Транзистор – прилад, що працює на напівпровідниках з електронною начинкою. Він призначений для перетворення та посилення електричних сигналів. Розрізняють два види приладів: і транзистор уніполярний, або польовий.
Якщо в транзисторі одночасно працюють два види носіїв заряду - дірки та електрони, то він називається біполярним. Якщо транзисторі працює лише одне тип заряду, він є униполярным.
Уявіть собі роботу звичайного водяного крана. Повернули засувку – потік води посилився, повернули в інший бік – потік зменшився чи припинився. Майже в цьому й полягають принципи роботи транзистора. Тільки замість води через нього тече потік електронів. Принцип дії транзистора біполярного типу характерний тим, що через цей електронний пристрій йдуть два види струму. Вони поділяються на великий, або основний і маленький, або керуючий. Причому потужність струму, що управляє, впливає на потужність основного. Розглянемо принцип роботи його відрізняється від інших. У ньому проходить лише один якого залежить від навколишнього
Біполярний транзистор роблять із 3-х шарів напівпровідника, а також, найголовніше, із двох PN-переходів. Слід відрізняти PNP і NPN переходи, отже, і транзистори. У цих напівпровідниках йде чергування електронної та діркової провідності.
Біполярний транзистор має три контакти. Це база, контакт, що виходить із центрального шару, і два електроди по краях - емітер та колектор. Порівняно з цими крайніми електродами прошарок бази дуже тонкий. По краях транзистора область напівпровідників не є симетричною. Для правильної роботи даного приладу напівпровідниковий шар, розташований з боку колектора, має бути нехай небагато, але товщим у порівнянні зі стороною емітера.
Принципи роботи транзистора ґрунтуються на фізичних процесах. Попрацюємо із моделлю PNP. Робота моделі NPN буде подібною, за винятком полярності напруги між такими основними елементами, як колектор та емітер. Вона буде спрямована у протилежний бік.
Речовина Р-типу містить дірки або позитивно заряджені іони. Речовина N-типу складається з негативно заряджених електронів. У аналізованому нами транзисторі кількість дірок у Р набагато більше кількості електронів в області N.
При підключенні джерела напруги між такими частинами, як емітер і колектор, принципи роботи транзистора засновані на тому, що дірки починають притягуватися до полюса і збиратися біля емітера. Але струм не йде. Електричне поле від джерела напруги не доходить до колектора із-за товстого прошарку напівпровідника емітера та прошарку напівпровідника бази.
Тоді підключимо джерело напруги вже з іншою комбінацією елементів, а саме між базою та емітером. Тепер дірки прямують до бази та починають взаємодіяти з електронами. Центральна частина бази насичується дірками. В результаті утворюється два струми. Великий - від емітера до колектора, невеликий - від бази до емітера.
При збільшенні напруги в базі в прошарку N буде ще більше дірок, збільшиться струм бази, трохи посилиться струм емітера. Отже, за малому зміні струму бази досить серйозно посилюється струм емітера. В результаті ми отримуємо зростання сигналу у біполярному транзисторі.
Розглянемо принципи роботи транзистора залежно від його роботи. Розрізняють нормальний активний режим, активний інверсний режим, режим насичення, режим відсічення.
При активному режимі роботи емітерний перехід відкрито, а колекторний перехід закрито. В інверсійному режимі все відбувається навпаки.
Що означає назва "транзистор"
Транзистор не одразу отримав таку звичну назву. Спочатку, за аналогією з ламповою технікою, його називали напівпровідниковим тріодом. Сучасна назва складається із двох слів. Перше слово - "трансфер", (тут відразу згадується "трансформатор") означає передавач, перетворювач, переносник. А друга половина слова нагадує слово "резистор", - деталь електричних схем, основна властивість якої - електричний опір.
Саме цей опір зустрічається в законі Ома та багатьох інших формулах електротехніки. Тому слово «транзистор» можна розтлумачити як перетворювач опору.Приблизно так, як у гідравліці зміна потоку рідини регулюється засувкою. У транзистора така «засувка» змінює кількість електричних зарядівстворення електричного струму. Ця зміна є нічим іншим, як зміна внутрішнього опору напівпровідникового приладу.
Посилення електричних сигналів
Найбільш поширеною операцією, яку виконують транзистори, є посилення електричних сигналів. Але це не зовсім вірний вираз, адже слабкий сигнал із мікрофона таким і залишається.
Посилення також потрібне в радіоприйманні та телебаченні: слабкий сигнал з антени потужністю в мільярдні частки вата необхідно підсилити настільки, щоб отримати звук або зображення на екрані. А це вже потужності кілька десятків, а в деяких випадках і сотень ват. Тому процес посилення зводиться до того, щоб за допомогою додаткових джерел енергії, отриманої від блока живлення, отримати потужну копію вхідного слабкого сигналу. Тобто малопотужний вхідний вплив управляє сильними потоками енергії.
Посилення в інших галузях техніки та природи
Такі приклади можна знайти не тільки в електричних схемах. Наприклад, при натисканні педалі газу зростає швидкість автомобіля. При цьому на педаль газу натискати доводиться не дуже - порівняно з потужністю двигуна потужність натискання на педаль мізерна. Для зменшення швидкості педаль доведеться дещо відпустити, послабити вхідний вплив. У цій ситуації потужним джерелом енергії є бензин.
Така ж дія можна спостерігати і в гідравліці: на відкриття електромагнітного клапана, наприклад у верстаті, енергії, йде зовсім небагато. А тиск олії на поршень механізму здатний створити зусилля в кілька тонн. Це зусилля можна регулювати, якщо в маслопроводі передбачити засувку, як у звичайному кухонному крані. Трохи прикрив – тиск упав, зусилля знизилося. Якщо відкрив більше, то й натиск посилився.
На поворот засувки теж не потрібно докладати особливих зусиль. В даному випадку зовнішнім джереломенергії є насосна станціяверстата. І подібних впливів у природі та техніці можна помітити безліч. Але все-таки нас більше цікавить транзистор, тож далі доведеться розглянути…
Підсилювачі електричних сигналів
Колись транзистором називали радіоприймач, але в нашій статті йтиметься не про радіоприймач. Так що це таке транзистор і як він працює.
Є такий клас матеріалів, що за свої властивості названий напівпровідниками. Відмінною їх особливістю є провідність - вони можуть бути як провідниками електричного струму, і діелектриками, тобто. ізоляторами та не проводити електричний струм.
Ось такий матеріал використовується для виготовлення транзистора, що широко застосовується в промисловості і служить основою майже всієї сучасної електроніки.
Не торкаючись технології виготовлення, типів транзисторів, їх застосування просто відзначимо, що існують транзистори різних типів, наприклад, npn транзистор. Таку назву він отримав через матеріал і тип провідності. Того, що сказано, поки що достатньо і заглиблюватися в технологію виготовлення та різноманітність транзисторів зараз не будемо.
Як працює транзистор? Він призначений для керування електричним струмом, конструктивно виготовляється в металевому або пластмасовому корпусі і має три висновки, які називаються емітер, база, колектор. Вже назва висновків говорить про їхнє призначення: емітер емітує електрони, база ними управляє, колектор їх збирає. Всі ці процеси відбуваються усередині транзистора.
Щоб зрозуміти, як працює транзистор, розглянемо набагато простіший приклад – водопровідний кран.
У нього теж три висновки - по одному вода надходить у кран, по іншому виливається з крана, третім є вентиль, який керує роботою крана. Коли вентиль відкритий, вода протікає через кран, коли вентиль закритий, вода не тече. Це імітація одного з варіантів того, як працює транзистор. Такий режим роботи називається ключовою – транзистор відкритий – протікає або закритий, тоді струм не йде. Для відкриття транзистора з урахуванням подається напруга, якщо напруга є, то транзистор відкритий, якщо ні, він закритий. Все відбувається, як відкрито - вода тече, вентиль закритий - води немає.
Вище було розглянуто роботу транзистора, коли він використовується як ключ: або закритий, або відкритий. Проте є й інші режими роботи. Знову як приклад розглянемо водопровідний кран. Якщо трохи відкрити вентиль, то вода з крана буде литися постійно, і напір води визначатиметься тим, наскільки сильно ми відкрили кран.
Приблизно такий режим роботи є й у транзистора. На його базу надходить напруга, він відкривається і через нього йде струм. Змінюючи величину напруги з урахуванням, можна регулювати величину струму, що проходить через транзистор. Повна аналогія з положенням вентиля на крані: більше відкрито - більше ллється води (тобто струму для транзистора); менше відкрито - менше тече води (струму для транзистора). Такий режим роботи транзистора називається підсилювальним, коли за допомогою невеликої напруги, що подається на базу, можна керувати значним струмом, що знімається з колектора.
На закінчення слід зазначити, що транзистори можуть бути різного типу, все визначається використовуваним під час виготовлення матеріалом. Вони можуть відрізнятися за потужністю, можуть керувати та пропускати через себе значні потоки електричного струму. Транзистори можуть бути різного конструктивного виконання. Існують і інші режими роботи транзисторів, які відрізняються від розглянутих. Але основне уявлення у тому, як працює транзистор, дано вище.
Все викладене приблизно, але все ж таки дозволяє зрозуміти роботу транзистора. Насправді робота транзистора відбувається набагато складніше. Є спеціальні параметри, використовуючи які можна за формулами розрахувати та задати необхідний режим роботи, але це вже зовсім інша тема для розмови та іншої статті.
Біполярний транзистор.
Біполярний транзистор- електронний напівпровідниковий прилад, один із типів транзисторів, призначений для посилення, генерування та перетворення електричних сигналів. Транзистор називається біполярний, оскільки в роботі приладу одночасно беруть участь два типи носіїв заряду – електрониі дірки. Цим він відрізняється від уніполярного(польового) транзистора, у якого бере участь лише одне тип носіїв заряду.
Принцип роботи обох типів транзисторів схожий роботу водяного крана, який регулює водяний потік, лише через транзистор проходить потік електронів. У біполярних транзисторів через прилад проходять два струми - основний "великий" струм, і "маленький" струм, що управляє. Потужність основного струму залежить від потужності керуючого. У польових транзисторів через пристрій проходить лише один струм, потужність якого залежить від електромагнітного поля. У цій статті розглянемо докладніше роботу біполярного транзистора.
Влаштування біполярного транзистора.
Біполярний транзистор складається з трьох шарів напівпровідника та двох PN-переходів. Розрізняють PNP та NPN транзистори за типом чергування діркової та електронної провідностей. Це схоже на два діода, з'єднаних віч-на-віч або навпаки.
У біполярного транзистора три контакти (електрода). Контакт, що виходить із центрального шару, називається основа (base).Крайні електроди мають назву колекторі емітер (collectorі emitter). Прошарок бази дуже тонка щодо колектора та емітера. На додаток до цього області напівпровідників по краях транзистора несиметричні. Шар напівпровідника з боку колектора трохи товстіший, ніж з боку емітера. Це потрібно для правильної роботи транзистора.
Робота біполярного транзистора.
Розглянемо фізичні процеси, які відбуваються під час роботи біполярного транзистора. Наприклад візьмемо модель NPN. Принцип роботи транзистора PNP аналогічний, лише полярність напруги між колектором та емітером буде протилежною.
Як уже говорилося в статті про типи провідності у напівпровідникахУ речовині P-типу знаходяться позитивно заряджені іони - дірки. Речовина N типу насичена негативно зарядженими електронами. У транзисторі концентрація електронів області N значно перевищує концентрацію дірок в області P.
Підключимо джерело напруги між колектором та емітером V КЕ (V CE). Під його дією, електрони з верхньої частини N почнуть притягуватися до плюсу і збиратися біля колектора. Однак струм не зможе йти, тому що електричне поле джерела напруги не досягає емітера. Цьому заважає товстий прошарок напівпровідника колектора плюс прошарок напівпровідника бази.
Тепер підключимо напругу між базою та емітером V BE , але значно нижчою ніж V CE (для кремнієвих транзисторів мінімальне необхідне V BE - 0.6V). Оскільки прошарок P дуже тонка, плюс джерела напруги підключеного до бази, зможе "дотягнутися" своїм електричним полем до N області емітера. Під його впливом електрони попрямують до бази. Частина з них почне заповнювати дірки, що знаходяться там (рекомбінувати). Інша частина не знайде собі вільну дірку, тому що концентрація дірок у базі набагато нижча за концентрацію електронів в емітері.
Внаслідок цього центральний шар бази збагачується вільними електронами. Більшість із них попрямує у бік колектора, оскільки там напруга набагато вища. Також цьому сприяє дуже маленька товщина центрального шару. Якась частина електронів, хоч набагато менша, все одно потече у бік плюс бази.
У результаті ми отримуємо два струми: невеликий - від бази до емітера I BE, і великий - від колектора до емітера I CE.
Якщо збільшити напругу з урахуванням, то прошарку P збереться ще більше електронів. В результаті трохи посилиться струм бази, і значно посилиться струм колектора. Таким чином, при невеликій зміні струму бази I B , сильно змінюється струм колектора I З. Так і відбувається посилення сигналу у біполярному транзисторі. Співвідношення струму колектора I до струму бази I B називається коефіцієнтом посилення по струму. Позначається β , hfeабо h21e, Залежно від специфіки розрахунків, що проводяться з транзистором.
Найпростіший підсилювач на біполярному транзисторі
Розглянемо докладніше принцип посилення сигналу електричної площині з прикладу схеми. Заздалегідь зазначу, що така схема не зовсім правильна. Ніхто не підключає джерело постійної напруги безпосередньо до джерела змінного. Але в даному випадку так буде простіше і наочніше для розуміння самого механізму посилення за допомогою біполярного транзистора. Так само, сама техніка розрахунків у наведеному нижче прикладі має дещо спрощений характер.
1.Опис основних елементів ланцюга
Отже, допустимо у нашому розпорядженні транзистор з коефіцієнтом посилення 200 (? = 200). З боку колектора підключимо щодо потужне джерело живлення в 20V, за рахунок енергії якого відбуватиметься посилення. З боку бази транзистора приєднаємо слабке джерело живлення до 2V. До нього послідовно приєднаємо джерело змінної напругиу формі синуса, з амплітудою коливань 0.1V. Це буде сигнал, який слід посилити. Резистор Rb біля бази необхідний для того, щоб обмежити струм, що йде від джерела сигналу, що зазвичай має слабку потужність.
2. Розрахунок вхідного струму бази I b
Тепер порахуємо струм бази I b. Оскільки ми маємо справу зі змінною напругою, потрібно порахувати два значення струму – при максимальній напрузі (V max) та мінімальній (V min). Назвемо ці значення струму відповідно - I bmax і I bmin.
Також, щоб порахувати струм бази, необхідно знати напругу база-емітер V BE . Між базою та емітером розташовується один PN-перехід. Виходить, що струм бази зустрічає на своєму шляху напівпровідниковий діод. Напруга, у якому напівпровідниковий діод починає проводити - близько 0.6V. Не будемо вдаватися до подробиць вольт-амперних характеристик діода, і для простоти розрахунків візьмемо наближену модель, згідно з якою напруга на діоді, що проводить струм, завжди 0.6V. Отже, напруга між базою та емітером V BE = 0.6V. А оскільки емітер підключений до землі (VE = 0), то напруга від бази до землі теж 0.6V (V B = 0.6V).
Порахуємо I bmax та I bmin за допомогою закону Ома:
2. Розрахунок вихідного струму колектора I З
Тепер, знаючи коефіцієнт посилення (β = 200), можна легко порахувати максимальне і мінімальне значення струму колектора (I cmax і I cmin).
3. Розрахунок вихідної напруги V out
Через резистор Rc тече струм колектора, який ми вже порахували. Залишилося підставити значення:
4. Аналіз результатів
Як очевидно з результатів, V Cmax вийшов менше ніж V Cmin . Це сталося через те, що напруга на резистори V Rc віднімається від напруги живлення VCC. Проте здебільшого це має значення, оскільки нас цікавить змінна складова сигналу – амплітуда, яка збільшилася з 0.1V до 1V. Частота та синусоїдальна форма сигналу не змінилися. Звісно ж, співвідношення V out /V in у десять разів - далеко на найкращий показник для підсилювача, проте для ілюстрації процесу підсилення цілком підійде.
Отже, підсумуємо принцип роботи підсилювача на біполярному транзисторі. Через основу тече струм I b , що несе у собі постійну та змінну складові. Постійна складова потрібна для того, щоб PN-перехід між базою та емітером почав проводити – «відкрився». Змінна складова - це, власне, сам сигнал (корисна інформація). Сила струму колектор-емітер усередині транзистора – це результат множення струму бази коефіцієнт посилення β. Напруга на резисторі Rc над колектором – результат множення посиленого струму колектора на значення резистора.
Таким чином, на висновок V out надходить сигнал зі збільшеною амплітудою коливань, але з формою, що збереглася, і частотою. Важливо підкреслити, що енергію посилення транзистор бере в джерела живлення VCC. Якщо напруги живлення буде недостатньо, транзистор не зможе повноцінно працювати, і вихідний сигнал може вийде зі спотвореннями.
Режими роботи біполярного транзистора
Відповідно до рівнів напруги на електродах транзистора, розрізняють чотири режими його роботи:
Режим відсікання (cut off mode).
Активний режим (Active mode).
Режим насичення (saturation mode).
Інверсний ражим (reverse mode).
Режим відсічки
Коли напруга база-емітер нижче, ніж 0.6V - 0.7V, PN-перехід між базою та емітером закритий. У такому стані транзистор відсутній струм бази. В результаті струму колектора теж не буде, оскільки в базі немає вільних електронів, які готові рухатися у бік напруги на колекторі. Виходить, що транзистор ніби замкнений, і кажуть, що він знаходиться в режимі відсічення.
Активний режим
У активному режимінапруга на базі достатня, щоб PN-перехід між базою і емітером відкрився. У цьому стані у транзистора присутні струми бази та колектора. Струм колектора дорівнює струму бази, помноженому на коефіцієнт посилення. Тобто активним режимом називають нормальний робочий режим транзистора, який використовують для посилення.
Режим насичення
Іноді струм бази може бути занадто великим. В результаті потужності живлення просто не вистачить для забезпечення такої величини струму колектора, яка відповідала б коефіцієнту посилення транзистора. У режимі насичення струм колектора буде максимальним, який може забезпечити джерело живлення і не залежатиме від струму бази. У такому стані транзистор не здатний посилювати сигнал, оскільки струм колектора не реагує зміни струму бази.
У режимі насичення провідність транзистора максимальна, і він більше підходить для перемикача (ключа) в стані «включений». Аналогічно, в режимі відсікання провідність транзистора мінімальна, і це відповідає перемикачу в стані «вимкнений».
Інверсний режим
У цьому режимі колектор та емітер змінюються ролями: колекторний PN-перехід зміщений у прямому напрямку, а емітерний – у зворотному. В результаті струм із бази тече в колектор. Область напівпровідника колектора несиметрична емітеру, і коефіцієнт посилення в інверсному режимі виходить нижче, ніж у нормальному активному режимі. Конструкція транзистора виконана таким чином, щоб максимально ефективно працював в активному режимі. Тому в інверсному режимі транзистор практично не використовують.
Основні параметри біполярного транзистора.
Коефіцієнт посилення струму- Співвідношення струму колектора I С до струму бази I B . Позначається β , hfeабо h21e, Залежно від специфіки розрахунків, що проводяться з транзисторів.
β - величина стала для одного транзистора, і залежить від фізичної будови приладу. Високий коефіцієнт посилення обчислюється у сотнях одиниць, низький – у десятках. Для двох окремих транзисторів одного типу, навіть якщо під час виробництва вони були "сусідами по конвеєру", може трохи відрізнятися. Ця характеристика біполярного транзистора є, мабуть, найважливішою. Якщо іншими параметрами приладу досить часто можна знехтувати розрахунками, то коефіцієнтом посилення по струму практично неможливо.
Вхідний опір- Опір в транзисторі, який «зустрічає» струм бази. Позначається R in (R вх). Чим воно більше - тим краще для підсилювальних характеристик приладу, оскільки з боку бази зазвичай є джерело слабкого сигналу, у якого потрібно споживати якнайменше струму. Ідеальний варіант – це коли вхідний опір дорівнює безкінечності.
R вх для середньостатистичного біполярного транзистора становить кілька сотень КΩ (кілоом). Тут біполярний транзистор дуже сильно програє польовому транзистору, де вхідний опір сягає сотень ГΩ (гігаом).
Вихідна провідність- провідність транзистора між колектором та емітером. Чим більша вихідна провідність, тим більше струму колектор-емітер зможе проходити через транзистор при меншій потужності.
Також зі збільшенням вихідної провідності (або зменшенням вихідного опору) збільшується максимальне навантаження, яке може витримати підсилювач за незначних втрат загального коефіцієнта посилення. Наприклад, якщо транзистор з низькою вихідною провідністю посилює сигнал у 100 разів без навантаження, то при під'єднанні навантаження в 1 КΩ, він вже підсилюватиме всього в 50 разів. У транзистора, з таким самим коефіцієнтом посилення, але з більшою вихідною провідністю, падіння посилення буде менше. Ідеальний варіант - це коли вихідна провідність дорівнює нескінченність (або вихідний опір R out = 0 (R вих = 0)).
Транзистором називається активний напівпровідниковий прилад, за допомогою якого здійснюється посилення, перетворення та генерування електричних коливань. Таке застосування транзистора можна спостерігати в аналоговій техніці. Крім цього, застосовуються і в цифровій техніці, де вони використовуються в ключовому режимі. Але в цифровій апаратурі багато транзистори «заховані» всередині інтегральних мікросхем, причому у величезних кількостях і в мікроскопічних розмірах.
Тут ми вже не будемо надто докладно зупинятися на електронах, дірках та атомах, про які вже було розказано в попередніх частинах статті, але дещо з цього, за потреби, все ж таки доведеться згадати.
Напівпровідниковий діод складається з одного p-n переходу, про властивості якого було розказано. Транзистор, як відомо, складається з двох переходів, тому можна розглядати як попередник транзистора або його половину.
Якщо p-n перехід перебуває у стані спокою, то дірки та електрони розподіляються, як показано на малюнку 1, утворюючи потенційний бар'єр. Постараємося не забути умовні позначенняелектронів, дірок та іонів, показані на цьому малюнку.
Малюнок 1.
Як влаштований біполярний транзистор
Влаштування біполярного транзистора на перший погляд просто. Для цього достатньо на одній пластині напівпровідника, яка називається базою, створити відразу два p-n переходи. Деякі способи створення p-nпереходу були описані, тому тут повторюватися не будемо.
Якщо провідність бази буде типу p, то отриманий транзистор матиме структуру n-p-n (вимовляється як «ен-пе-ен»). А коли в якості бази використовується пластина n типу, то виходить транзистор структури p-n-p (пе-ен-пе).
Коли ж мова зайшла про базу, то слід звернути увагу на таку річ: напівпровідникова пластина, яка використовується як база дуже тонка, набагато тонша, ніж емітер і колектор. Це твердження слід запам'ятати, оскільки воно знадобиться у процесі пояснення транзистора.
Природно, що для з'єднання із «зовнішнім світом» від кожної області p і n виходить дротяний висновок. Кожен має назву області, до якої з'єднаний: емітер, база, колектор. Такий транзистор називається біполярним, оскільки в ньому використовуються два типи носіїв заряду - дірки та електрони. Схематичний пристрій транзисторів обох типів показано малюнку 2.
Малюнок 2.
В даний час більшою мірою застосовуються кремнієві транзистори. Германієві транзистори майже повністю вийшли з вживання, будучи витісненими кремнієвими, тому подальша розповідь буде саме про них, хоча іноді згадуватимуться і германієві. Більшість кремнієвих транзисторів мають структуру n-p-n, оскільки ця структура більш технологічна у виробництві.
Комплементарні пари транзисторів
Для германієвих транзистори, мабуть, більш технологічною була структура p-n-p, тому германієві транзистори здебільшогомали саме цю структуру. Хоча, у складі комплементарних пар (близькі за параметрами транзистори, які відрізнялися лише типом провідності), випускалися і германієві транзистори різної провідності, наприклад ГТ402 (p-n-p) і ГТ404 (n-p-n).
Така пара застосовувалася як вихідні транзистори в УНЧ різної радіоапаратури. І якщо несучасні германієві транзистори пішли в історію, то комплементарні пари кремнієвих транзисторів випускаються досі, починаючи від транзисторів у SMD-корпусах і аж до потужних транзисторівдля вихідних каскадів УНЧ.
До речі, звукові підсилювачі на германієвих транзисторах меломанами сприймалися майже як лампові. Ну, може трохи й гірше, але набагато краще, ніж підсилювачі на кремнієвих транзисторах. Це просто для довідки.
Як працює транзистор
Для того, щоб зрозуміти, як працює транзистор, нам знову доведеться повернутися у світ електронів, дірок, донорів і акцепторів. Щоправда, зараз це буде дещо простіше, і навіть цікавіше, ніж у попередніх частинах статті. Таке зауваження довелося зробити для того, щоб не налякати читача, дозволити дочитати все це до кінця.
На малюнку 3 зверху показано умовне графічне позначення транзисторів на електричних схемах, а нижче p-n переходи транзисторів представлені у вигляді напівпровідникових діодів, причому включених зустрічно. Така вистава дуже зручна при перевірці транзистора мультиметром.
Малюнок 3.
На малюнку 4 показано внутрішній пристрій транзистора.
На цьому малюнку доведеться трохи затриматися, щоб розглянути його детальніше.
Малюнок 4.
То пройде струм чи ні?
Тут показано, як до транзистора структури n-p-nпідключено джерело живлення, причому саме в такій полярності, як він підключається в реальних пристроях до транзисторів. Але, якщо придивитися уважніше, то виходить, що через два p-n переходи, через два потенційні бар'єри струм не пройде: як не змінюй полярність напруги один з переходів обов'язково виявляється в замкненому, непровідному стані. Так що вже залишимо поки все, як показано на малюнку і подивимося, що там відбувається.
Некерований струм
При включенні джерела струму, як показано малюнку, перехід емітер - база (n-p) перебуває у відкритому стані і легко пропустить електрони у бік ліворуч - праворуч. Після чого електрони зіткнуться із закритим переходом бази емітер (p-n), який зупинить цей рух, дорога для електронів буде закрита.
Але, як завжди і скрізь із будь-яких правил бувають винятки: деякі особливо спритні електрони під впливом температури все-таки цей бар'єр зможуть подолати. Тому хоч і незначний струм при такому включенні все ж таки буде. Цей незначний струм називається початковим струмом чи струмом насичення. Остання назва викликана тим, що в освіті цього струму беруть участь усі вільні електрони, здатні при даній температурі подолати потенційний бар'єр.
Початковий струм некерований, він є у будь-якого транзистора, але в той же час мало залежить від зовнішньої напруги. Якщо його, напруга, підвищити дуже значно (у межах розумного, позначеного у довідниках), початковий струм особливо зміниться. Проте тепловий вплив на цей струм впливає дуже помітно.
Подальше підвищення температури викликає збільшення початкового струму, що може призвести до додаткового нагрівання p-n переходу. Така теплова нестабільність може призвести до теплового пробою, руйнування транзистора. Тому слід вживати заходів щодо охолодження транзисторів, і не додавати граничних напруг при підвищеній температурі.
А тепер згадаємо про базу
Описане вище включення транзистора з обірваною базою ніде у практичних схемах не застосовується. Тому малюнку 5 показано правильне включення транзистора. Для цього знадобилося подати на базу щодо емітера деяку невелику напругу, причому у прямому напрямку (згадаймо діод, і ще раз подивимося на рисунок 3).
Малюнок 5.
Якщо у випадку з діодом все начебто зрозуміло, - відкрився і через нього пішов струм, то в транзисторі трапляються ще й інші події. Під впливом емітерного струму електрони спрямують у основу з провідністю p з емітера з провідністю n. При цьому частина електронів заповнять дірки, що знаходяться в області бази і через базовий висновок протікає незначний струм - струм бази Iб. Ось тут якраз і слід згадати, що база тонка і дірок у ній небагато.
Інші електрони, яким не вистачило дірок у тонкій базі, спрямовуються в колектор і будуть витягнуті звідти вищим потенціалом колекторної батареї Eк-е. Під цим впливом електрони подолають другий потенційний бар'єр і через батарею повернуться до емітера.
Таким чином, невелика напруга, прикладена до переходу база - емітер, сприяє відкриванню переходу база - колектор, зміщеному у зворотному напрямку. Власне в цьому полягає транзисторний ефект.
Залишається тільки розглянути, як впливає ця «невелика напруга», прикладена до бази, на струм колектора, які їх величини та співвідношення. Але про це розповідь у наступній частині статті про транзистори.