9.3. ТРАНЗИСТОРЫ. УСИЛИТЕЛИ ЭЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Наиболее известным и важным полупроводниковым прибором является транзистор. Транзистор представляет собой трехслойный полупроводник с двумя -переходами (рис. 9.9), как будто соединили два полупроводниковых диода. В зависимости от способа соединения различают транзисторы -типа и -типа. Как следует из обозначения транзистора, в первом случае чередуются -область, -область и опять -область полупроводника. Во втором случае чередование обратное: две -области расположены по краям транзистора, а -область — в середине.

В работе транзисторов участвуют носители заряда двух типов: отрицательные (электроны) и положительные (дырки). Поэтому такие транзисторы называют биполярными.

Рис. 9.9. Устройство транзистора: Э — эмиттер; К — коллектор; Б — база

Рис. 9.10. Принцип работы транзистора: а — схема включения транзисторов -типа; б — условное обозначение различных транзисторов

Рассмотрим для определенности работу транзистора -типа. Именно такой транзистор изображен на рис. 9.9.

Основанием транзистора служит полупроводниковая пластинка, обладающая электропроводностью -типа. Ее называют базой транзистора. В эту пластинку с двух сторон вплавлены донорные пластинки, образующие -области. Сечение и объем пластинок делают различными. К пластинкам припаивают проводники, которые служат выводами. Вывод, связанный с меньшей пластинкой, называют эмиттером и обозначают буквой Э. Вывод, припаянный к большей пластинке — коллектором и обозначают буквой К. Смысл этих названий мы объясним несколько позже. База транзистора тоже имеет контактный вывод Б. Таким образом, у транзистора на один вывод больше, чем у диода. Это трехполюсный прибор.

Подключим выводы транзистора к источникам напряжения, как показано на рис. 9.10. Напряжение представляет собой прямое напряжение для эмиттерного -перехода, а к коллекторному -переходу приложено обратное напряжение Это напряжение значительно превосходит

Под действием напряжения в эмиттере возникает ток

Прямое напряжение уменьшает потенциальный барьер в эмиттерном переходе, и сопротивление -области эмиттера снижается. Электроны из -области свободно преодолевают потенциальный барьер и попадают в -область базы. Толщина базы транзистора очень мала.

Это необходимо для того, чтобы электроны не компенсировали дырки базы и могли проникнуть в -область, связанную с коллектором. В результате большему числу электронов под действием напряжения удается достигнуть коллектора и в этой цепи возникает коллекторный ток

Важно понять, что этот ток возникает главным образом за счет электронов, поставляемых эмиттером (под действием напряжения ). Коллекторный -переход закрыт напряжением и если напряжение равно нулю, то его сопротивление велико и в цепи существует только очень небольшой обратный ток.

Увеличим напряжение тогда электроны, образующиеся в -области эмиттера, переходят на коллектор, коллекторный ток возрастает, а сопротивление коллекторного перехода значительно уменьшается.

Теперь мы можем объяснить название выводов транзистора. Слово «эмиттер» происходит от латинского «эмис-сио» — «выпускать», а «коллектор» означает «собирать». Вспомните библиотечный коллектор, в котором собирают книги, или подземный коллектор, в котором собирают трубы разного назначения.

Таким образом, эмиттер выпускает электроны, а коллектор их собирает. В этих названиях очень ярко отражается принцип действия транзистора.

При работе транзистора ток возникает и в цепи базы. При этом на основании первого закона Кирхгофа

Транзисторы находят в электронике самое разнообразное применение.

Рассмотрим в качестве примера использование транзистора как усилителя переменного напряжения. Существует несколько схем включения транзистора при усилении напряжений. Наибольшее применение имеет схема с общим эмиттером (рис. 9.11). Переменное напряжение, которое необходимо усилить, включено между базой и эмиттером. Это напряжение можно считать входным. Выходное напряжение представляет собой падение напряжения на резисторе нагрузки. Отношение выходного напряжения к входному представляет собой коэффициент усиления по напряжению

Напряжение между базой и эмиттером в транзисторах составляет десятые доли вольта, падение напряжения на резисторе нагрузки — десятки вольт.

Из этого следует, что транзистор может усилить (увеличить) входное напряжение в десятки или даже сотни раз.

На рис. 9.10 изображены два источника питающего напряжения, но можно ограничиться только одним, большим напряжением Напряжение получают от делителя Как и на рис. 9.10, напряжение включено в обратном направлении (по отношению к -переходу), а напряжение — в прямом.

Источник входного напряжения отделен от базы разделительным конденсатором Это необходимо, чтобы на вход транзисторного усилителя не попадало постоянное напряжение. Кроме того, малое внутреннее сопротивление источника входного сигнала может зашунтировать резистор (по постоянноому току) и тогда напряжение резко уменьшится.

Параметры транзистора изменяются при изменении температуры. Во многих случаях эти изменения столь велики, что нормальный режим работы усилителя нарушается. Во избежание этого в цепь эмиттера включен стабилизирующий резистор

Напряжение на базе транзистора по отношению к эмиттеру равно разности падений напряжения на резисторах и

Если при изменении температуры ток в цепи транзистора увеличивается, то одновременно увеличивается и падение напряжения Прямое напряжение на эмиттерном переходе уменьшается, а это уменьшает количество электронов, попадающих на коллектор, и уменьшает ток в цепи транзистора.

В правильно рассчитанной и отлаженной схеме усилителя увеличение и последующее уменьшение тока должны быть строго одинаковы. Это обеспечивает стабильный режим работы усилителя.

На рис. 9.11 мы видим, что параллельно резистору включен конденсатор Это необходимо для того, чтобы схема стабилизации действовала только на постоянном токе. Емкостное сопротивление конденсатора шунтирует резистор и входное напряжение переменного тока оказывается приложенным между базой и эмиттером.

В схеме усилителя имеется еще один разделительный конденсатор —

Рис. 9.11. Усилитель на транзисторе

Рис. 9.12. Полевой транзистор (а) и его условное обозначение (б) Буквами обозначены: И — исток, С — сток, 3 — затвор

Он предназначен для того, чтобы выделить переменную составляющую тока коллектора, которая создает падение напряжения на сопротивление нагрузки. Это напряжение является выходным напряжением усилителя.

Очень часто применяют многокаскадные усилители, в которых несколько отдельных усилителей включаются последовательно, один за другим.

Выходное напряжение первого усилителя является входным напряжением второго, выходное напряжение второго — входным напряжением третьего и т. д.

Первый усилитель усиливает напряжение в раз, во втором усилителе оно увеличится еще в раз, и общее усиление окажется равным произведению

Таким образом, в многокаскадном усилителе можно получить очень большой коэффициент усиления.

Кроме биполярных транзисторов существуют еще униполярные или полевые транзисторы. Принцип действия полевого транзистора поясняется рис. 9.12, а. Основой полевого транзистора служит пластинка полупроводника -типа, снабженная двумя электродами.

Электрод, от которого начинается движение электронов, называют истоком. Второй электрод, к которому электроны движутся, носит название стока.

В пластинке полупроводника образованы область -электропроводности и -переход.

Транзистор имеет третий, управляющий электрод, который связан с -областью. Его называют затвором.

Область с -электропроводностью ограничивает сечение кристалла с -электропроводностью, и путь электронов проходит по узкому промежутку, который называют каналом.

Для работы полевого транзистора необходимы два источника напряжения. Напряжение обеспечивает движение электронов в цепи транзистора и нагрузке. Кроме того, имеется напряжение смещения Это напряжение является обратным по отношению к -переходу. Поэтому сопротивление -перехода очень велико.

Если входное напряжение суммируется с напряжением смещения, то толщина двойного электрического слоя в -переходе увеличивается и площадь поперечного сечения канала, по которому движутся электроны, уменьшается. Сопротивление канала возрастает, и ток в цепи уменьшается.

При противоположной полярности входного напряжения обратное напряжение на -переходе уменьшается и ширина канала увеличивается. Это приводит к увеличению тока в цепи.

На рис. 9.12, б показано условное изображение полевого транзистора с каналом -типа. Транзисторы -типа имеют такое же изображение, но стрелка затвора должна быть направлена в другую сторону.

Полевые транзисторы обладают целым рядом ценных преимуществ по сравнению с биполярными. Они имеют очень большое входное сопротивление и могут работать с маломощными источниками входного сигнала. Они более стабильны, изготовление их проще, чем биполярных, поэтому и цена их должна быть ниже.