Проверка транзистора с биполярным переходом (ТБП) с помощью мультиметра[1]
Биполярные транзисторы – это такой себе трёхслойный «сэндвич», где полупроводниковые материалы чередуются либо PNP, либо NPN. Таким образом, для измерителей, транзистор – это по своей сути два диода, подключённых друг к другу, при тестировании в режимах «Сопротивление» или «Проверка диода» как показано на рисунке 1 ниже. Низкое сопротивление на базе, если подключить к ней чёрные отрицательные (-) выводы измерителя, соответствуют материалу N-типа в базе транзистораPNP. На материал N-типа «указывает» стрелка перехода база/эмиттер, который в данном случае является базой. Эмиттер P-типа соответствует другому концу стрелки перехода база/эмиттер, являющийся здесь эмиттером. Коллектор очень похож на эмиттер и также является материалом P-типа в P-N-переходе.
Предполагается использование только одной функции мультиметра (измерение сопротивления в некотором диапазоне) для проверки P-N-переходов. Некоторые мультиметры оснащены двумя отдельными функциями проверки целостности цепи: «Сопротивление» и «Проверка диода», каждая из которых имеет собственное назначение. Если измеритель имеет специализированную функцию «Проверка диода», используйте именно её, а не диапазонное «Сопротивление», при этом измеритель будет отображать фактическое прямое напряжение P-N-перехода, а не только то, проводит ли он ток.
Показания счётчика, конечно, будут прямо противоположными для NPN-транзистора, с обоими P-N-переходами, развёрнутыми в противоположную сторону относительно предыдущего случая. Показания низкого сопротивления с красным (+) выводом на базе являются «противоположным» состоянием для NPN-транзистора.
Если в этом тесте используется мультиметр с функцией «Проверка диода», то будет обнаружено, что переход эмиттер/база имеет немного большее прямое падение напряжения, чем переход коллектор/база. Эта прямая разница напряжений возникает из-за несоответствия в концентрации легирования между эмиттерной и коллекторной областями транзистора: эмиттер представляет собой гораздо более легированный кусок полупроводникового материала, чем коллектор, в результате чего его соединение с базой создаёт более высокое прямое падение напряжения.
Зная это, на немаркированном транзисторе возможно определить, какой провод к чему относится. Это важно, потому что корпуса транзисторов, к сожалению, не стандартизированы. Конечно, все биполярные транзисторы имеют по три провода, но для расположения всех трёх проводов на физическом корпусе не принято какого-либо универсального стандартизированного соглашения.
Предположим, технический специалист находит биполярный транзистор и приступает к измерению целостности цепи с помощью мультиметра, установленного в режиме «Проверка диода». Проводя измерения для всех комбинаций пар проводов и фиксируя значения, отображаемые измерителем, технический специалист получает данные, которые позволят идентифицировать выводы транзистора:
Подключение мультиметра к проводам 1 (+) и 2 (-): «OL» Подключение мультиметра к проводам 1 (-) и 2 (+): «OL» Подключение мультиметра к проводам 1 (+) и 3 (-): 0,655 В Подключение мультиметра к проводам 1 (-) и 3 (+): «OL» Подключение мультиметра к проводам 2 (+) и 3 (-): 0,621 В Подключение мультиметра к проводам 2 (-) и 3 (+): «OL»
Единственными комбинациями контрольных точек, дающими значащие показания для проводимости, являются провода 1 и 3 (красный измерительный провод на 1 и чёрный измерительный провод на 3) и провода 2 и 3 (красный измерительный провод на 2 и чёрный измерительный провод на 3). Эти два показания указывают на прямое включение перехода эмиттер/база (0,655 В) и перехода коллектор/база (0,621 В).
Теперь нам нужен тот провод, который присутствовал в обоих наборах проводов при снятии показаний проводимости. Он будет являться выводом базы транзистора, потому что база является единственным слоем трёхслойного устройства, общей для обоих P-N-переходов (эмиттер/база и коллектор/база). В нашем конкретном случае такой провод имеет номер 3 и является общим для комбинаций контрольных точек 1/3 и 2/3. В обоих этих наборах при снятии показаний чёрный (-) измерительный провод измерителя касался провода 3, что говорит нам о том, что база именно этого транзистора сделана из полупроводникового материала N-типа (чёрный провод измерителя = отрицательный). Таким образом, это PNP транзистор, провод 3 которого относится к базе, провод 1 – к эмиттеру и провод 2 – к коллектору:
Рис. 3. Выводы ТБП идентифицированы с помощью омметра.
Обратите внимание, что провод базы в этом примере физически не оказался средним выводом транзистора, как можно было бы ожидать от трёхслойной «сэндвич-модели» биполярного транзистора. Это довольно частый случай, который сбивает с толку новичков, изучающих электронику. Узнать, какой именно провод какой, можно только если проверить с помощью измерителя (или же обратиться к технической документации от производителя, если таковая имеется для конкретной модели транзистора).
Понимание того, что биполярный транзистор ведёт себя как два противоположно развёрнутых диода при тестировании с помощью измерителя проводимости, полезно для идентификации неизвестного транзистора, если приходится исключительно ориентироваться на показания счётчика. А также это полезно для функциональной экспресс-проверки транзистора. Если при измерении техник обнаружит проводимость в более чем в двух или менее чем в двух из шести комбинаций трёх измеряемых выводов транзистора, то он или она немедленно узнает, что транзистор неисправен (или что это не биполярный транзистор, а что-то иное). В общем, это отличная возможность, если нет возможности точной идентификации по номеру детали! Однако если рассматривать транзистор всего лишь как «пару диодов», то такая модель не объясняет, как и почему он действует как усилительное устройство.
Чтобы лучше проиллюстрировать это, давайте рассмотрим одну из схем транзисторного переключателя, используя схему на рисунке 4 ниже, где транзистор обозначен с помощью не общепринятого схематического символа, а условного изображения, изображающего его физическую «трёхслойность». Тогда оба P-N-перехода будут более очевидны:
Диагональная серая стрелка показывает направление тока через P-N-переходэмиттер/база. Эта часть рисунка имеет тот смысл, что ток течёт от базы P-типа к эмиттеру N-типа: переход явно включён в прямом направлении. А вот переход база/коллектор – совсем другое дело. Обратите внимание, как толстая серая стрелка указывает в направлении потока тока (вниз) от коллектора к базе. С базой из полупроводникового материала P-типа и коллектором из материала N-типа. База и коллектор имеют обратное включение, что вроде как препятствует прохождению тока. Однако насыщенный транзистор очень мало противодействует току на всём пути от коллектора до эмиттера, что подтверждается горящей лампочкой!
Видно, что здесь происходит нечто, что противоречит простой объяснительной модели биполярного транзистора как «пары диодов». Когда я впервые узнал о работе транзисторов, я попытался построить свой собственный транзистор из двух последовательно включённых диодов:
Рис. 5. Пара противоположно развёрнутых диодов не работает как транзистор, и ток не течёт через лампу!
В транзисторе обратное включение перехода база/коллектор предотвращает ток в коллекторе, когда транзистор находится в режиме отсечки (то есть, когда ток базы отсутствует). Если соединение база/эмиттер включено в прямом направлении управляющим сигналом, нормальное блокирующее действие перехода база/коллектор отменяется, и току разрешено течь через коллектор, несмотря на тот факт, что ток идёт «неправильным путём» через этот P-N-переход. Этот эффект вызван квантовыми физическими свойствами полупроводниковых переходов, и имеет место только тогда, когда оба перехода правильно разнесены и концентрации легирования всех трёх слоев имеют правильные пропорции. Два диода, просто соединённые последовательно, не соответствуют этим критериям; верхний диод никогда не «включится» при обратном включении, независимо от того, сколько тока проходит через нижний диод в контуре базового провода. Для получения более подробной информации см. раздел «Транзисторы с биполярным переходом» главы 2.
То, что концентрации легирования играют решающую роль в особых возможностях транзистора, дополнительно подтверждается тем фактом, что коллектор и эмиттер не являются взаимозаменяемыми. Если рассматривать транзистор просто как два соединённых друг с другом P-N-перехода или просто как простой «сэндвич» из полупроводниковых материалов, чередующихся как NPN или PNP, то может показаться, что любой крайний слой транзистора может служить хоть коллектором, хоть эмиттером. Однако это не так. При подключении «наоборот» в цепи малый ток база/коллектор не сможет управлять бо́льшим током между коллектором и эмиттером. Несмотря на то, что слои эмиттера и коллекторабиполярного транзистора имеют один и тот же тип легирования (или N, или P), коллектор и эмиттер определённо не взаимозаменяемы!
Переход база/эмиттер допускает ток, поскольку он включён в прямом направлении, а переход база/коллектор имеет обратное включение. Эффект от базового тока можно представить как «открытие затвора» для тока, проходящего через коллектор. Если конкретизировать, любая заданная величина тока база/эмиттер допускает ограниченную величину тока база/коллектор.
В следующем разделе это ограничение тока транзистора мы исследуем более подробно.
Итог
При тестировании мультиметром в режимах «Сопротивление» или «Проверка диода» транзистор ведёт себя как два соединённых друг с другом (диодных) P-N-перехода.
Переход база/коллектор с обратным включением обычно блокирует прохождение любого тока через транзистор между эмиттером и коллектором. Однако этот переход начинает проводить, если ток проходит через базовый провод. Базовый ток можно рассматривать как «открытие затвора» для определённого ограниченного количества тока через коллектор.
