Биполярные (BJT)

Биполярный транзистор (BJT, Bipolar Junction Transistor) — полупроводниковый прибор из трёх слоёв (NPN или PNP), который управляет большим током с помощью малого. Малый ток через базу «открывает» транзистор и пропускает большой ток через коллектор-эмиттер. Это базовый элемент усилителей, ключей и логических схем.

Три слоя и три вывода

Представьте бутерброд из трёх слоёв полупроводника. В NPN-транзисторе — два слоя n-типа (с избытком электронов) разделены тонким слоем p-типа (с «дырками» — местами, где электронов не хватает). У PNP — наоборот: два p-слоя и один n-слой. Каждый слой имеет свой вывод: эмиттер (E) — источник носителей заряда, база (B) — управляющий электрод, коллектор (C) — приёмник носителей.

Ключевая деталь: база делается очень тонкой — всего 0,5–1 микрометр. Это тоньше человеческого волоса в 50 раз. Тонкость базы определяет главное свойство транзистора: малый ток базы управляет большим током коллектора.

Как работает NPN-транзистор

Без тока через базу транзистор закрыт — ток от коллектора к эмиттеру не идёт. Это как перекрытый водопроводный кран. Когда подаётся небольшое напряжение на базу (около 0,6–0,7 вольта для кремниевого транзистора), переход база-эмиттер «открывается». Электроны из эмиттера инжектируются в базу, но поскольку она очень тонкая, большинство электронов (95–99%) проскакивают базу насквозь и попадают в коллектор.

Коэффициент усиления по току (обозначается β или hFE) показывает, во сколько раз ток коллектора больше тока базы. Типичные значения β: 100–300. Это значит: 1 миллиампер через базу управляет 100–300 миллиамперами через коллектор. Отсюда название «усилитель» — слабый сигнал (например, от микрофона) превращается в мощный (способный раскачать динамик).

Три режима работы

Транзистор работает в трёх режимах. Режим отсечки — транзистор полностью закрыт, ток не идёт (цифровой «0»). Активный режим — транзистор работает как усилитель, ток коллектора пропорционален току базы. Режим насыщения — транзистор полностью открыт, сопротивление минимально (цифровой «1»). В цифровых схемах транзистор работает как ключ: либо открыт, либо закрыт. В аналоговых — как усилитель в активном режиме.

Три схемы включения

Транзистор можно подключить тремя способами: с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК, эмиттерный повторитель) и с общей базой (ОБ). Схема с общим эмиттером — самая популярная: усиливает и напряжение, и ток, коэффициент усиления достигает десятков тысяч. Эмиттерный повторитель не усиливает напряжение, зато обеспечивает согласование импедансов — полезно для подключения динамиков и датчиков.

Где применяются

Биполярные транзисторы используются в усилителях звука (классы A, B, AB), радиоприёмниках, стабилизаторах напряжения, драйверах двигателей и светодиодов. В цифровой электронике BJT уступили полевым транзисторам (MOSFET) из-за более высокого энергопотребления, но в аналоговых схемах и силовой электронике (IGBT — комбинация BJT и MOSFET) они по-прежнему незаменимы.