Транзисторы обеспечивают усиление мощности, необходимое для большинства электронных приложений. Они также могут обеспечивать усиление напряжения и тока. Существует несколько важных типов транзисторов. Один из популярных типов — это биполярный транзистор (bipolar junction transistor, BJT). Также широко используются полевые транзисторы (field-effect transistors, FET). Оба типа рассматриваются здесь.
Биполярные транзисторы похожи на диоды с p-n переходом, но в них добавлен еще один переход. На рисунке 5-3 показан один из способов создания транзистора. Область полупроводника p-типа расположена между двумя областями n-типа. Полярность этих областей определяется валентностью материалов, используемых в процессе легирования.
Области транзистора, показанные на рис. 5-3, называются эмиттером, коллектором и базой. Эмиттер очень богат носителями заряда. Его задача — отправлять свои носители в область базы, а затем в коллектор. Коллектор собирает носители. Эмиттер испускает носители. База выступает в роли управляющей области. База может пропускать ни одного, часть или большинство носителей, протекающих от эмиттера к коллектору.
Транзистор на рис. 5-3 является биполярным, поскольку как дырки (+), так и электроны (−) участвуют в протекании тока через устройство. N-тип области содержит свободные электроны, которые являются отрицательными носителями. P-тип области содержит свободные дырки, которые являются положительными носителями. Присутствуют два (би) типа полярности носителей. Обратите внимание, что в транзисторе также имеются два p-n перехода. Это BJT (биполярный транзистор).
Транзистор, показанный на рис. 5-3, классифицируется как NPN-транзистор. Другой способ создания биполярного транзистора заключается в том, чтобы сделать эмиттер и коллектор из материала p-типа, а базу — из материала n-типа. Этот тип будет классифицироваться как PNP-транзистор. На рисунке 5-4 показаны обе возможности и условные обозначения для каждого типа. Вам следует запомнить эти символы. Помните, что вывод эмиттера всегда помечен стрелкой. Также помните, что если стрелка не указывает внутрь (Not Pointing iN) , то это NPN-транзистор.
Два p-n перехода транзистора должны быть правильно смещены. Именно поэтому нельзя заменить NPN-транзистор на PNP-транзистор. Полярности будут неправильными. Смещение транзистора показано на рис. 5-5. Для правильной работы переход база-коллектор должен быть смещен в обратном направлении. В NPN-транзисторе коллектор должен быть положительным относительно базы. В PNP-транзисторе коллектор должен быть отрицательным относительно базы. PNP и NPN транзисторы не являются взаимозаменяемыми.
Переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении для включения транзистора, как показано на рис. 5-5. Это делает сопротивление перехода база-эмиттер очень низким по сравнению с сопротивлением перехода база-коллектор. Прямосмещенный полупроводниковый переход имеет низкое сопротивление. Обратносмещенный переход имеет высокое сопротивление. На рис. 5-6 сравниваются сопротивления двух переходов.
Большая разница в сопротивлениях переходов делает транзистор способным усиливать мощность. Предположим, что ток протекает через два сопротивления, показанные на рис. 5-6.
Мощность может быть рассчитана с использованием формулы:
Коэффициент усиления мощности от Rbe (сопротивление база-эмиттер) до Rcb (сопротивление коллектор-база) можно определить, вычислив мощность в каждом из них и разделив эти значения:
Если ток через Rcb окажется равным току через Rbe, то I сократится, и коэффициент усиления мощности будет:
Токи в транзисторах не равны, но они очень близки. Типичное значение RCB может составлять 10 кОм. Оно велико, поскольку переход коллектор-база смещен в обратном направлении. Типичное значение RBE может быть около 100 Ом. Оно мало, потому что переход база-эмиттер смещен в прямом направлении. Коэффициент усиления мощности для такого типичного транзистора будет:
Примечание: Единицы измерения (Ом) сокращаются, и коэффициент усиления является безразмерной величиной.
Возможно, самая большая загадка заключается в том, почему ток через обратносмещенный переход оказывается таким же большим, как ток через прямосмещенный переход. Теория диодов говорит нам ожидать почти полного отсутствия тока через обратносмещенный переход. Это верно для диода, но не верно для коллектор-базового перехода в транзисторе.
На рисунке 5-7 показано, почему ток через коллектор-базовый переход оказывается высоким. Напряжение VCB создает обратное смещение на коллектор-базовом переходе. Напряжение VBE создает прямое смещение на база-эмиттерном переходе. Если бы транзистор представлял собой просто два диодных перехода, результаты были бы следующими:
- IB (ток базы) и IE (ток эмиттера) были бы высокими.
- IC (ток коллектора) был бы равен нулю.
Базовая область транзистора очень узкая (примерно 0,0025 см или 0,001 дюйма). Базовая область слабо легирована и содержит лишь небольшое количество свободных дырок. Вероятность того, что электрон, пришедший из эмиттера, найдет в базе дырку, с которой он мог бы рекомбинировать, крайне мала. Из-за малого числа электронно-дырочных рекомбинаций в базовой области ток базы оказывается очень маленьким. Коллектор является областью N-типа, но благодаря VCB он заряжен положительно. Поскольку базовая область настолько узкая, положительное поле коллектора оказывается достаточно сильным, и подавляющее большинство электронов, инжектированных эмиттером, притягивается к коллектору, минуя базу.
Большинство электронов, поступающих из эмиттера, притягиваются и собираются коллектором. Таким образом:
- IE (ток эмиттера) и IC (ток коллектора) высоки.
- IB (ток базы) низкий.
Ток эмиттера на рисунке 5-7 является наибольшим током в цепи. Ток коллектора немного меньше. Как правило, около 99 процентов носителей заряда из эмиттера переходят к коллектору. Около 1 процента носителей заряда из эмиттера рекомбинируют с носителями в базе и становятся током базы. Уравнение тока для рисунка 5-7 выглядит так:
IE=IC+IB
Используя типичные процентные значения, это можно записать как:
100%=99%+1%
Ток базы довольно мал, но очень важен. Предположим, например, что вывод базы транзистора на рисунке 5-7 разомкнут. Когда вывод разомкнут, базовый ток отсутствует. Два напряжения VCB и VBE будут складываться последовательно, чтобы сделать коллектор положительным относительно эмиттера. Можно предположить, что ток продолжит течь от эмиттера к коллектору, но это не так. При отсутствии базового тока не будет ни тока эмиттера, ни тока коллектора. Переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении, чтобы эмиттер мог испускать электроны. Разрыв цепи базы устраняет это прямое смещение. Если эмиттер не испускает электроны, коллектору нечего собирать. Хотя ток базы очень мал, он должен присутствовать, чтобы транзистор проводил ток от эмиттера к коллектору.
Тот факт, что низкий ток базы управляет гораздо более высокими токами в эмиттере и коллекторе, очень важен. Это показывает, каким образом транзистор обеспечивает хорошее усиление по току. Часто указывается коэффициент усиления тока от вывода базы к выводу коллектора. Это одна из самых важных характеристик транзистора. Эта характеристика называется β (греческая буква бета) или hFE:
Каков β типичного транзистора? Если ток базы составляет 1 процент, а ток коллектора — 99 процентов, то:
Обратите внимание, что символ процента сокращается, поскольку он присутствует как в числителе, так и в знаменателе. То же самое происходит, если используются реальные значения тока. Единицы измерения тока сокращаются, оставляя β безразмерной величиной.
Не забывайте учитывать префиксы, такие как милли- и микро-, при использовании формулы для β. Например, если транзистор имеет ток коллектора 5 мА и ток базы 25 мкА, его β можно найти следующим образом:
Единицы измерения ампер сокращаются, и β является безразмерной величиной. Иногда значение β известно, и его необходимо использовать для нахождения либо тока базы, либо тока коллектора. Если транзистор имеет β=150 и ток коллектора IC=10мА, какой ток протекает через базу? Преобразуем формулу для β и решим её относительно IB:
В качестве другого примера найдём ток коллектора в транзисторной схеме с β=40 и током базы IB=85мА:
IC=β×IB=40×85мА=3.4А.
Иногда ток необходимо рассчитать до того, как можно будет определить коэффициент усиления по току. Не забывайте, что ток эмиттера равен сумме токов коллектора и базы:
IE=IC+IB.
Значение β у реальных транзисторов может сильно варьироваться. Некоторые силовые транзисторы могут иметь β всего 20, тогда как малосигнальные транзисторы могут обладать β, достигающим 400. Если вам нужно выбрать значение β, для маломощных транзисторов можно использовать β=150, а для силовых — β=50.
Значение β также может различаться у транзисторов с одним и тем же номером модели. Например, транзистор 2N2222 является зарегистрированным типом. Один из производителей этого устройства указывает типичный диапазон β от 100 до 300. Таким образом, если проверить β у трех, казалось бы, идентичных транзисторов 2N2222, можно получить значения 108, 167 и 256.
Очень маловероятно, что их значения будут одинаковыми (особенно если транзисторы произведены разными изготовителями или даже в разных партиях одного и того же производителя).
Значение β важно, но непредсказуемо. К счастью, существуют способы использования транзисторов, при которых фактическое значение β становится менее значимым по сравнению с другими, более предсказуемыми характеристиками схемы. Это станет ясно в следующей главе. Пока сосредоточьтесь на том, что коэффициент усиления тока от базы к коллектору обычно высок. Также помните, что ток базы мал и управляет током коллектора.
На рисунке 5-8 показано, что происходит в PNP-транзисторе. Снова переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении для того, чтобы транзистор был включён. Обратите внимание, что полярность VBE противоположна тому, что показано на рисунке 5-7. Переход коллектор-база PNP-транзистора должен быть смещён в обратном направлении. Также обратите внимание, что полярность VCB также изменена. Именно поэтому PNP- и NPN-транзисторы не являются взаимозаменяемыми. Если один заменить другим, оба перехода — коллектор-база и база-эмиттер — будут смещены неправильно.
На рисунке 5-8 показан поток от эмиттера к коллектору как поток дырочной проводимости. В NPN-транзисторе это поток электронов. Обе структуры транзисторов работают практически одинаково. Эмиттер очень богат носителями заряда. База узкая и содержит лишь небольшое количество носителей. Коллектор заряжается внешним источником смещения и притягивает носители, исходящие из эмиттера. Главное различие между PNP и NPN-транзисторами заключается в полярности.
NPN-транзисторы используются чаще, чем PNP-транзисторы. Электроны обладают большей подвижностью, чем дырки; то есть они могут быстрее перемещаться через кристаллическую структуру. Это даёт преимущество NPN-транзисторам в высокочастотных цепях, где процессы должны происходить быстро. Производители транзисторов выпускают больше типов NPN-транзисторов, что упрощает выбор конкретных характеристик для разработчиков схем из группы NPN. Наконец, часто удобнее использовать NPN-устройства в системах с отрицательным заземлением. Системы с отрицательным заземлением более распространены, чем системы с положительным заземлением.
Вы встретите оба типа транзисторов в использовании. Многие электронные системы используют как PNP-, так и NPN-транзисторы в одной и той же схеме. Наличие обеих полярностей очень удобно. Это добавляет гибкости при проектировании схем.