Транзистор как усилитель

Определение транзистора

Транзистор определяется как полупроводниковый прибор с тремя выводами (Эмиттер, База и Коллектор) и двумя переходами (База-Эмиттер и База-Коллектор).

Транзистор — это полупроводниковый прибор с тремя выводами: Эмиттер (E), База (B) и Коллектор (C). Он имеет два перехода: База-Эмиттер (BE) и База-Коллектор (BC). Транзисторы работают в трех областях: отсечка (полностью выключен), активная (усиливающая) и насыщение (полностью включен).

Когда транзисторы работают в активной области, они действуют как усилители, увеличивая мощность входного сигнала без значительных изменений. Это поведение обусловлено движением носителей заряда. Рассмотрим npn биполярный транзистор (BJT), смещенный для работы в активной области, где переход BE прямого смещения, а переход BC обратного смещения.

В npn транзисторе эмиттер сильно легирован, база слабо легирована, а коллектор умеренно легирован. База узкая, эмиттер шире, а коллектор самый широкий.

Прямое смещение между базой и эмиттером вызывает малый базовый ток (IB), который протекает в базовую область. Этот ток обычно находится в диапазоне микроампер (μA), так как VBE обычно составляет около 0.6 В.

Этот процесс можно рассматривать как движение электронов из базовой области или инжекцию дырок в нее. Инжектированные дырки привлекают электроны из эмиттера, что приводит к рекомбинации дырок и электронов.

Однако, из-за меньшей легирования базы по сравнению с эмиттером, количество электронов будет больше, чем дырок. Таким образом, даже после эффекта рекомбинации, останется много свободных электронов. Эти электроны теперь пересекают узкую базовую область и движутся к коллекторному выводу под влиянием смещения, применяемого между коллектором и базой.

Это и есть коллекторный ток IC, текущий в коллектор. Из этого можно заметить, что, изменяя ток, текущий в базовую область (IB), можно получить очень большое изменение коллекторного тока, IC. Это и есть усиление тока, которое приводит к выводу, что npn транзистор, работающий в своей активной области, действует как усилитель тока. Соответствующее усиление тока можно математически выразить как-

Теперь рассмотрим npn транзистор, к которому входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выход собирается через нагрузочный резистор RC, соединенный между коллектором и базой, как показано на рисунке 2.

Теперь рассмотрим npn транзистор, к которому входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выход собирается через нагрузочный резистор RC, соединенный между коллектором и базой, как показано на рисунке 2.

Дополнительно отметим, что транзистор всегда обеспечивается работой в своей активной области с помощью соответствующих источников питания, V EE и VBC. Здесь небольшое изменение входного напряжения Vin значительно изменяет эмиттерный ток IE, так как сопротивление входной цепи низкое (из-за условия прямого смещения).

Это, в свою очередь, изменяет коллекторный ток почти в том же диапазоне, так как величина базового тока довольно мала для рассматриваемого случая. Это большое изменение IC вызывает большое падение напряжения на нагрузочном резисторе RC, что и является выходным напряжением.

Таким образом, на выходных клеммах устройства получается усиленная версия входного напряжения, что приводит к выводу, что схема действует как усилитель напряжения. Математическое выражение для коэффициента усиления напряжения, связанного с этим явлением, дано следующим образом:

Хотя объяснение было дано для npn BJT, аналогичное объяснение применимо и к pnp BJT. На тех же основаниях можно объяснить усиление других видов транзисторов, таких как Полевой Транзистор (FET). Дополнительно следует отметить, что существуют различные вариации схем усилителей транзисторов, такие как

Первый набор: Общая база/затвор, общая эмиттер/исток, общий коллектор/сток

Второй набор: Усилители класса A, усилители класса B, усилители класса C, усилители класса AB

Третий набор: Одноступенчатые усилители, многоступенчатые усилители и так далее. Однако основной принцип работы остается тем же.