Приоритетным усилительным компонентом в электронике служит транзистор. Даже интегральные микросхемы состоят, в основном, из них. Этот полупроводниковый прибор имеет много разновидностей, классифицируется, в основном, на биполярные и полевые. Работа данных транзисторов рассмотрена в этой статье.
Основные типы транзисторов и их работа
Изготавливают транзисторы, в основном из кремния, реже германия. В материал полупроводника добавляют примеси других элементов — это называется легированием. Если в кремний добавляют небольшое количество фосфора или мышьяка, то образуется n-область, которая богата отрицательно заряженными носителями — электронами. При легировании кремния бором образуется p-область, имеющая положительный тип носителей заряда, их принято считать дырками.
Биполярные транзисторы
Для лучшего понимания работы транзистора, необходимо представить диод с одним p-n-переходом, имеющий 2 вывода:
- Анод — с p-области;
- Катод — с n-области.
При подаче на анод положительного, а на катод отрицательного напряжения некоторой величины происходит открытие диода. Поэтому, при «прозвонке» диода цифровым тестером, он показывает падение напряжения 0,3 – 0,6 В. А при смене полярности измерения n-p-переход запирается и диод не «звонится».
Биполярный транзистор имеет 2 одинаковые области — выводы коллектора и эмиттера, также противоположную им область — база, расположение слоёв последовательное. Отсюда и название — биполярный, имеющий 2 перехода. По сути, транзистор представляет собой 2 диода, включенных последовательно и разной полярностью (См. рис. выше). Структура переходов транзисторов бывает прямая n-p-n или обратная p-n-p.
Таким образом их проверяют «прозвонкой», один электрод подключают к базе, второй к коллектору, затем эмиттеру. Если на базу подан «+», при этом коллектор, также эмиттер «звонятся», но при смене полярности нет — это исправный прибор структуры n-p-n. Транзистор p-n-p имеет обратную полярность, на базе «—» при «прозвонке». Если какой-то переход не «звонится» в обе стороны или имеет слишком низкое сопротивление в обоих направлениях, то транзистор с любым из таких переходов, неисправен.
Принцип работы биполярного транзистора и смещение
Теперь рассмотрим работу транзистора, например, n-p-n (См. рис. ниже). При подаче на коллектор положительного напряжения через сопротивление нагрузки ток полупроводникового прибора будет ничтожно мал и он, практически, не учитывается. Это связано с тем, что переходы включены встречно-противоположно. Протеканию тока мешает p-область с дырками, положительно заряженными частицами. Нижний переход открыт, верхний — закрыт.
При подаче на вход базы небольшого напряжения, которое принято считать смещением, p-область получает свободные электроды (синяя стрелка). Это приводит к некоторому росту тока через коллектор (красная стрелка). Теперь, при подаче на вход базы переменного сигнала (зелёные стрелки), в цепи коллектора, через резистор Rнагрузки, будет протекать сигнал, одинаковый по форме с входным, но уже усиленный по мощности.
Полевые транзисторы
Отличием полевых транзисторов от биполярных является то, что основной канал образован не переходом, а полупроводником одного типа области (См. рис. ниже).
При этом напряжение смещения на затвор транзистора, для нормального режима работы, может быть положительным или нулевым. Есть обеднённые типы полевых транзисторов, требующие даже отрицательного смещения. Напряжение питания подаётся через нагрузку на сток и снимается с истока, а потенциал на затворе определяет проводимость канала. «Прозванивают» полевой транзистор, также, как и биполярный, затвор в этом случае служит аналогом базы.
ВНИМНИЕ: Сопротивление переходов затвора с каналом стока и истока очень высоко. Поэтому для полевого транзистора опасно наличие высокого потенциала на затворе. Он может быть образован статическим электричеством или незаземлённым жалом паяльника, работающего от сети. Для борьбы с этим явлением все выводы полевого транзистора замыкают, наматывая на них тонкую проволочку. Позже её удаляют, например, после монтажа прибора на печатную плату.
Это касается, в основном, старых типов полевых транзисторов, современные отдельные приборы, JFET-транзисторы с управляющим p-n-переходом, применяются крайне редко. А часто используемые МОП-транзисторы или MOSFET-транзисторы с изолированным затвором имеют диодную защиту от превышения входного напряжения на управляющем электроде.
Схемы включения транзисторов
Для усиления постоянного тока, напряжения, также сигналов с высокочастотной составляющей, применяют схемы, в которых один из электродов является общим для входа и выхода. Возможны 3 варианта включения транзистора в усилительную схему, при этом достигаются необходимые усилительные свойства (См. таблицу).
Применяются биполярные транзисторы, в основном, в аналоговых схемах. Полевые транзисторы используются больше в цифровых каскадах в составе интегральных микросхем.