Полупроводники. Транзистор

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель“

На этом занятии Школы начинающего радиолюбителя мы продолжим изучение полупроводников. На прошлом занятии мы рассматривали диоды, а на этом занятии рассмотрим  более сложный полупроводниковый элемент – транзисторы.

Транзистор является более сложной полупроводниковой структурой, чем диод. Он состоит из трех слоев кремния (бывают еще и германиевые транзисторы) с разной проводимостью. Это могут быть структуры типа n-p-n или p-n-p. Функционирование транзисторов, также как и диодов, основывается на свойствах p-n переходов.

Центральный, или средний слой, называют базой (Б), а два других соответственно – эмиттер (Э) и коллектор (К).  Следует отметить, что существенной разницы между двумя типами транзисторов нет, и многие схемы могут быть собраны с тем или другим типом, при соблюдении соответствующей полярности источника питания. На рисунке ниже приведено схемное изображение транзисторов, транзистор p-n-p отличается от транзистора n-p-n направлением стрелки эмиттера:

Выделяют два основных типа транзисторов: биполярные и униполярные, которые различаются по конструктивным особенностям. В рамках каждого типа существует много разновидностей. Главное различие этих двух типов транзисторов заключается в том, что управление процессами, происходящими в ходе работы прибора, в биполярном транзисторе осуществляется входным током, а в униполярном транзисторе – входным напряжением.

Биполярные транзисторы, как уже говорилось выше, представляют собой слоенный пирог из трех слоев. В упрощенном виде транзистор можно представить как два встречно включенных диодов:

(при этом, следует отметить, что переход база – эмиттер представляет собой обычный стабилитрон, напряжение стабилизации которого 7…10 вольт). Исправность транзистора можно проверить также как и исправность диода, обычным омметром, измеряя сопротивление между его выводами. Переходы, аналогичные имеющимся в диоде, существуют в транзисторе между базой и коллектором, а также между базой и эмиттером. На практике такой способ для проверки транзисторов используется очень часто. Если омметр подключить между коллекторным и эмиттерным выводами, прибор покажет разрыв цепи (при исправном транзисторе), что естественно так как диоды включены встречно. А это означает, что при любой полярности приложенного напряжения один из диодов включен в прямом направлении, а второй в обратном, поэтому ток проходить не будет.

Объединение двух пар переходов приводит к проявлению чрезвычайно интересного свойства, именуемого транзисторным эффектом. Если к транзистору между коллектором и эмиттером приложить напряжение, тока практически не будет (о чем и говорилось чуть выше). Если же произвести подключение в соответствии со схемой (как на рисунке ниже), где на базу через ограничивающее сопротивление (чтобы не повредить транзистор) подается напряжение, то через коллектор будет проходить ток более сильный чем ток базы. При повышении тока базы ток коллектора тоже будет увеличиваться.

С помощью измерительного прибора можно определить соотношение токов базы, коллектора и эмиттера. Это можно проверить простым способом. Если сохранить напряжение питания, к примеру на уровне 4,5 В, изменив значение сопротивления в цепи базы с R до R/2, ток базы удвоится, пропорционально увеличится и ток коллектора, к примеру:

U=4,5 В; сопротивление =R	U=4,5 В; сопротивление =R/2
Iб=1 мА	Iб=2 мА
Iэ=100 мА	Iэ=200 мА
Iк=99 мА	Iк=198 мА

Следовательно, при любом напряжение на сопротивление R, ток коллектора будет в 99 раз больше тока базы, то есть транзистор имеет коэффициент усиления по току равный 99. Другими словами, транзистор усиливает ток базы в 99 раз. Этот коэффициент обозначают буквой ?. Коэффициент усиления равен отношению тока коллектора к току базы:

? = Iк/Iб

На базу транзистора можно подать и переменное напряжение. Но, необходимо, чтобы транзистор работал в линейном режиме. Для нормального функционирования в линейном режиме транзистору следует подать на базу постоянное напряжение смещения и подвести переменное напряжение, которое он будет усиливать. Таким образом транзисторы усиливают слабые напряжения, поступающие к примеру с микрофона, до уровня, который способен привести в действие громкоговоритель. Если коэффициент усиления не достаточен, можно использовать несколько транзисторов или их последовательных каскадов. Чтобы при соединении каскадов не нарушать режимов работы каждого из них по постоянному току ( при которых обеспечивается линейность), используют разделительные конденсаторы. Биполярные транзисторы обладают электрическими характеристиками, обеспечивающими им определенные преимущества по сравнению с другими усилительными компонентами.

Как мы уже знаем, существуют еще (кроме биполярных) и униполярные транзисторы. Коротко рассмотрим два их них – полевые и однопереходные транзисторы. Как и биполярные они бывают двух типов и имеют по три вывода:

Электродами полевых транзисторов являются: затвор – З, сток – С, соответствующий коллектору и исток – И, отождествляемый с эмиттером. Полевые транзисторы с n- и p- каналом различаются по направлению стрелки затвора. Однопереходные транзисторы, которые иногда называют двухбазовыми диодами, в основном используются в схемах генераторов импульсных периодических сигналов.

Имеется три фундаментальных схемы включения транзисторов в усилительном каскаде:

? с общим эмиттером (а)

? с общим коллектором (б)

? с общей базой (в)

Биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, в зависимости от выходного сопротивления источника питания R1 и сопротивления нагрузки Rн усиливает входной сигнал и по напряжению, и по току. Коэффициент усиления биполярного транзистора обозначается как h21э (читается: аш-два-один-э, где э – схема с общим эмиттером), и у каждого транзистора он разный. Величина коэффициента h21э (его полное название – статический коэффициент передачи тока базы h21э) зависит только от толщины базы транзистора (ее изменить нельзя) и от напряжения между коллектором и эмиттером, поэтому при небольшом напряжении (менее 20 В) его коэффициент передачи тока при любом токе коллектора практически неизменен и незначительно увеличивается при увеличении напряжения на коллекторе.

Коэффициент усиления по току – Кус.i и коэффициент усиления по напряжению – Кус.u биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, зависит от отношения сопротивления нагрузки (на схеме обозначено как Rн) и источника сигнала (на схеме обозначено как R1). Если сопротивление источника сигнала в h21э раза меньше сопротивления нагрузки, то коэффициент усиления по напряжению чуть меньше единицы (0,95…0,99), а коэффициент усиления по току равен h21э. Когда сопротивление источника сигнала более чем в h21э раза меньше сопротивления нагрузки, то коэффициент усиления по току остается неизменным (равным h21э), а коэффициент усиления по напряжению уменьшается. Если же, наоборот, входное сопротивление уменьшить, то коэффициент усиления по напряжению становится больше единицы, а коэффициент усиления по току, при ограничении протекающего через переход база-эмиттер транзистора тока, не изменяется. Схема с общим эмиттером – единственная схема включения биполярного транзистора, которая требует ограничения входного (управляющего) тока. Можно сделать несколько выводов: – базовый ток транзистора нужно ограничивать, иначе сгорит или транзистор, или управляющая им схема; – с помощью транзистора, включенного по схеме ОЭ, очень легко управлять высоковольтной нагрузкой низковольтным источником сигнала. Через базовый, а следовательно и коллекторный переходы протекает значительный ток при напряжении база-эмиттер всего 0,8…1,5 В. Если амплитуда (напряжение) больше этого значения – нужно поставить между базой транзистора и выходом управляющей схемы токоограничивающий резистор (R1). Рассчитать его сопротивление можно по формулам:

Ir1=Irн/h21э            R1=Uупр/Ir1    где:

Irн – ток через нагрузку, А; Uупр – напряжение источника сигнала, В; R1 – сопротивление резистора, Ом.

Еще одна особенность схемы с ОЭ – падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора можно практически уменьшить до нуля. Но для этого надо значительно увеличивать базовый ток, что не очень выгодно. Поэтому такой режим работы транзисторов используют только в импульсных, цифровых схемах.

Транзистор, работающий в схеме усилителя аналогового сигнала, должен обеспечивать примерно одинаковое усиление сигналов с разной амплитудой относительно некоторого “среднего” напряжения. Для этого его нужно немножко “приоткрыть”, постаравшись не “переборщить”. Как видно из рисунка ниже (левый):

ток коллектора и падение напряжения на транзисторе при плавном увеличении тока базы вначале изменяются почти линейно, и лишь потом, с наступлением насыщения транзистора, прижимаются к осям графика. Нас интересуют только прямые части линий (до насыщения) – очевидно, что они символизируют линейное усиление сигнала, то есть, при изменении управляющего тока в несколько раз во столько же раз изменится и ток коллектора (напряжение в нагрузке).

Форма аналогового сигнала показана на рисунке выше (справа). Как видно из графика, амплитуда сигнала постоянно пульсирует относительно некоего среднего напряжения Uср, причем она может как увеличиваться, так и уменьшаться. Но биполярный транзистор реагирует только на увеличение входного напряжения (вернее тока). Вывод: нужно сделать так, чтобы транзистор даже при минимальной амплитуде входного сигнала был немножко приоткрыт. При средней амплитуде Uср он откроется чуть сильнее, а при максимальной Umax откроется максимально. Но при этом он не должен входить в режим насыщения (см.рис. выше) – в этом режиме выходной ток перестает линейно зависеть от входного, в следствии чего происходит сильное искажение сигнала.

Обратимся снова к форме аналогового сигнала. Так как и максимальная и минимальная амплитуды входного сигнала относительно средней примерно одинаковы по величине (и противоположны по знаку), то нам нужно подать на базу транзистора такой постоянный ток (ток смещения – Iсм), чтобы при “среднем” напряжении на входе транзистор был открыт ровно наполовину. Тогда при уменьшении входного тока транзистор будет закрываться и ток коллектора будет уменьшатся, а при увеличении входного тока он будет открываться еще сильнее.

---

---