Проверка биполярного транзистора мультиметром
Биполярные транзисторы построены из трехслойного полупроводникового «сэндвича» либо NPN, либо PNP. Как таковые транзисторы при проверке мультиметром в режиме «сопротивление» или «проверка диода», как показано на рисунке ниже, показываются как два диода, соединенных друг с другом. Показания низкого сопротивления с черным отрицательным (-) выводом на базе соответствует N-типу материала в базе PNP транзистора. На условном обозначении на материал N-типа «указывает» стрелка перехода база-эмиттер, который в этом примере является базой. Эмиттер P-типа соответствует другому концу стрелки перехода база-эмиттер. Коллектор очень похож на эмиттер и так же является материалом P-типа PN-перехода.
Здесь я предполагаю использовать мультиметр с единственной функцией измерения (сопротивление) для проверки PN-переходов. Некоторые мультиметры оснащены двумя отдельными функциями измерения: сопротивление и "проверка диода", каждая служит своей цели. Если у вашего мультиметра есть функция "проверка диода", используйте её, вместо измерения сопротивления, в этом случае мультиметр покажет прямое падение напряжения PN-перехода, а не только то, проводит ли он ток.
Разумеется, показания мультиметра будут совершенно противоположными для NPN транзистора, причем оба PN-перехода будут направлены в противоположную сторону. Показания низкого сопротивления с красным (+) выводом на базе являются «противоположным» состоянием для NPN транзистора.
Если в этом тесте используется мультиметр с функцией «проверка диода», будет установлено, что переход эмиттер-база имеет несколько большее прямое падение напряжения, чем переход коллектор-база. Эта разница прямых напряжений обусловлена несоответствием концентрации легирования между областями эмиттера и коллектора: эмиттер представляет собой кусок полупроводникового материала, гораздо более легированный, чем коллектор, в результате чего его переход с базой создает более высокое прямое падение напряжения.
Зная это, становится возможным определение назначение выводов на немаркированном транзисторе. Это важно, потому что корпуса, к сожалению, не стандартизированы. Разумеется, все биполярные транзисторы имеют три вывода, но расположение этих трех выводов на реальном физическом корпусе не имеет универсального стандартизированного порядка.
Предположим, что техник нашел биполярный транзистор и начинает измерять его проводимость с помощью мультиметра, установленного в режим «проверка диода». Измерения между парами выводов и запись значений, отображаемых мультиметром, дают ему следующие данные.
Мультиметр подключен к выводу 1 (+) и 2 (-): “OL”
Мультиметр подключен к выводу 1 (-) и 2 (+): “OL”
Мультиметр подключен к выводу 1 (+) и 3 (-): 0.655 V
Мультиметр подключен к выводу 1 (-) и 3 (+): “OL”
Мультиметр подключен к выводу 2 (+) и 3 (-): 0.621 V
Мультиметр подключен к выводу 2 (-) и 3 (+): “OL”Единственными комбинациями тестовых измерений, дающих на мультиметре показания, говорящие о проводимости, являются выводы 1 и 3 (красный щуп на выводе 1, черный щуп на выводе 3) и выводы 2 и 3 (красный щуп на выводе 2, черный щуп на выводе 3). Эти два показания должны указывать на прямое смещения перехода эмиттер-база (0,655 вольт) и перехода коллектор-база (0,621 вольт).
Теперь мы ищем один провод, общий для обоих показаний проводимости. Это должен быть вывод базы транзистора, поскольку база единственным слоем трехслойного устройства, общего для обоих PN-переходов (база-эмиттер и база-коллектор). В этом примере это провод номер 3, являющийся общим для комбинаций тестовых измерений 1-3 и 2-3. В обоих этих измерениях черный (-) щуп мультиметра касался к выводу 3, что говорит нам, что база этого транзистора изготовлена из полупроводникового материала N-типа (черный = отрицательный). Таким образом, это PNP-транзистор с базой на выводе 3, эмиттером на выводе 1 и коллектором на выводе 2, как показано на рисунке ниже.
Обратите внимание, что вывод базы в этом примере не является средним выводом транзистора, как это можно было бы ожидать от трехслойной «сэндвичной» модели биполярного транзистора. Это довольно частый случай, и, как правило, это часто путает новых студентов. Единственный способ определить назначение выводов – это проверка мультиметром или чтение технического описания на конкретную модель транзистора.
Знание того, что биполярный транзистор при тестировании мультиметром в режиме проводимости ведет себя как два соединенных «спинами» диода, полезно для идентификации неизвестного транзистора только по показаниям мультиметра. Это также полезно для быстрой проверки работоспособности транзистора. Если техник измерит проводимость между тремя выводами в разных комбинациях, он или она сразу узнает, что транзистор неисправен (или что это не биполярный транзистор, а что-то еще – отличная возможность, если на детали нет маркировки для точной идентификации!). Однако модель «двух диодов» для транзистора не может объяснить, как и почему он действует как усилительное устройство.
Чтобы лучше проиллюстрировать этот парадокс, рассмотрим одну из схем транзисторных ключей, используя для представления транзистора физическую схему (как показано на рисунке ниже), а не условное обозначение. Так легче будет видеть два PN-перехода.
Диагональная стрелка серого цвета показывает направление потока электронов через переход эмиттер-база. Эта часть имеет смысл, так как электроны протекают от эмиттера N-типа к базе P-типа, очевидно прямое смещение перехода. Однако с переходом база-коллектор совсем другое дело. Обратите внимание, как толстая стрелка серого цвета указывает в направлении потока электронов (вверх) от базы к коллектору. С базой из материала P-типа и коллектором из материала N-типа, это направление потока электронов явно указывает на направление, противоположное тому, с каким ассоциируется PN-переход! Обычный PN-переход не позволил бы потоку электронов протекать в этом «обратном» направлении, по крайней мере, не без значительного сопротивления. Однако открытый (насыщенный) транзистор демонстрирует очень малое противодействие электронам на всем пути от эмиттера к коллектору, о чем свидетельствует свечение лампы!
Ясно, что здесь происходит что-то, что бросает вызов простой «двухдиодной» модели биполярного транзистора. Когда я впервые узнал о работе транзистора, я попытался построить свой собственный транзистор из двух диодов, включенных в противоположных направлениях, как показано на рисунке ниже.
Моя схема не работала, и я был озадачен. Однако полезное «двухдиодное» описание транзистора может использоваться для проверки, оно не объясняет, почему транзистор ведет себя как управляемый ключ.
То, что происходит в транзисторе, заключается в следующем: обратное смещение перехода база-коллектор предотвращает протекание тока коллектора, когда транзистор находится в режиме отсечки (закрыт, т.е. при отсутствии тока базы). Если переход база-эмиттер смещен в прямом направлении с помощью управляющего сигнала, нормально блокирующее поведение перехода база-коллектор изменяется, и ток через коллектор пропускается, несмотря на то, что электроны через этот PN-переход идут «неправильно». Это поведение зависит от квантовой физики полупроводниковых переходов и может иметь место только тогда, когда два перехода расположены правильно, и концентрации легирования этих трех слоев распределены правильно. Два диода, соединенных последовательно, не соответствуют этим критериям; верхний диод никогда не может «включиться», когда он смещен в обратном направлении, независимо от того, какая величина тока проходит через нижний диод в схеме через вывод базы. Для более подробной информации смотрите раздел «Биполярные транзисторы» главы 2.
То, что концентрации легирования играют решающую роль в особых способностях транзистора, еще раз подтверждается тем фактом, что коллектор и эмиттер не являются взаимозаменяемыми. Если транзистор просто рассматривается как два противоположно направленных PN-перехода или просто как N-P-N или P-N-P сэндвич материалов, может показаться, что любой конец этого сэндвича может служить в качестве коллектора или эмиттера. Это, однако, неверно. При «противоположном» включении транзистора в схему, ток база-коллектор не сможет управлять током между коллектором и эмиттером. Несмотря на то, что эти оба слоя (эмиттер и коллектор) биполярного транзистора имеют один и тот же тип легирования (либо N, либо P), коллектор и эмиттер определенно не одинаковы!
Ток через переход эмиттер-база позволяет протекать току через обратно смещенный переход база-коллектор. Действие тока базы можно рассматривать как «открывание клапана» для тока через коллектор. Более конкретно, любая заданная величина тока от эмиттера к базе допускает протекание ограниченной величины тока от базы к коллектору. На каждый электрон, который проходит через переход эмиттер-база и через вывод базы, через переход база-коллектор проходит определенное количество электронов и не более.
В следующем разделе это ограничение тока транзистора будет исследовано более подробно.
Подведем итоги:
- При проверке с помощью мультиметра в режимах «сопротивление» и «проверка диода» биполярный транзистор ведет себя как два встречно направленных PN-перехода (диода).
- PN-переход эмиттер-база имеет несколько большее прямое падение напряжения, чем PN-переход коллектор-база, из-за более сильного легирования полупроводникового слоя эмиттера.
- Обратно смещенный переход база-коллектор обычно блокирует любой ток через транзистор между эмиттером и коллектором. Однако этот переход начинает проводить ток, если протекает ток и через вывод базы. Ток базы можно рассматривать как «открывание клапана» для определенной, ограниченной величины тока через коллектор.