Работа биполярного транзистора.

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем разбираться с устройством и работой биполярного транзистора.
В предыдущей части мы узнали как устроен транзистор, в общих чертах рассмотрели технологии изготовления германиевых и кремниевых транзисторов и разобрались как они маркируются.

Сегодня мы проведем несколько опытов и убедимся, что биполярный транзистор действительно состоит из двух диодов, включенных встречно, и что транзистор является усилителем сигнала.

Нам понадобится маломощный германиевый транзистор структуры p-n-p из серии МП39 – МП42, лампа накаливания, рассчитанная на напряжение 2,5 Вольта и источник питания на 4 – 5 Вольт. Вообще, для начинающих радиолюбителей я рекомендую собрать небольшой регулируемый блок питания, с помощью которого Вы будете питать свои конструкции.

1. Транзистор состоит из двух диодов.

Чтобы убедиться в этом, соберем небольшую схему: базу транзистора VT1 соединим с минусом источника питания, а вывод коллектора с одним из выводов лампы накаливания EL. Теперь если второй вывод лампы соединить с плюсом источника питания, то лампочка загорится.

Лампочка загорелась потому, что на коллекторный переход транзистора мы подали прямое — пропускное напряжение, которое открыло коллекторный переход и через него потек прямой ток коллектора Iк. Величина этого тока зависит от сопротивления нити накала лампы и внутреннего сопротивления источника питания.

А теперь рассмотрим эту же схему, но транзистор изобразим в виде пластины полупроводника.

Основные носители заряда в базе электроны, преодолевая p-n переход, попадают в дырочную область коллектора и становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны базы поглощаются основными носителями в дырочной области коллектора дырками. Таким же образом дырки из области коллектора, попадая в электронную область базы, становятся неосновными и поглощаются основными носителями заряда в базе электронами.

На контакт базы, соединенный с отрицательным полюсом источника питания, будет поступать практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов из области базы. А контакт коллектора, соединенный с положительным полюсом источника питания через нить накала лампы, способен принять такое же количество электронов, благодаря чему будет восстанавливаться концентрация дырок в области базы.

Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через коллекторный переход будет течь ток коллектора Iк. И чем больший будет этот ток, тем ярче будет гореть лампа.

Лампочка будет гореть и в случае, если ее включить в цепь эмиттерного перехода. На рисунке ниже показан именно этот вариант схемы.

А теперь немного изменим схему и базу транзистора VT1 подключим к плюсу источника питания. В этом случае лампа гореть не будет, так как p-n переход транзистора мы включили в обратном направлении. А это значит, что сопротивление p-n перехода стало велико и через него течет лишь очень малый обратный ток коллектора Iкбо не способный раскалить нить накала лампы EL. В большинстве случаев этот ток не превышает нескольких микроампер.

А чтобы окончательно убедиться в этом, опять рассмотрим схему с транзистором, изображенным в виде пластины полупроводника.

Электроны, находящиеся в области базы, переместятся к плюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода. Дырки, находящиеся в области коллектора, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Но, так как в каждой из областей базы и коллектора присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через коллекторный переход будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и этого тока не будет хватать, чтобы зажечь нить накала лампы.

2. Работа транзистора в режиме переключения.

Сделаем еще один опыт, показывающий один из режимов работы транзистора.
Между коллектором и эмиттером транзистора включим последовательно соединенные источник питания и ту же лампу накаливания. Плюс источника питания соединим с эмиттером, а минус через нить накала лампы с коллектором. Лампа не горит. Почему?

Все очень просто: если приложить напряжение питания между эмиттером и коллектором, то при любой полярности один из переходов окажется в прямом, а другой в обратном направлении и будет мешать прохождению тока. В этом не трудно убедиться, если взглянуть на следующий рисунок.

На рисунке видно, что эмиттерный переход база-эмиттер включен в прямом направлении и находится в открытом состоянии и готов принять неограниченное количество электронов. Коллекторный переход база-коллектор, наоборот, включен в обратном направлении и препятствует прохождению электронов к базе.

Отсюда следует, что основные носители заряда в области эмиттера дырки, отталкиваемые плюсом источника питания, устремляются в область базы и там взаимопоглощаются (рекомбинируют) с основными носителями заряда в базе электронами. В момент насыщения, когда с той и с другой стороны свободных носителей заряда не останется, их движение прекратится, а значит, перестает течь ток. Почему? Потому что со стороны коллектора не будет подпитки электронами.

Получается, что основные носители заряда в коллекторе дырки притянулись отрицательным полюсом источника питания, а некоторые из них взаимно поглотились электронами, поступающими со стороны минуса источника питания. А в момент насыщения, когда с обеих сторон не останется свободных носителей заряда, дырки, за счет своего преобладания в области коллектора, заблокируют дальнейший проход электронам к базе.

Таким-образом между коллектором и базой образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Конечно, благодаря магнитному полю и тепловому воздействию мизерный ток все же протекать будет, но сила этого тока так мала, что не способна раскалить нить накала лампы.

Теперь в схему добавим проволочную перемычку и ей замкнем базу с эмиттером. Лампочка, включенная в коллекторную цепь транзистора, опять не будет гореть. Почему?

Потому что при замыкании базы и эмиттера перемычкой коллекторный переход становится просто диодом, на который подается обратное напряжение. Транзистор находится в закрытом состоянии и через него идет лишь незначительный обратный ток коллектора Iкбо.

А теперь схему еще немного изменим и добавим резистор Rб сопротивлением 200 – 300 Ом, и еще один источник напряжения Gб в виде пальчиковой батарейки.
Минус батарейки соедините через резистор Rб с базой транзистора, а плюс батарейки с эмиттером. Лампа загорелась.

Лампа загорелась потому, что мы подключили батарейку между базой и эмиттером, и тем самым подали на эмиттерный переход прямое отпирающее напряжение. Эмиттерный переход открылся и через него пошел прямой ток, который открыл коллекторный переход транзистора. Транзистор открылся и по цепи эмиттер-база-коллектор потек коллекторный ток Iк, во много раз больший тока цепи эмиттер-база. И благодаря этому току лампочка загорелась.

Если же мы поменяем полярность батарейки и на базу подадим плюс, то эмиттерный переход закроется, а вместе с ним закроется и коллекторный переход. Через транзистор потечет обратный коллекторный ток Iкбо и лампочка потухнет.

Резистор Rб ограничивает ток в базовой цепи. Если ток не ограничивать и на базу подать все 1,5 вольта, то через эмиттерный переход потечет слишком большой ток, в результате которого может произойти тепловой пробой перехода и транзистор выйдет из строя. Как правило, для германиевых транзисторов отпирающее напряжение составляет не более 0,2 вольта, а для кремниевых не более 0,7 вольта.

И опять разберем эту же схему, но транзистор представим в виде пластины полупроводника.

При подаче отпирающего напряжения на базу транзистора открывается эмиттерный переход и свободные дырки из эмиттера начинают взаимопоглощаться с электронами базы, создавая небольшой прямой базовый ток Iб.

Но не все дырки, вводимые из эмиттера в базу, рекомбинируют с ее электронами. Как правило, область базы делается тонкой, а при изготовлении транзисторов структуры p-n-p концентрацию дырок в эмиттере и коллекторе делают во много раз большей, чем концентрацию электронов в базе, поэтому лишь малая часть дырок поглощается электронами базы.

Основная же масса дырок эмиттера проходит базу и попадает под действие более высокого отрицательного напряжения действующего в коллекторе, и уже вместе с дырками коллектора перемещается к его отрицательному контакту, где и взаимопоглощается вводимыми электронами отрицательным полюсом источника питания GB.

В результате этого сопротивление коллекторной цепи эмиттер-база-коллектор уменьшится и в ней течет прямой коллекторный ток Iк во много раз превышающий базовый ток Iб цепи эмиттер-база.

Чем больше отпирающее напряжение на базе, тем больше дырок вводится из эмиттера в базу, тем значительнее ток в коллекторной цепи. И, наоборот, чем меньше отпирающее напряжение на базе, тем меньший ток в коллекторной цепи.

Если в момент работы транзистора в базовую и коллекторную цепи включить миллиамперметр, то при закрытом транзисторе токов в этих цепях практически не было бы.

При открытом же транзисторе ток базы Iб составлял бы 2-3 mA, а ток коллектора Iк был бы около 60 – 80 mA. Все это говорит о том, что транзистор может быть усилителем тока.

В этих опытах транзистор находился в одном из двух состояний: открытом или закрытом. Переключение транзистора из одного состояния в другое происходило под действием отпирающего напряжения на базе Uб. Такой режим транзистора называют режимом переключения или ключевым. Такой режим работы транзистора используют в приборах и устройствах автоматики.

На этом закончим, а в следующей части разберем работу транзистора в режиме усиления на примере простого усилителя звуковой частоты, собранного на одном транзисторе.
Удачи!

Литература:

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Е. Айсберг — Транзистор?.. Это очень просто! 1964г.