Транзистор – усилитель. Часть 1: повторение пройденного.

1. Полупроводник – диод – транзистор

Транзистор – это полупроводниковый РАДИОэлектронный прибор. В историю изобретения вдаваться не буду, она изложена ранее.
К полупроводникам относят вещества, не слишком хорошо проводящие ток, но и далеко не диэлектрики. Следовательно, занимающие некое промежуточное положение, поэтому и «ПОЛУпроводники». С таким же успехом их можно было назвать «ПОЛУдиэлектрикакми», но прижилось первое название. К полупроводникам относятся как чистые химические элементы:

так и их соединения. Для полупроводников характерна довольно сильная зависимость сопротивления (проводимости) от внешних факторов: температуры, освещённости, давления, электромагнитного поля.

Принято считать, что в полупроводниках существует ДВА вида свободных носителей электрического заряда: электроны и дырки. Электроны – это реально существующие отрицательно заряженные частицы. Дырки – воображаемые, виртуальные положительно заряженные частицы, придуманные для того, чтобы проще было представить протекание тока в полупроводниках. Под действием электрического поля электроны и дырки начинают двигаться упорядоченно (в противоположных направлениях) – в полупроводнике возникает электрический ток.


Замечание. Исторически сложилось так, что за направление электрического тока в цепи принимают направление движения ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ носителей заряда, т.е. от «+» к «-». Даже если этих носителей нет и в помине, как, например, в металлах. Понятно, что ничего не изменится, если за направление тока брать направление движения свободных электронов, тем более, что провода и печатные проводники на платах – металлические!

В чистых полупроводниках количество электронов и дырок в единице объёма (концентрация) примерно одинаково и не слишком велико. Для увеличения проводимости применяют примеси. Донорные – для увеличения количества свободных электронов. Получается полупроводник N-типа (от слова Negative – отрицательный). Акцепторные –  для увеличения количества свободных дырок. Получается полупроводник Р-типа (от слова Positive – положительный).

Сам по себе полупроводник никакими замечательными свойствами, кроме перечисленных выше, не обладает и может служить датчиком температуры, освещённости, давления, электромагнитного поля. Но если соединить ДВА полупроводника Р- и N-типа, то между ними возникнет так называемый электронно-дырочный или (коротко) PN-переход, который по отношению к току ведёт себя, на первый взгляд, несколько странно: в одну сторону – пропускает ток, в другую – не пропускает! Говорят, что PN-переход обладает ОДНОСТОРОННЕЙ проводимостью. Это свойство PN-перехода широко эксплуатируется в целом семействе полупроводниковых приборов – в ДИОДАХ.


Если же «сложить» ТРИ полупроводника P-N-P или N-P-N, то получим биполярный ТРАНЗИСТОР. БИполярный – потому что в нём «работают» носители ДВУХ типов: электроны и дырки. Такой транзистор имеет ДВА PN-перехода:


Замечание. Само собой, существуют также УНИполярные транзисторы, но они здесь не рассматриваются.

ДАЛЕЕ ВЕЗДЕ транзистором я буду называть именно БИПОЛЯРНЫЙ. Для краткости.


Транзисторы с чередованием P-N-P – принято называть транзисторами ПРЯМОЙ проводимости. Именно такие на основе Ge (германия) широко выпускались отечественной промышленностью с середины прошлого века.


Транзисторы с чередованием полупроводников N-P-N называются, соответственно, транзисторами ОБРАТНОЙ проводимости. Зарубежная радиоэлектронная промышленность с середины прошлого века сделала акцент на производство именно таких транзисторов на основе Si (кремния). Во второй половине ХХ века они стали выпускаться и в СССР.


Кстати, германиевые транзисторы могут быть обратной проводимости и кремниевые – прямой. В настоящее время практически все транзисторы – кремниевые.

Ge: P-N-P МП40 и N-P-N МП36; Si: P-N-P КТ361 и N-P-N КТ315

От каждого слоя полупроводника сделан вывод, поэтому транзистор имеет три «ноги», которые называются: Эмиттер (Emitter), База (Base) и Коллектор (Collector). На схематичной картинке (Рис. 3) База – «в центре». Но реальные транзисторы не так симметричны по структуре, как показано на этом рисунке. Далее мы увидим, что именно несимметричность даёт возможность транзистору усиливать электрические сигналы.
Вот пример строения так называемого планарного (технология изготовления) транзистора, где отчётливо видна несимметричность слоёв:

В область Эмиттера внесено большое количество донорной примеси, в область Базы – умеренное количество акцепторной примеси, в область Коллектора –  незначительное количество донорной примеси.

Замечание. Некоторые транзисторы имею два вывода, некоторые – четыре. Но это особенности конструкции корпуса. Видов корпусов транзисторов довольно много, каждый имеет своё особое кодовое наименование, например:


В одном корпусе могут быть объединены несколько транзисторов – получается транзисторная сборка, которая имеет количество выводов гораздо больше трёх.

2. Слабый ток – сильный ток: как это возможно?
Представим транзистор как некий ящик. В электрической цепи через него одновременно протекают ДВА тока: маленький и большой, сливаясь воедино


Понятно, что токи не берутся ниоткуда. Чтобы потёк ток, т.е. началось упорядоченное движение электронов и дырок, надо создать разность потенциалов. Для этого нужен источник – тока, напряжения, электроэнергии – называют его по-разному, но суть от этого не меняется. Правильно он называется «источник ЭДС» – электродвижущей силы, но это опять же дань истории.

Рассмотрим модель N-P-N транзистора.

Пусть источник UКЭ будет подключен между коллектором и эмиттером. Под его действием, электроны из верхней N-области начнут притягиваться к «+» и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора и тонкая прослойка полупроводника базы.


Замечание. База в данной ситуации база находится в «подвешенном» состоянии, что весьма чревато. Если напряжение UКЭ превысит некоторый предел, то произойдёт «пробой» транзистора – резкое лавинообразное увеличение тока IКЭ. Транзистор будет выведен из строя окончательно и бесповоротно. Поэтому каждый тип транзисторов характеризуется максимальным UКЭ, превышать которое КАТЕГОРИЧЕСКИ не рекомендуется.

Далее добавим ещё один источник UБЭ между базой и эмиттером, ЭДС которого значительно ниже, чем UКЭ (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое UБЭ примерно 0,6-0,7 В). Поскольку прослойка P довольно тонкая, «+» источника напряжения, подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободных дырок, потому что их концентрация в области базы гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.
В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там потенциал значительно выше. Этому также способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть и небольшая, будет перемещаться в сторону «+» базы.

В итоге получаем два тока: небольшой — от базы к эмиттеру IБЭ (коротко буду называть далее IБ) – ток базы, и большой — от коллектора к эмиттеру IКЭ (коротко буду называть далее IК) – ток коллектора.

Замечание. Для открывания германиевого транзистора UБЭ » 0,3В.

Если увеличить напряжение на базе, то количество электронов в области P возрастёт. В результате IБ немного увеличится, и, одновременно, значительно возрастёт IК.
Окончательный вывод: при небольшом изменении тока базы IБ сильно меняется ток коллектора IК.
Отношение тока коллектора IК к току базы IБ называется коэффициентом усиления по току. Он обозначается β, h21e или hfe, в зависимости от специфики расчетов:
β = IК / IБ
Здесь и далее β, hfe или h21e будем считать равными.

Повторяю: чтобы между эмиттером и коллектором потёк большой ток, нужно, чтобы небольшой ток потёк между эмиттером и базой. Причём, соотношение данных токов для транзистора есть величина постоянная и называется (упрощаю) коэффициентом усиления β.

©SEkorp 02_Jun_2020

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 или на РАДИОзвук