Транзистор — это электронный компонент, в основе которого лежит полупроводниковый материал (в основном кремний с различными примесями). Данный компонент способен усиливать, генерировать или преобразовывать электрический сигнал.
Существует два основных вида транзисторов: биполярные и полевые. Также есть гибридный тип, вобравший в себя всё лучше от биполярных и полевых транзисторов — биполярный транзистор с изолированным затвором (в англоязычной терминологии такие транзисторы называются IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor).
В свою очередь полевые транзисторы подразделяются на два подвида: с pn-переходом и с изолированным затвором.
Справедливости ради стоит отметить, что транзисторы с изолированным затвором, в свою очередь, подразделяются на несколько типов:
— с выводом от кристалла-подложки;
— с индуцированным каналом;
— с индуцированным каналом и подложкой, соединённой с истоком;
— многозатворный с индуцированным каналом и подложкой, соединённой с истоком.
На рисунке 1 схематично представлена базовая классификация транзисторов и их условные графические обозначения (УГО) на принципиальных схемах.
В радиолюбительской практике наиболее часто применяются биполярные транзисторы. Именно его и рассмотрим более подробно в данной статье.
Биполярный транзистор — обычно трёхвыводной (трёхэлектродный) полупроводниковый прибор (радиокомпонент). Транзистор называется биполярным потому, что в его полупроводниковой структуре присутствует два (приставка би– в слове биполярный означает «два») p-n-перехода, через которые производится перенос заряда посредством двух носителей — электронов и дырок.
Главное отличие биполярного транзистора от полевого заключается в том, что в полевом (униполярном) транзисторе в процессе переноса заряда участвует лишь только один носитель: либо электроны (n-тип), либо дырки (p-тип).
В основном биполярные транзисторы применяются в аналоговой схемотехнике и могут использоваться либо для управление большим током посредством малого тока (ключевой режим работы), либо для усиления слабого аналогового сигнала, используя дополнительный источник питания (усилительный режим работы).
Биполярный транзистор состоит из трёх областей (см. рис.2), к каждой из которых прикреплён свой электрод: коллектор, база и эмиттер. Если говорить упрощённо, то база отвечает за степень проводимости тока между коллектором и эмиттером, эмиттер – это источник носителей заряда, а коллектор — это то место, куда от эмиттера переносятся носители заряда под воздействием разности потенциалов прикладываемого напряжения. В зависимости от типа проводимости между коллектором и эмиттером выделяют транзисторы типа PNP (прямой проводимости) и NPN (обратной проводимости).
Обычно, область коллектора несколько шире, чем область эмиттера, а область базы очень тонкая, что схематично показано на рисунке 2. По этой причине площадь контакта база-эмиттер намного меньше, чем площадь контакт коллектор-база. Именно поэтому при смене полярности напряжения, прикладываемого к коллектору и эмиттеру, не будет происходить перенос носителей заряда. То есть ток не будет протекать. Таким образом, биполярный транзистор является несимметричным элементом, ток может протекать только в одном направлении.
Для простоты понимания структуры биполярного транзистора его можно условно представить как два диода. Благодаря такому представлению очень легко проверить исправность транзистора при помощи мультиметра (как проверить транзистор мультиметром).
Если глубоко не вдаваться глубоко в подробности внутренних процессов работы биполярного транзистора, то упрощённо представить его работу можно по аналогии с краном для воды.
На базу подаётся малый ток, который управляет большим током, протекающим через переход коллектор-эмиттер. То есть, чем больше мы откручиваем ручку крана, тем сильнее поток воды протекает через кран. При этом стоит обратить внимание, что для транзистора с проводимостью NPN-типа вода может Втекать только в коллектор, а ВЫтекать из эмиттера. В обратную сторону вода не потечёт. В этом и заключается несимметричность транзистора.
Если рассматривать подобную аналогию более приближенно к реальному транзистору, то проговорим ещё раз, используя специальную терминологию. Между коллектором и эмиттером протекает сильный электрический ток — ток коллектора (Iк), а между базой и эмиттером — слабый управляющий ток базы (Iб), величина которого и управляет силой тока коллектора. При этом ток коллектора в некоторое количество раз больше тока базы. Та величина, которая и определяет во сколько раз ток коллектора больше тока базы, именуется как статический коэффициент усиления по току h21э.
Статический коэффициент усиления по току h21э определяется как отношение величины тока коллектора (Iк) к величине тока базы (Iб):
h21э = Iк / Iб.
Как и всякий коэффициент, h21э является безразмерной величиной. В зависимости от типа и модели транзистора величина коэффициента усиления может варьироваться от нескольких единиц до нескольких сотен. Даже у нескольких экземпляров транзисторов одной и той же модели коэффициенты у них будут отличаться друг от друга. Ведь значение коэффициента весьма «случайное» и зависит от того, как был изготовлен транзистор. Даже если взять на заводе, прямо с конвейера, прямо из одной партии несколько транзисторов, то у каждого экземпляра будет свой коэффициент. Разумеется, они друг от друга будут отличаться совсем чуть-чуть, но в целом величина коэффициента будет в заранее определённых разработчиками пределах. Например, в официальной документации от производителя TOSHIBA для биполярного транзистора модели 2SC5200 статический коэффициент усиления по току варьируется от 35 до 160 в зависимости от температуры самого транзистора и величины коллекторного тока.
Одними из самых главных параметров, на которые стоит обращаться внимание при работе с биполярным транзистором, это максимальная величина напряжения коллектор-эмиттер и максимальная величина тока коллектора.