Несомненно, большая часть выпускников школ не понимает, как работает транзистор. Одна из причин - в учебниках он дан в странной модификации схемы с общей базой - малопонятной и наиболее редко применяющейся.
Так как же транзистор способен усиливать электрические сигналы? Нет ли тут противоречия с законом сохранения энергии? Мы пойдем против традиции и дадим транзистор в наиболее популярной схеме с общим эмиттером. Также, опять-таки против традиции, начнем с практического опыта и соберем такую схему. Строго соблюдайте указанные на схеме способ подключения транзистора и полярность источника питания!
Когда выключатель S1 разомкнут, то главная силовая цепь: плюс батареи - эмиттер транзистора - коллектор транзистора - лампочка Н2 - минус батареи тоже разомкнута, так как транзистор "закрыт". Для его открывания необходимо пропустить небольшой управляющий ток через его переход база-эмиттер. Замкнем выключатель. Из-за того, что в этой цепи включен резистор R1 с довольно большим сопротивлением, ток здесь будет очень мал - несколько тысячных долей ампера. Убедиться в этом поможет лампочка Н1 - у нее не будет заметно даже слабого красноватого свечения. Однако подача этого небольшого тока в базовой цепи откроет многократно больший ток в цепи коллектора. Лампа Н2 засветится практически в полный накал. Кстати, эту схему можно использовать для проверки транзисторов (естественно, только достаточно мощных, способных выдержать ток прожорливой лампочки).
Как видите, никакого нарушения закона сохранения энергии здесь не происходит. Транзистор, можно сказать, не усиливает исходный сигнал, а делает его увеличенную копию из той энергии, которую поставляет батарея питания.
А давайте применим эту схему для чего-нибудь более практического. Заменим цепь из выключателя, резистора и лампочки Н1 на фоторезистор. Эффект получится великолепный: если закрыть фоторезистор от света - лампочка погаснет. Но если осветить его солнечным светом или фонариком, то лампочка ярко зажжется. Помните, как мы последовательно включали фоторезистор со светодиодом? Тогда при его освещении мы видели только неяркое свечение светодиода. А тут усиление таково, что его уже хватает на яркое свечение прожорливой лампочки. Ну, как, впечатляет? Распространенные транзисторы имеют коэффициент усиления где-то от 20 до 1000. Наш - около 100.
Разберем работу транзистора на микроуровне. Для этого вам достаточно только знать, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Транзистор представляет собой трехслойную структуру с двумя p-n переходами между ними. Средний слой имеет избыток свободных электронов - носителей отрицательного заряда. Крайние слои - недостаток электронов, что можно расценивать, как избыток "дырок" - носителей положительного заряда. Легко сообразить, что переход база-эмиттер - открыт. Электрические поля от источника питания проталкивают заряды через переход. А вот переход база-коллектор - закрыт. Электроны в базе отталкиваются от коллектора отрицательным напряжением на нем. Вот если бы в базе оказалось много положительных дырок... Как бы их туда вытащить, например из эмиттера? Да очень просто - подав отрицательное напряжение на базу!
Тут у читателя, следившего за мыслью и понявшего эту "механику", может возникнуть вопрос: А почему это дырки из эмиттера пойдут в основном в силовую цепь коллектора, а не в ту же самую базу? Чтобы понять это, наш прежний примитивный рисунок не годится. Вот этот, более точно передающий устройство транзистора, будет получше. Дело в том, что базовая область - это всего лишь тончайшая прослойка между коллектором и эмиттером. Даже на первых громоздких и примитивных транзисторах она составляла всего несколько микрон. Естественно, что большинству дырок будет проще перескочить в коллекторную область, чем добираться до вывода базы.
Вот почему уже изобретенный транзистор было так непросто сделать. Даже просто изготовить несколько отдельных деталей, столь микроскопических, для технологий середины ХХ века было бы непросто. А тут надо сформировать отличающиеся своими физическими свойствами области в цельном неразъемном кристалле полупроводника. Перестарался - и области коллектора и эмиттера сомкнулись. Брак, транзистор негоден. Не довел их близко друг к другу - резко упало усиление.
Обратите также внимание, что область коллектора больше по размерам. Связано это с выделяющейся на ней тепловой мощностью. Она, как вы знаете, определяется произведением напряжения на силу тока. Ток в эмиттерной и коллекторной цепях почти одинаков - ведь они соединены последовательно. Правда, в цепи эмиттера добавляется еще управляющий ток базы, но он, как вы уже знаете, довольно мал. Если, скажем, транзистор имеет коэффициент усиления 60, то при коллекторном токе нагрузки в 120 миллиампер ток эмиттерной цепи будет примерно таким же - 122 миллиампера. А вот напряжение на переходах может здорово отличаться. Переход база-эмиттер, как сказано выше - открыт. Падение напряжения на нем довольно мало - не больше 1,5 В. А вот на коллекторном переходе может быть немалая доля напряжения питания схемы. Вот почему, особенно у мощных транзисторов, кристаллодержатель или корпус транзистора чаще соединен именно с коллектором - для наилучшего отвода тепла.
Рассмотренный нами прибор является транзистором p-n-p типа или, как еще говорят "прямой проводимости" (потому, что такие появились первыми). Но возможен и транзистор с обратным чередованием слоев - с n-p-n структурой или обратной проводимости.
Отличаться он будет тем, что все полярности его питающих и управляющих напряжений будут противоположными. Сейчас преимущественно применяются именно такие. Больше того, сейчас выпускают пары транзисторов разной структуры, но с одинаковыми параметрами. На них можно собирать простые схемы с отличными параметрами. К нашему транзистору, например, выпускают в пару прибор BD135. Вы можете все наши эксперименты проводить на нем, только лишь поменяв полярности батареи и всех полярных элементов схемы (диодов, электролитических конденсаторов).
Мы рассмотрели усиление транзистором постоянного тока. В заключительной статье о транзисторе мы соберем одну из главнейших схем во всей радиотехнике - усилитель переменных электрических сигналов.
