2. Транзисторы.
Транзисторы — полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Наиболее распространены так называемые биполярные транзисторы.
Их основа — пластинка монокристаллического полупроводника (чаще всего кремния или германия), в которой с помощью особых технологических приемов созданы, как минимум, три области с чередующейся проводимостью т.е. из 2-х p-n переходов. От каждой области сделан вывод: эмиттер, база, коллектор для подключения к внешней цепи.
VT К VT К
Б
Э
Б
Э
а) транзистор n-p-n б) транзистор p-n-p
Рисунок 1. Обозначение транзисторов на принципиальных схемах.
Рассмотрим физические процессы в транзисторе на примере n-p-n-транзистора, работающего в активном режиме без нагрузки (статический режим). Напряжения на переходах задаются внешними источниками постоянного напряжения Eб и Eк. Их полярность и величина напряжения обеспечивают смещение ЭП в прямом направлении, а КП – в обратном, т.е. активный режим работы: Eб (десятые доли В) < Eк (единицы ÷ сотни В). Потенциал базы меньше потенциала коллектора, => КП смещен в обратном направлении, при этом сопротивление ЭП малó, а сопротивление КП великó.
Физика процессов
Так как ЭП смещен в прямом направлении, то потенциальный барьер (как в обычном p-n-переходе) в этом переходе понижен, поэтому электроны легко, его преодолевая, инжектируются из эмиттера в базу. Небольшая часть электронов (≈5%) в базе рекомбинируют с дырками и в результате возникает сравнительно небольшой базовый ток Iб (дырок в базе мало, т.к. толщина база мала), а бóльшая оставшаяся часть электронов (≈95%) достигает коллекторного перехода. Поскольку КП смещен в обратном направлении, то на этом переходе образуются объемные заряды (подобно обычному p-n-переходу при обратном напряжении). Между зарядами возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (экстракции) через КП электронов из эмиттера. Эти электроны и создают коллекторный ток. Ток коллектора Iк получается меньше тока эмиттера Iэ на величину тока базы Iб. В соответствии с 1 законом Кирхгофа между токами всегда справедливо соотношение: Iэ = Iк + Iб, т.к. Iб << Iэ, то Iэ ≈ Iк
Работа транзистора
Базовая цепь транзистора управляет током, протекающим в цепи коллектор-эмиттер. Изменяя в небольших пределах малое напряжение, поданное на базу, можно в достаточно широких пределах изменять ток в цепи коллектор-эмиттер.
Принцип работы биполярного транзистора со структурой NPN. Ток, поданный на базу, открывает транзистор и обеспечивает протекание тока в цепи коллектор-эмиттер. С помощью малого тока, поданного на базу, можно управлять током большой мощности, идущим от коллектора к эмиттеру.
Схема, демонстрирующая принцип работы транзистора
Соберем схему, которая наглядно демонстрирует работу транзистора и принцип его включения. Нам понадобится транзистор с NPN структурой, например 2N3094, переменный или подстроечный резистор, резистор с постоянным сопротивлением и лампочка для карманного фонарика. Номиналы электронных приборов указаны на схеме.
Р
абота
схемы: R1
IБЭ
UБЭ
IКЭ
VT
открывается
и лампа загорается.
ЦЕПЬ ТОКА БАЗЫ: (+) ИП, R1, R2, КБVT1,(- ) ИП.
ЦЕПЬ ТОКА КОЛЛЕКТОРА: (+) ИП, Н1, КЭ VT1, (- ) ИП.
Статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора
Статические характеристики снимаются на постоянном токе и без нагрузки в выходной цепи. Данные характеристики используются для расчета транзисторных схем.
На практике интересны входные и выходные характеристики. Входные ВАХ отражают зависимость напряжения и тока во входной цепи, выходные ВАХ – в выходной цепи.
Для каждой из схем включения транзистора имеют место быть свои характеристики. Наиболее распространены ВАХ для схем ОЭ и ОБ, которые и приводятся в справочниках.
Входные и выходные ВАХ подобны ВАХ полупроводникового диода. Входные х-ки относятся к прямо смещенному ЭП, поэтому они подобны прямой ветви ВАХ диода.
Выходные х-ки отражают свойства обратно смещенного коллекторного перехода и аналогичны обратной ветви ВАХ диода.
Рис.ВАХ биполярного транзистора (p-n-p) в схеме ОЭ: а) выходные; б) входные.