Биполярные транзисторы переключают и усиливают В электронике используются транзисторы, в основном с биполярным переходом и полевыми транзисторами; в данном случае основное внимание уделяется BJT, которые действуют как переключатели или усилители сигнала. Небольшие BJT поставляются в герметичных диэлектрических корпусах, в то время как более мощные компоненты крепятся к радиаторам для отвода тепла. Устройства помечены для удобства поиска в спецификации таких ограничений, как максимальное напряжение и ток. Клеммы ‑ это эмиттер, база и коллектор, которые обычно расположены по горизонтали, хотя их расположение может варьироваться и должно быть подтверждено в спецификации.
Небольшой пульт управления Включает и выключает питание В схеме лампы транзистор сначала блокирует ток, поэтому лампа остается темной; небольшое напряжение на базе включает его, и лампа загорается. Контроллер может переключать базу сотни или тысячи раз в секунду, а датчики, такие как биметаллическая пластина, могут замыкать контакт, приводя ее в действие. Таким образом, ручное переключение заменяется автоматическим управлением с низким энергопотреблением на мощном тракте.
Порог База–Эмиттер Определяет проводимость При напряжении питания 9 В, резисторе, красном светодиоде и транзисторе, база которого питается от лабораторного источника, проводимость соответствует определенному пороговому значению. При напряжении 0,5 В на базе транзистор остается выключенным, а светодиод - темным. При напряжении около 0,6 В он начинает слабо проводить ток, поэтому светодиод горит тускло. При напряжении около 0,7 В ток увеличивается, а яркость повышается. При напряжении около 0,8 В транзистор полностью включен, а светодиод работает на полную мощность, показывая, как небольшое изменение напряжения на базе управляет гораздо большим током коллектора.
Аналогия с клапаном проясняет управление NPN Основной трубопровод с задвижкой регулирует подачу воды, в то время как труба меньшего диаметра с поворотным клапаном и рычажным механизмом приводит в действие задвижку. Чем сильнее срабатывание в малом трубопроводе, тем больше открывается главный клапан, хотя для приведения в движение требуется минимальное усилие. Аналогичным образом, увеличение малого управляющего потока — по аналогии с базовым приводом — обеспечивает больший поток по основному тракту, отражая то, как NPN-транзисторы управляют током коллектора.
Электроны движутся от отрицательного к положительному Обычный анализ электрических цепей рассматривает ток как протекающий от положительной клеммы аккумулятора к отрицательной, но на самом деле электроны движутся от отрицательной клеммы к положительной, как показали эксперименты Дж. Дж. Томсона. В примере с лампой электроны перемещаются от отрицательной клеммы аккумулятора через эмиттер, коллектор и лампу к положительной клемме. В то же время обычное направление тока противоположно, от плюса к минусу.
Энергетические полосы Объясняют электрическую проводимость Электроны занимают квантованные энергетические уровни: внешнюю валентную зону и, над ней, зону проводимости, разделенную запрещенной зоной. В металлах, таких как медь, перекрытие зон обеспечивает движение свободных электронов под действием электрического поля, что приводит к проводимости. Проводимость существует только при наличии свободных носителей заряда. Внутренние электроны прочно связаны и обладают низкой энергией, в то время как внешние электроны обладают более высокой энергией и легче высвобождаются.
Ковалентная решетка Кремния обеспечивает получение Носителей, зависящих от температуры Каждый атом кремния образует четыре прочные ковалентные связи, так что при абсолютном нуле свободных носителей заряда не существует, и кристалл ведет себя как идеальный изолятор. При повышении температуры колебания кристаллической решетки (фононы) вырабатывают энергию, которая разрушает связи, создавая электронно–дырочные пары; свет или ионизирующее излучение также могут повышать проводимость. Дырка действует как подвижный положительный заряд, когда соседние электроны заполняют вакансии, а в собственном кремнии электроны и дырки появляются в равном количестве.
Донорное легирование приводит к образованию преобладающих электронов N‑типа Введение пятивалентных примесей, таких как фосфор, заменяет некоторые атомы кремния; четыре электрона образуют ковалентные связи, а пятый становится слабосвязанным и фактически свободным. Такое введение примеси называется донорным легированием. Доноры доставляют электроны в решетку, превращая электроны в основные носители заряда и создавая проводимость N‑типа.
Легирование акцептором приводит к образованию мажоритарных отверстий P‑Типа Трехвалентные примеси, такие как алюминий, связываются с соседним кремнием, но оставляют одну связь неудовлетворенной, создавая дырку и делая соседний атом кремния фактически положительным. Дырки могут мигрировать по мере заполнения их электронами из соседних связей, поэтому дырки становятся основными переносчиками. Примеси, которые захватывают электроны, являются акцепторами, придающими проводимость P‑типа.
Диффузия образует область истощения и встроенный барьер напряжением ~0,7 В Когда области P‑ и N‑типов встречаются, электроны диффундируют в дырки вблизи границы и рекомбинируют, оставляя после себя фиксированные ионизированные примеси: отрицательные ионы-акцепторы на стороне P и положительные ионы-доноры на стороне N. Это разделение зарядов создает внутреннее электрическое поле и потенциальный барьер около 0,7 В, который останавливает дальнейшую диффузию. В результате рекомбинации образуется область с низким содержанием носителей заряда, прилегающая к переходу.
Излучатель с прямым смещением‑База вводит; Коллектор с обратным смещением–База собирает При прямом смещении внешний источник противодействует барьеру перехода, поэтому протекает ток, и напряжение на диоде падает примерно на 0,7 В; при обратном смещении барьер увеличивается, и ток блокируется. BJT содержит два перехода: переход эмиттер–база смещен в прямом направлении для ввода большого количества электронов в тонкую, слегка легированную базу P‑типа, в то время как переход коллектор‑база смещен в обратном направлении для перемещения этих носителей в коллектор. Эмиттер наиболее сильно легирован, затем коллектор, а основание наименее легировано и узкое, поэтому большинство инжектированных электронов избегают рекомбинации и достигают коллектора. При отсутствии базового привода один переход остается с обратным смещением и ток коллектор‑эмиттер не протекает; небольшой базовый ток управляет гораздо большим током коллектора, обеспечивая усиление.