Содержание https://dzen.ru/a/ahA_de--4g5ZAgyI
Транзистор, это электронный компонент, который позволяет управлять электрическим током подобно тому, как водопроводный кран управляет потоком воды. Вот только водопроводным краном управляет обычно непосредственно человек за счёт своего вмешательства в процесс его работы, а током через транзистор управляет либо другой ток (управляющий ток гораздо меньшей силы, чем управляемый), либо величина напряжения. Биполярные транзисторы управляются как раз силой тока, впрочем известно, что сила тока зависит от напряжения. Потом, когда изучим другие виды транзисторов, этот момент станет более понятный.
Исторически, биполярные транзисторы, это были первые полноценно работающие транзисторы (изобретены в январе 1948г). До них были только электронные лампы и реле, которые были слишком громоздки, хрупки, потребляли очень большие токи и были ненадёжны. В те времена очень широко использовалась такая электроника, которую сейчас называют АНАЛОГОВАЯ техника. Это сейчас, в ЦИФРОВОЙ электронике, основные функции у транзисторов сильно упростились - либо быть напрочь закрытым и иметь как можно большее сопротивление для протекающего через него тока, или быть напрочь открытым, то есть иметь как можно меньшее сопротивление для протекающего через него тока. Это так называемые КОММУТИРУЮЩИЕ функции транзистора – как у выключателя. Так вот, с такой функцией биполярные транзисторы тоже справляются, правда несколько хуже чем многие из современных транзисторов, но самое главное, применение биполярных транзисторов слишком сложно при производстве, когда на кристалле микросхемы необходимо разместить огромное количество транзисторов, например, на кристалле цифровой памяти. Вернее сложны не сами транзисторы, которые вырастить на кристалле даже проще, а сложны их управляющие цепи из резисторов, так как эти транзисторы фактически управляются не напряжением, а током, и этот ток нужно обеспечить каждому из них. У биполярных транзисторов есть и другие недостатки, но есть и достоинства. Иногда схемы на их основе получаются дешевле. Подробнее здесь https://russianelectronics.ru/files/53998/EK2010_11_74-75.pdf.
Биполярные транзисторы лучше работают в так называемом УСИЛИТЕЛЬНОМ режиме, когда транзистор может быть не только напрочь открытым, но и НЕМНОГО ПРИОТКРЫТЫМ. Если вернуться к водопроводным кранам, то можно увидеть, что краны тоже бывают и такими и такими. Для бытового применения, например, всё-таки лучше те краны, которые умеют быть и немного приоткрытыми, а не просто быть открытыми или закрытыми (как делают так называемые краны-задвижки).
Почему усилительный режим называется именно так? Потому, что в таком режиме транзистор может использоваться для усиления слабых сигналов, с целью получить усиленную копию входного (управляющего транзистором) сигнала. Например, в радиоэфире поймали очень слабый, еле слышный сигнал симфонического оркестра (сигнал при этом это изменяющийся электрический ток), усилили его (часто с помехами), и уже можно даже насладиться произведением. Итак, у биполярного транзистора на входе обычно слабенький сигнал в виде электрического тока, который меняет своё значение в соответствии с изменяющимся сигналом. На выходе электрический ток, который уже гораздо сильнее изменяется, но его изменения строго соответствуют изменениям входного сигнала. Таким образом, входной сигнал превращается в усиленный выходной. Ниже пример усилительного каскада на биполярном транзисторе, который я сделала в симуляции. На вход подала аудиосигнал из реального mp3-файла. Сделала так, чтобы от пика до пика напряжение этого сигнала менялось бы в пределах 50 милливольт (48,597 mV) – соответственно будет слабо меняться входной ток транзистора, а на выходе каскада сигнал уже усиленный примерно в 10 раз по амплитуде после преобразования его в изменяющееся напряжение (463,424 mV от пика до пика). Да, сигнал получился перевёрнутым (говорят, проинвертированным), но полностью повторяет изменения входного сигнала. Если нужно проинвертировать его, да и ещё больше усилить, поставьте ещё один такой каскад, и подайте выходной сигнал отсюда на вход второго каскада. На выходе будет сигнал без инверсии, усиленный ещё в 10 раз, то есть входной сигнал первого каскада, на выходе второго будет усилен примерно в 100 раз и по форме будет точно повторяться по отношению к изначальному сигналу (проинвертированный дважды). Каскадом такую схему называют потому, что обычно их так и включают в усилителях – друг за другом – как порой включают каскадом гидроэлектростанции на больших реках.
В статье “Полупроводники, диод.” https://dzen.ru/a/aePrU7jYw1GfEcXY я уже объяснила, что такое полупроводники p-типа (содержат так называемые дырки или некий недостаток электронов) и полупроводники n-типа (содержат некий избыток электронов в атомной решётке). Рассказала, как делают некий p-n-переход на границе этих материалов и рассказала как работает полупроводниковый диод. Так же в конце той статьи я давала ссылку на поясняющее видео https://dzen.ru/away?to=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2Fvideo%2Fpreview%2F6881468527039676026
Если пройти по этой ссылке, то на пятой минуте там объясняют работу биполярного транзистора. Причём ОЧЕНЬ хорошо объясняют.
Биполярный транзистор носит такое название потому, что в нём в полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос зарядов через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками.
Здесь довольно грубо представлена конструкциия биполярного транзистора в разрезе.
Биполярный транзистор образуют из трёх слоёв полупроводников различного типа. Один из двух вариантов n-p-n – это когда по краям полупроводники n-типа, а посередине очень тонкий слой слаболегированного примесями полупроводника p-типа. Средний слой намеренно делают очень тонким и он намеренно в этом случае содержит очень мало дырок! Такой транзистор называют биполярным транзистором n-p-n-типа. Второй из двух вариантов похожий, но там по краям полупроводники p-типа, а посередине между ними, очень тонкий слой слаболегированного полупроводника n-типа (там очень мало примесей, которые дают избыток электронов). В любом случае, делают напыление металла для электрического контакта с каждым из трёх полупроводников. Крайние полупроводники тоже неравнозначны друг другу. Один из них получил название КОЛЛЕКТОР (в переводе с английского тот, кто собирает). Другой называется ЭМИТТЕР (тот, кто излучает или является источником). Средний слой это БАЗА (основа – имеется видимо ввиду, что благодаря этой основе транзистор вообще способен работать). Коллектор от эмиттера отличаются степенью легирования. Эмиттер легируется сильнее. Коллектор так же это тот слой полупроводника, с которого начинают изготавливать транзистор – с этой точки зрения, именно коллектор являлся бы основанием для изготавливаемого транзистора. В мощных транзисторах, коллектор располагают на металлическом теплоотводе с возможностью для крепления на теплоотводящий радиатор. Чисто физически, именно коллектор имеет самый большой по площади p-n-переход с базой, чтобы лучше улавливать и собирать носители зарядов из базы. Самих p-n-переходов в транзисторе образуется два – один между коллектором и базой и второй между базой и эмиттером. На вопрос, можно ли получить транзистор, соединив между собой два диода либо катодами друг к другу, имитируя p-n-p-транзистор, либо анодами друг к другу, имитируя n-p-n- транзистор, ответ будет НЕТ! Не заработает! Всё дело в особенностях конструкции транзистора, о которых я упомянула выше, а простая связка диодов не обеспечит этих особенностей. И, вообще, первый транзистор довольно случайно получили, экспериментируя с наборами слоёв полупроводников различного типа. Вроде и не должен работать, а на удивление экспериментаторам заработал. Это потом уже стали изучать, почему он всё-таки заработал.
Давайте рассмотрим работу насколько более распространённого n-p-n-транзистора. P-n-p-транзисторы работают подобно, но там где у n-p-n электроны в качестве носителей заряда, у p-n-p-транзисторов будут дырки, и наоборот. P-n-p транзисторы как правило требуют противоположного по знаку напряжения питания каскада, а так как положительное напряжение питания более распространённое, более распространёнными являются и именно n-p-n-транзисторы. Хотя, тут всё зависит от способов построения каскадов на транзисторах.
Итак, как работает n-p-n-транзистор? Для того, чтобы транзистор открылся, необходимо чтобы между базой и эмиттером у него появилась такая разность потенциалов, за счёт которой возникнет ток между базой и эмиттером. На изображение транзистора на схемах наносят стрелку, которая подсказывает, как именно должен протекать ток между базой и эмиттером, чтобы транзистор начал открываться. Для n-p-n-транзистора, база должна быть более положительной чем эмиттер, и именно тогда потечёт ток в направлении стрелки. По лично моему опыту, транзистор начинает открываться при таком токе между базой и эмиттером, который возникнет при разности потенциалов примерно 0,2 V и напрочь откроется при токе, который возникнет при разности потенциалов примерно 0,7 V. В каком-либо промежуточном состоянии (например, при разности потенциалов 0,45 V) транзистор будет больше или меньше приоткрыт. Чем больше разность потенциалов, тем больше приоткрыт. Так же, обязательным условием открывания транзистора, является разность потенциалов между коллектором и эмиттером. У n-p-n-транзистора, коллектор должен быть более положительным чем эмиттер! В цепях протекания токов базы и коллектора, а иногда в цепи эмиттера, обязательно должны иметься резисторы, за счёт которых происходит ограничение силы тока, иначе через транзистор может потечь слишком большой ток, который просто выведет его из строя. Понятно, что существуют методы расчёта величин этих резисторов. Если собрать каскад из каких попало резисторов, он может или вообще не заработать, или вывести транзистор из строя. Восток де… ой нет, транзистор – дело тонкое!
Ну, итак, что же происходит в транзисторе, если возникнет ток база-эмиттер достаточной величины и при этом есть нужная разность потенциалов между коллектором и эмиттером? Поскольку в p-слое базы имеется небольшое количество дырок, то электроны, залетевшие сюда из области эмиттера, довольно быстро рекомбинируют (компенсируют) эти дырки и после этого становятся избыточными. Дырки базы при этом выполняют роль как бы приманки для электронов эмиттера. Электроны залетают в базу и… а куда это мы попали? Вакантные места-то уже все заняты! Нет, конечно, можно дальше уходить на электрод базы, но там настолько мизерно положительный потенциал относительно эмиттера, что гораздо интереснее уходить через полупроводник коллектора, пусть даже и вроде насыщенный электронами (n-типа, правда с более слабым легированием, чем в эмиттере) на гораздо более положительный вывод коллектора. И электроны уходят в основном через коллектор, вроде бы и против шерсти, но давайте разберёмся с этим. Еще в теме полупроводники, диод, ссылку на которую я давала вначале, я говорила, что в принципе, полупроводник насыщенный дырками или электронами (в данном случае электронами в области коллектора) уже становится хоть и не таким хорошим как металл, но проводником, и через него может идти электрический ток. А область базы, нашего транзистора, насыщенная электронами, попавшими сюда, пусть и обманным путём, так же становится проводником . И чем более она насыщенна этими электронами, тем соблазнительнее им уходить через коллектор на плюс питания. Таким образом, изменяя по величине маленький ток между эмиттером и базой, мы можем регулировать количество электронов, скопившихся в области базы и далее уходящих через область коллектора. Изменяя маленький ток база- эмиттер, мы можем регулировать БОЛЬШОЙ ток через коллектор. Надо только понимать, что мы не можем подать напряжение на базу больше чем 0,7 V относительно эмиттера, так же как и на анод открытого диода относительно катода. То есть существует предел отпирания транзистора. Говорят, что полностью открытый транзистор уходит в режим насыщения. Водопроводный кран тоже не может открыться больше чем до определённого предела. Так же , когда разность потенциалов между базой и эмиттером становиться менее 0,2 V, p-n-переход так же как и у обычного диода не пропускает какие-либо заряды, и говорят, что транзистор находится в режиме отсечки (полностью закрыт).
Когда биполярный транзистор находится в усилительном режиме, важно понимать, что разность потенциалов между базой и эмиттером должна не достигать своих предельных значений, иначе выходной сигнал может исказиться. Например, согласно изменения входного сигнала, транзистор должен получить несколько более большую разность потенциалов на переходе база эмиттер и, соответственно открыться ещё больше, чтобы увеличить ток коллектора, а он и так достиг режима насыщения, и открываться ещё больше ему некуда. В общем известное дело… не доводи до предела, ДО ПРЕДЕЛА НЕ ДОВОДИ! Для этого без сигнала в усилительном режиме на базе должна быть некая средняя разность потенциалов относительно эмиттера. Например, 4,5 V – это как раз середина рабочего диапазона. И сам сигнал не должен слишком колебаться в пике. Не более 0,5 V от пика до пика, иначе есть вероятность выйти за пределы допустимого диапазона, и усиленный сигнал исказится. Это кстати надо учитывать, подавая усиленный первым каскадом сигнал, на вход второго каскада.
Кроме усилительного режима, как я уже говорила, транзистор может работать в коммутационном режиме. Важно понимать, что меньше всего транзистор нагревается в таком режиме, когда он либо полностью открыт, или наоборот полностью закрыт, и больше нагревается в момент перехода из одного состояния в другое. Это получается потому, что когда транзистор полностью закрыт, и на нём падает максимальное напряжение, ток через него минимальный, а мощность, которая выделяется в виде тепла, равна P = I * U. В этом случае, чем ближе к нулю будет либо ток, либо напряжение, тем ближе к нулю будет и мощность. Это же условие выполняется и при максимальном отпирании транзистора - там хоть ток будет максимальным, зато падение напряжения на открытом транзисторе будет стремиться к нулю. В общем, чем быстрее и реже транзистор будет коммутироваться, тем меньше будет нагреваться. И это касается всех коммутирующих транзисторов! Не только биполярных! Вот почему при увеличении частоты работы компьютера, происходит больший нагрев того же микропроцессора. Там этих коммутирующих транзисторов миллионы!
Если понравилось, ставьте лайки, подписывайтесь! Мой email для связи anastasialoposova@yandex.ru