типа) и транзисторы обратной проводимости (n‑p‑n‑типа). Подключение транзисторов обоих типов к источникам напряжения при прямом смещении их эмиттерных переходов показано на рис.2.44.

Источник напряжения смещения эмиттерного перехода Е_б подключен к базе (Б) и эмиттеру (Э) транзистора. Как видно из рис.2.44.в и 2.44.г, эмиттерный переход (диод VD₂) смещен в прямом направлении. Полярность напряжения источника питания Е_к такова, что коллекторный ток транзистора I_к проходит через прямосмещенный эмиттерный переход в обратносмещенный коллекторный переход (диод VD₁). Работа биполярного транзистора основана на переносе как основных носителей заряда (эмиттерный переход), так и неосновных носителей (коллекторный переход). Транзистор, таким образом, можно рассматривать, как два диода, включенные встречно. Иногда переходы транзисторов включают в схему вместо диодов. Но два диода, включенные встречно, не могут заменить транзистор.

Рис. 2.44. Подключение биполярных транзисторов к источникам напряжения

а. – транзистор p-n-p – типа;

б. – транзистор n-p-n –типа;

в. – диодная модель транзистора p-n-p – типа;

г. – диодная модель транзистора n-p-n –типа.

Примечание: Основными носителями называют электроны и дырки, полученные при внедрении примеси в полупроводник. Неосновными носителями являются собственные электроны полупроводника без примеси.

Для биполярных транзисторов справедливо: I_к=I_б , где - коэффициент передачи тока транзистора. Величина в среднем составляет десятки и сотни единиц. Очевидно, что управление током коллектора может быть достигнуто изменением тока базы. Так, на рис. 2.45 представлена схема регулирования яркости свечения лампы накаливания с помощью транзистора, управляемого по базе.

Рис. 2.45. Регулировка яркости свечения лампы накаливания с помощью транзистора

а. – принципиальная схема;

б. – эквивалентная схема.

Лампа HL₁ включена в коллекторную цепь транзистора VT₁. На базу транзистора подается управляющее напряжение от источника Е_б через регулирующий резистор R₁. При работе схемы возможны три основных ситуации: напряжение U_бэ = 0 (щетка потенциометра R₁ в крайнем нижнем положении); U_бэ Е_б (щетка потенциометра R₁ в крайнем верхнем положении); U_бэ изменяется (щетка потенциометра R₁ перемещается по его резистивному слою).

Если напряжение U_бэ равно нулю, транзистор закрыт, ток через него не протекает (U_бэ = 0 ►I_б = 0 ► I_к= I_б = 0), и лампа накаливания не светится. При этом U_кэ = Е_к и U_HL = 0.

В другом крайнем случае (U_бэ Е_б) транзистор VT₁ полностью открыт, U_бэ 0, U_HL Е_к. Через транзистор протекает ток I_к Е_к/R_HL1, где R_HL1 – сопротивление лампы накаливания. Лампа накаливания горит.

При изменении напряжения смещения транзистора (U_бэ = var), ток коллектора VT₁ также меняется, и изменяется яркость свечения лампы:

U_бэ = var ► I_б = var ► I_к= I_б = var ► U_HL = var.

В последнем случае транзистор проявляет себя как переменный резистор, рис.2.45.б. Изменение тока, протекающего через лампу накаливания, в рассматриваемой схеме возможно только, если изменяется сопротивление перехода коллектор – эмиттер транзистора VT₁. Следовательно, транзистор ведет себя в этой схеме как переменный резистор с электронным управлением (сопротивление изменяется вследствие изменения напряжения U_бэ).

Нетрудно заметить, что в первых двух случаях транзистор выполняет роль ключа, который может находиться в двух состояниях: ключ разомкнут (рис.2.46.а), и ключ замкнут (рис.2.46.б).

Рис. 2.46. Схема транзистора как электронного ключа

а. – транзистор в состоянии отсечки (ключ разомкнут);

б. – транзистор в состоянии насыщения (ключ замкнут);

в. – эквивалентная схема реального транзисторного ключа.

То есть транзистор в данной схеме выполняет роль обычного ключа, но только с электронным управлением (состояние ключа определяется управляющим напряжением U_бэ). Следует отметить, что транзистор не является идеальным ключом, рис. 2.46.в. Сопротивление замкнутого ключа не равно нулю (R_кэ = R_{кэ нас}, где R_{кэ нас} – сопротивление перехода коллектор ‑ эмиттер транзистора, находящегося в состоянии насыщения). В то же время сопротивление замкнутого ключа не равно бесконечности. Через закрытый транзистор протекает небольшой ток утечки, что отражает резистор R_{кэ отс.}, рис. 2.46.в.

Схема (рис.2.45) иллюстрирует два самых распространенных применения транзистора. Транзистор в схемах либо выполняет роль электронного ключа, либо переменного сопротивления с электронным управлением.