Что такое транзистор и для чего он нужен: Что такое транзистор и для чего нужен транзистор

Содержание

Что такое транзистор и для чего нужен транзистор

Обратите внимание, что три вывода на схеме обозначены как  G (Gate) — Затвор , S (Source) – Исток  и D (Drain) — Сток.

На рисунке выше, изображены три разных типа корпуса транзисторов. Тип корпуса слева обозначается как ТО-92 , корпус посередине ТО-220 , и корпус справа именуется как транзистор в металлическом корпусе.

Что касается металлического корпуса, то он практически больше не применяется. Транзисторы малой и средней мощности выпускаются в корпусе ТО-92, в то время как мощные изготавливаются в ТО-220.

Ниже представлено наиболее распространенные сопоставления выводов полевого транзистора в корпусах  ТО-92 и ТО-220.

Корпус ТО-92 Корпус ТО-220
   

Транзистор в качестве переключателя

Транзисторы можно рассматривать как электронные коммутаторы. Транзистор используется для включения различных устройств, таких как двигатели, фонари и так далее. Так же, как и выключатель света в комнате, транзистор может включать и выключать лампочку накаливания.

Это достаточно удобно, так как небольшой источник напряжения может быть использован для коммутации большого источника напряжения. Давайте рассмотрим это на простом примере с использованием обычной лампочкой.

На рисунке выше  мы имеем транзистор, подключенный к лампочке и к двум различным источникам питания. Давайте сперва посмотрим на левую половину схемы:

  • Минус низковольтной батареи  подсоединен к истоку транзистора.
  • Плюс низковольтной батареи  подсоединен к затвору транзистора.

В этой конфигурации  транзистор открыт. Вы можете видеть, как небольшой ток протекает через транзистор от затвора к истоку. Теперь давайте посмотрим на правую половину схемы:

  • Минус высоковольтной батареи  подсоединен к истоку транзистора.
  • Плюс высоковольтной батареи подключен к одному из выводов лампочки.

Другой вывод лампочки подключен к стоку транзистора.

Поскольку транзистор открыт, то больший ток  протекает через лампочку, далее через транзистор от стока к истоку. Если вы отключите низковольтную батарею от транзистора, то транзистор закроется, а лампочка погаснет.

Обратите внимание, что транзистор здесь работает в качестве ключа, включая и выключая лампочку под действием низковольтного напряжения.

Данная схема не особо полезна на практике. Однако, когда мы заменим низковольтную батарею другим источником напряжения, то транзисторный ключ становится намного интереснее.

Вместо того чтобы переключать транзистор с помощью низковольтной батареи, мы можем включать его и выключать с помощью других источников напряжения. В качестве примера приведем несколько источников сигнала, способных влиять на переключения транзистора:

  • Микрофон, создающий переменный электрический сигнал в зависимости от уровня звука.
  • Солнечная батарея, вырабатывающая постоянное напряжение при освещении ее поверхности.
  • Датчик влажности.

Обратите внимание, что все перечисленные выше датчики реагирует на различные источники сигнала. Используя их слабое выходное напряжение   можно управлять гораздо более мощным устройством.

Следующий пример применения транзистора

В данном примере мы имеем микрофон, соединенный с затвором полевого транзистора и лампу накаливания, подключенную к транзистору и повышенному источнику питания. Теперь при улавливании звука микрофоном, лампочка будет загораться. И чем громче будет звук, тем ярче будет светиться лампа.

Это происходит потому, что микрофон создает напряжение, поступающее на затвор полевого транзистора. При появлении сигнала на затворе происходит отпирание транзистора, в результате чего через транзистор начинает течь ток от стока к истоку.

Фактически, в этой схеме полевой транзистор играет роль усилителя сигнала. Для еще большего усиления можно использовать еще один транзистор.

Примечание: в этой схеме мы  использовали громкоговоритель в качестве микрофона, так как динамик  генерирует более сильное напряжение по сравнению с Электродинамическим микрофоном.

Данная схема аналогична предыдущей, только теперь вместо лампы подключен электродвигатель. Это позволяет  управлять скоростью вращения электродвигателя силой звука поступающего в динамик.

 

Чем громче вы кричите в микрофон, тем быстрее двигатель будет вращаться.

Транзистор в режиме инвертора

До сих пор все наши примеры были основаны на включении нагрузки при подаче напряжения на затвор транзистора. Транзистор так же может работать и в инверсном режиме, это когда он проводит ток при отсутствии входного напряжения на затворе.

Рассмотрим данный режим работы транзистора на примере простой охранной сигнализации, издающей звук при обрыве тонкого провода охранного шлейфа.

Сперва, мы должны с типами полевых транзисторов. Все транзисторы бывают двух разных типов проводимости: P-канальный  и N-канальный.

N-канальный

P-канальный
   
Транзистор открыт при подаче напряжения   на затвор

Транзистор заперт  при подаче напряжения на затвор

Единственная разница в символьном обозначении является направление стрелки затвора.

До сих пор все наши примеры были связаны с полевым транзистором N-канальным. Транзисторы данного типа доминируют в радиоэлектронных схемах, поскольку они дешевле в производстве. Тем не менее, в следующем примере   мы используем   Р-канальный полевой транзистор.

Помните, что Р-канальный полевой транзистор находится в закрытом состоянии в тот момент, когда на его затворе находится управляющее напряжение. Поэтому, как видно из вышеприведенной схемы, звуковой генератор (buzzer) будет в выключенном состоянии до тех пор, пока провод цел. Как только провод будет разорван, напряжение на затворе   пропадет,  и транзистор начнет пропускать ток, и активирует звуковой генератор.

Пока охранный шлейф не оборван, основная аккумуляторная батарея бездействует и тем самым сохраняет свой заряд. В тоже время, для обеспечения напряжения на затворе транзистора необходимо ничтожно малый ток малой батареи, и ее хватит на очень длительный срок.

Мы так же можем   оптимизировать данную схему и использовать всего один источник питания. Все, что мы должны сделать, это подключить охранный шлейф к затвору и плюсу большой батареи и исключить малую батарею.

перевод: http://efundies.com/

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор — трёхвыводный полупроводниковый прибор. Каджый вывод подключен к своему слою полупроводника. 

Ключевой режим работы транзистора

В автомобильной электронике это самый распространённый режим работы транзистора. В этом режиме транзисторы управляют исполнительными механизмами. Схема включения транзистора в ключевом режиме транзистора n-p-n структуры показана на рисунке

База транзистора — вход. Эмиттер — источник земли. Коллектор — выход. 

Если на базу не подавать никакого напряжения, то сопротивление между выводами эмиттер-коллектор будет очень высоким. То есть ключ будет разомкнут.

Если на базу подать напряжение, то через переход база-эмиттер потечёт ток, создавая ток базы. Этот ток базы насыщает переход и сопротивление между выводами коллектор-эмиттер резко падает. Тоесть ключ открывается.

Переход база-эмиттер ведёт себя как обычный диод. Это означает что какое бы напряжение мы не подавали на базу, на базе напряжение будет всегда 0,6 вольта. По этому если мы подадим на базу 12 вольт и не ограничим ток, то наш транзистор сгорит. Для ограничения тока базы в базу ставят последовательно сопротивление. Номинал этого сопротивления будет задавать значение тока текущего через базу. Слишком большой ток будет зря нагревать транзистор, слишком маленький не позволит транзистору пропустить через выводы коллектор-эмиттер нужный ток.

Какой ток базы должен быть?

Биполярный транзистор это токовый прибор и он имеет параметр коэффициент усиления по току. Этот параметр показывает во сколько раз транзистор сможет пропустить ток через выводы коллектор-эмиттер по отношению к току базы. Тоесть при коэффициенте усиления 100, чтобы транзистор пропустил через коллектор-эмиттер ток в 100ма. Нужно чтобы через базу протекал ток минимум 100ма/100 = 1ма. При токе меньшем 1 ма, транзистор не откроется, при большем токе будет бесполезный нагрев. При превышении максимально допустимого тока базы, транзистор сгорит.

Примечание:
Ток базы всегда выбирается больше чем нужно (с запасом), так как коэффициент усиления по току зависит от температуры. И если мы хотим чтобы наш ключ работал во всём диапазоне температур, мы должны учесть уменьшение этого коэффициента.

Ещё одна полезная особенность транзистора, это то, что напряжение на коллекторе может быть выше чем на базе. Оно ограничивается только характеристиками самого транзистора. 

Повторим основные характеристики транзистора которые нам нужны

  1. Коэффициент усиления по току
  2. Максимально допустимый ток коллектор-эмиттер
  3. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер.

По этим характеристикам вы можете подобрать замену если вы знаете название заменяемого транзистора и знаете его характеристики. Все три параметра должны быть такими же или больше. Больший ток, Большее напряжение и больший коэффициент усиления по току. Обратите внимание чтобы тип биполярного транзистора (pnp или npn или Дарлингтона) был таким же.

 

Пример расчета схемы

Исходные данные.

Нам нужно управлять автомобильной лампочкой. Напряжение лампочки 12 Вольт, ток потребления 200ма.

Управляем мы ключом от микропроцессора у которого выход 5 вольт.

  1. Выбираем транзистор по максимальному напряжению коллетор-эмиттер
  2. Транзистор должен иметь максимальный ток коллектор-эмиттер более чем 200ма. 
  3. Расчитываем ток базы.
  4. Расчитываем токоограничивающий резистор, не забывая, что напряжение будет на 0,6 вольта ниже.

 

Примечание:
Если базу транзистора никуда не подключить, то он будет закрыт, но в реальных условиях существуют наводки напряжения. И в базе может появиться ток, хотя напряжение на базу никто не подавал, и транзистор может открыться. Для исключения этого, между землёй и базой транзистора ставят сопротивление. Его выбирают большим, чтобы оно не отбирало от базы ток, и в тоже время наводка напряжения которая появляется уходит мимо базы в землю.

 

Как правильно подобрать замену транзистора для ключа если неизвестен его тип?

  1. Выбираем транзистор по максимальному напряжению коллектор-эмиттер
  2. Транзистор должен иметь максимальный ток коллектор-эмиттер более чем 200ма. 
  3. Определяем ток базы по напряжению подаваемому на базу и резистору который установлен в плате.
  4. Вычисляем 

Что такое 10 нм, 7 нм или 5 нм в смартфоне? Техпроцесс для «чайников»

Оценка этой статьи по мнению читателей:

Появление этой статьи на Deep-Review было лишь вопросом времени. Многие читатели задавали одни и те же вопросы, суть которых сводилась к следующему: что реально отражает эта цифра (12, 10, 7 или 5 нм) в технических характеристиках смартфонов, где в процессоре те самые 5 нанометров? Что вообще такое техпроцесс и какой процессор лучше выбрать?

Даже в современных печатных книгах сплошь и рядом встречается распространенное заблуждение, будто эти цифры означают размеры транзисторов, из которых состоит процессор.

В общем, пришло время разобраться с этим вопросом!

Сразу предупреждаю, что статья рассчитана на самый широкий круг читателей, то есть, при желании все сказанное смогут понять даже дети.

Но прежде, чем говорить о нанометрах и техпроцессе, нужно разобраться с транзистором. Без понимания этого устройства весь наш дальнейший разговор будет лишен смысла.

Что такое транзистор в процессоре смартфона? Как он работает и зачем вообще нужен?

Транзистор — это основа любого процессора, памяти и других микросхем. Он представляет собой крошечное устройство, способное работать в двух режимах: усиления или переключения электрического сигнала. Нас интересует именно режим переключателя.

Основа любой вычислительной техники — это единички и нолики. Просмотр видео на смартфоне, прослушивание музыки, дополненная реальность и нейронные сети — все это работает на «единичках и ноликах»:

  • Единица — есть ток
  • Ноль — нет тока

Именно для получения единиц и нулей мы используем транзисторы. Когда из этого миниатюрного устройства выходит ток, мы говорим, что это единица, когда нет никакого электрического сигнала — получаем ноль.

Соответственно, один транзистор — это совершенно бесполезная ерунда, которая не сможет сделать ничего. Даже, чтобы посчитать 2+2 нам нужны десятки транзисторов.

Итак, для создания транзистора мы берем немножко песка (условно какую-то часть одной песчинки) и делаем из него микроскопическую основу:

Это будет наша кремниевая подложка (кремний получают именно из песка). Теперь нужно на эту основу нанести две области. Я думал, стоит ли погружаться в физику этого процесса и объяснять, как эти области делаются и что там происходит на уровне электронов, но решил не перегружать статью излишней информацией. Поэтому будем немножко абстрагироваться.

Итак, делаем две области: в одну ток подаем (вход в транзистор), а из другой — считываем (выход):

Мы сделали эти области внутри кремниевой подложки таким образом, чтобы ток не смог пройти от входа к выходу. Он будет останавливаться самим кремнием (показан зеленым цветом). Чтобы ток смог пройти от входа к выходу по поверхности кремниевой подложки, нужно сверху разместить проводящий материал (скажем, металл) и хорошенько его изолировать:

А теперь самое важное! Когда мы подадим напряжение на этот изолированный кусочек металла, размещенный над кремниевой подложкой, он создаст вокруг себя электрическое поле. Изоляция никак не будет влиять на действие этого электрического поля. И здесь происходит вся «магия»: слой кремния под действием этого электрического поля начинает проводить ток от входа к выходу! То есть, когда мы подаем напряжение, ток может легко протекать между двумя областями:

Вот и все! Осталось дело за малым — подключить «провода» (электроды) ко входу, выходу и кусочку изолированного металла, с помощью которого мы и будем включать/выключать транзистор. Назовем их так:

  • Вход — Исток
  • Выход — Сток
  • Металл с изоляцией — Затвор
МОП-транзистор

Для закрепления материала немножко поиграемся с этим транзистором.

Итак, транзистор находится под напряжением, то есть, электричество подается на исток. Но на затворе тока нет, так как на наш транзистор не «пришла единица». Соответственно затвор «закрыл» транзистор и ток по нему пройти дальше не сможет, так что и на выходе из транзистора мы получаем ноль:

Теперь ситуация изменилась и на затворе транзистора появилось напряжение, которое создало электрическое поле, позволившее току пройти через транзистор от истока к стоку. Как результат — транзистор выдал единицу (есть электрический сигнал):

Вот так все просто! То есть, основное напряжение поступает на вход ко всем транзисторам, но будет ли каждый конкретный транзистор пропускать этот ток дальше — зависит от незначительного напряжения на затворе. Это напряжение может появляться, например, когда другой транзистор, подключенный к этому, отправил электрический импульс («единичку»).

Этого знания более, чем достаточно для того, чтобы ответить на все остальные вопросы, касательно нанометров и логики работы процессора.

О том, какие физические процессы стоят за таким нехитрым переключателем, то есть, что именно заставляет электроны проходить по кремнию, когда над ним появляется электрическое поле, я рассказывать не буду. Возможно, о легировании кремния фосфором и бором, p-n переходах и электрических полях мы поговорим как-нибудь в другой раз. А сейчас перейдем к основному вопросу.

Что такое техпроцесс или где же спрятаны эти «7 нанометров»?

Предположим, у нас есть современный смартфон, процессор которого выполнен по 7-нм техпроцессу. Что внутри такого процессора имеет размер 7 нанометров? Предлагаю вам выбрать правильный вариант ответа:

  • Длина транзистора
  • Ширина транзистора
  • Расстояние между двумя транзисторами
  • Длина затвора
  • Ширина затвора
  • Расстояние между затворами соседних транзисторов

Какой бы вариант вы ни выбрали, ваш ответ — неверный, так как ничего из перечисленного не имеет такого размера. Если бы этот же вопрос я задал лет 20 назад, правильным ответом была бы длина затвора (или длина канала, по которому протекает ток от стока к истоку):

Стоп! Длина канала, ширина, площадь — да какая разница, что в чем измеряется!? Зачем вообще придумали эти названия техпроцессов, для чего они нужны простым людям? Что вообще должен показывать техпроцесс обычному покупателю? Зачем ему знать ту же длину затвора транзистора?

Давным давно один человек по имени Гордон Мур (основатель корпорации Intel) задумался о том, как быстро развиваются технологии. Под словом «развитие» он подразумевал рост количества транзисторов, помещающихся на одной и той же площади. Дело в том, что этот показатель напрямую влияет на скорость вычислений. Процессор, вмещающий всего 1 млн транзисторов будет работать гораздо медленней, чем тот, внутри которого находятся 10 млн транзисторов.

Более того, уменьшая размер транзистора, автоматически снижается его энергопотребление (ток, проходящий через транзистор пропорционален отношению его ширины к длине). Также уменьшается размер затвора и его емкость, позволяя ему переключаться еще быстрее. В общем, одни плюсы!

Так вот, этот человек наблюдал за историей развития вычислительной техники и заметил, что количество транзисторов на кристалле удваивается примерно каждые 2 года. Соответственно, размеры транзисторов уменьшаются на корень из двух раз.

Другими словами, нужно умножать каждую сторону квадратного транзистора на 0.7, чтобы его площадь уменьшилась вдвое:

Это наблюдение получило название «закон Мура» и так родилась маркировка техпроцесса: каждые два года эту цифру умножали на 0.7. Например, при переходе от 1000-нм техпроцесса к 700-нм, количество транзисторов на чипе возросло в 2 раза. Примерно то же можно сказать и обо всех современных процессорах: 14 нм -> 10 нм -> 7 нм -> 5 нм. Каждое последующее поколение просто умножаем на 0.7, предполагая, что количество транзисторов там увеличивалось вдвое.

Повторюсь, до определенного момента эта цифра означала длину канала (или длину затвора), так как эти элементы уменьшались пропорционально размеру транзистора.

Но затем удалось сокращать длину затвора быстрее, чем другие части транзистора. С тех пор связывать размер затвора с техпроцессом стало не совсем корректно, так как это уже не отражало реального увеличения плотности размещения транзисторов на кристалле.

Например, в 250-нм техпроцессе длина затвора составляла 190 нанометров, но транзисторы не были упакованы настолько плотно по сравнению с предыдущим техпроцессом, чтобы называть его 190-нанометровым (по размеру затвора). Это не отражало бы реальную плотность.

Затем длина канала и вовсе перестала уменьшаться каждые два года, так как появилась новая проблема. При дальнейшем уменьшении длины канала, электроны могли обходить узкий затвор, так как блокирующий эффект был недостаточно сильным. Более того, такие утечки возникали постоянно, вызывая повышенное энергопотребление и нагрев транзистора (и, как следствие, всего процессора).

В общем, техпроцесс отвязали от длины затвора и взяли просто группу из нескольких транзисторов (так называемую ячейку) и площадь этой ячейки использовали для названия техпроцесса.

К примеру, в 100-нм техпроцессе ячейка из 6 транзисторов занимала, скажем, 100 000 нанометров (это условная цифра из головы). Компания упорно работала над уменьшением размеров транзисторов или увеличением плотности их размещения и через пару лет добилась того, что в новом процессоре эта же ячейка занимает уже 50 000 нм.

Не важно, уменьшился ли размер транзисторов или просто удалось упаковать их более плотно (за счет сокращения слоя металла и других ухищрений), можно смело говорить, что количество транзисторов на кристалле выросло в два раза. А значит мы умножаем предыдущий техпроцесс (100 нм) на 0.7 и получаем новенький процессор, выполненный по 70-нм техпроцессу.

Однако, когда мы дошли до 22-нанометрового техпроцесса, уменьшать длину затвора уже было нереально, так как электроны проходили бы сквозь этот затвор и транзисторы постоянно бы пропускали ток.

Решение оказалось простым и гениальным — нужно взять канал, по которому проходит ток и поднять его вверх, над кремниевой основной, чтобы он полностью проходил через затвор:

Теперь всё пространство, по которому идет ток, управляется затвором, так как полностью им окружено. А раньше, как мы видим, этот затвор находился сверху над каналом и создавал сравнительно слабый блокирующий эффект.

С новой технологией, получившей название FinFET, можно было продолжать уменьшать длину затвора и размещать еще больше транзисторов, так как они стали более узкими (сравните на картинке ширину канала). Но говорить о размерах транзистора стало вообще бессмысленно. Не совсем понятно даже, как эти размеры теперь высчитывать, когда транзистор из плоского превратился в трехмерный.

Таким образом, техпроцесс полностью «оторвался» от каких-либо реальных величин и просто условно обозначает увеличение плотности транзисторов относительно предыдущего техпроцесса.

К примеру, длина канала в 14-нм процессоре от Intel составляет 24 нанометра, а у Samsung — 30 нанометров. Отличаются и другие метрики этих процессоров, сделанных, казалось бы, по одинаковому техпроцессу. Более того, длина затвора — не самая миниатюрная часть транзистора. В том же 14-нм процессоре ширина канала вообще состоит из нескольких атомов и составляет 8 нанометров! То есть, техпроцесс — это даже не описание самой маленькой части транзистора.

Другими словами, нанометровый техпроцесс не описывает размеры транзисторов. Сегодня это условная цифра, означающая плотность размещения транзисторов или увеличение количества транзисторов относительно предыдущего техпроцесса (что напрямую влияет на быстродействие процессора).

В любом случае, важно запомнить простое правило и пользоваться им при анализе характеристик смартфона:

Разница техпроцесса в 0.7 раз означает двукратное увеличение количества транзисторов

Для примера можем посмотреть на последние чипы от Apple. В 10-нм процессоре Apple A11 Bionic содержится 4.3 млрд транзисторов, а в 7-нм Apple A13 Bionic — 8.5 млрд транзисторов. То есть, видим, что техпроцесс отличается в 0.7 раз, а количество транзисторов — в 2 раза. Соответственно, 7-нм процессор гораздо производительней 10-нанометрового.

Продолжая аналогию, в 5-нм процессоре должно вмещаться в 2 раза больше транзисторов, чем в 7-нанометровом! Если вас не очень удивляет этот факт, обязательно почитайте на досуге мою заметку об экспоненциальном развитии технологий.

Итак, когда вы будете смотреть на два смартфона с 14-нм и 10-нм процессорами, то знайте что в последнем гораздо больше транзисторов, соответственно, его вычислительная мощность заметно выше. Так и следует пользоваться «техпроцессом» при выборе смартфона.

А если вам интересно, как эти бездушные транзисторы умеют «думать», делать сложные вычисления, показывать фильмы или проигрывать музыку, тогда ответы на эти вопросы читайте в нашем новом материале!

Алексей, глав. редактор Deep-Review

 

P.S. Мы открыли Telegram-канал и сейчас готовим для публикации очень интересные материалы! Подписывайтесь в Telegram на первый научно-популярный сайт о смартфонах и технологиях, чтобы ничего не пропустить!

 

Понравилась статья? Поделитесь с другими:

Нанолистовой транзистор — последняя надежда будущих процессоров

Современный процессор относится к числу самых сложных систем в мире, но в его основе лежит очень простое и красивое устройство — транзистор. Сегодня в процессорах их миллиарды, и почти все они идентичны. Поэтому повышение плотности этих транзисторов — самый простой способ заставить процессоры, а значит и компьютеры, работать быстрее.

Удвоение числа транзисторов раз в два года — это известный закон Мура, который сейчас уже не выполняется. Создание все меньших транзисторов для процессоров становится все более и более трудной задачей, не говоря уже о фантастической цене их производства. В итоге в этой гонке остались только Intel, Samsung и Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC). Все они способны создавать интегральные схемы на так называемом 7 нм техпроцессе. И хотя этот термин, пережиток первых дней действия закона Мура, больше не имеет четкого физического определения, он все еще отражает степень миниатюризации транзисторов на интегральной схеме.

Прямо сейчас 7 нм — это самый передовой техпроцесс, но Samsung и TSMC объявили в апреле, что начинают переход к следующей ступени, 5 нм. У Samsung были некоторые дополнительные новости: компания решила, что тот тип транзистора, который использовался в отрасли в течение почти десятилетия, исчерпал себя. Для достижения следующего уровня, 3 нм, на котором должно начаться тестовое ограниченное производство около 2020 года, корейцы работают над совершенно новым дизайном транзистора.

Он имеет разные названия — полевой транзистор с круговым затвором, многоканальный транзистор, нанолуч — но в исследовательских кругах чаще всего его называют нанолистом. Имя здесь не очень важно. Важно то, что этот дизайн не просто следующий для кремниевых транзисторов — он может стать последним. Конечно, при производстве будут вариации этой технологии, но на глобальном уровне это может быть концом развития кремния.

Хотя форма и материалы за десятилетия сильно изменились, металл-оксид-полупроводниковые транзисторы, или MOSFET, используемые в современных микропроцессорах, включают в себя все те же основные структуры со времен их изобретения в 1959 году: затвор, область канала, электрод истока и электрод стока. Первоначально исток, сток и канал в основном представляли собой области кремния, легированные атомами других элементов, чтобы создать либо область с подвижными носителями отрицательного заряда (проводимость n-типа), либо область с подвижными носителями положительного заряда (проводимость р-типа). Вам нужны оба типа транзисторов для технологии CMOS, на которой базируются современные компьютерные чипы.


Внешний вид и принцип работы современного полевого транзистора.

Затвор MOSFET расположен чуть выше области канала. На данный момент электрод затвора делают из металла поверх слоя диэлектрического материала. Такая комбинация нужна для проецирования электрического поля в область канала транзистора, чтобы предотвратить утечку заряда.

Приложение достаточно большого напряжения к затвору (относительно истока) создает слой подвижных носителей заряда вблизи границы раздела между диэлектриком и кремнием. Как только этот слой полностью перекрывает промежуток от истока до стока, ток может течь через транзистор. Снижение напряжения на затворе до нуля должно привести к сжатию проводящего слоя и снижению тока до нуля.

Конечно, чтобы ток протекал через канал от истока к стоку, нужно подать напряжение на последний. Поскольку транзисторные структуры становились все меньше и меньше, негативные эффекты от этого напряжения в конечном итоге привели к самому большому изменению формы транзистора за всю его историю.

Это связано с тем, что напряжение исток-сток может создавать собственную проводящую область между электродами. По мере того как область канала становилась все короче и короче с каждым новым поколением транзисторов, влияние напряжения стока становилось все больше. Заряд начинал утекать через область под затвором. В результате получился транзистор, который никогда не отключался полностью, постоянно тратя энергию и выделяя тепло.

Чтобы остановить эту нежелательную утечку, область канала должна быть сделана более тонкой, тем самым ограничивая путь для прохождения заряда. К тому же затвор должен окружать область канала с максимального количества сторон. Таким образом и появился современный транзистор FinFET. Это конструкция, в которой область канала, по сути, приподнята над истоком и стоком, создавая своеобразный «плавник» из кремния и тем самым обеспечивая более широкий путь для протекания тока. Затем затвор и диэлектрик накладываются сверху на этот «плавник», окружая его с трех сторон, а не с одной.

Эволюция транзисторов.

FinFET, без сомнения, имел большой успех. Хотя он был изобретен более десяти лет назад, впервые такие транзисторы коммерчески использовались в 2011 году на 22 нм техпроцессе Intel, после чего этот дизайн освоили Samsung, TSMC и другими. С тех пор он стал рабочей лошадкой передовой кремниевой логики на заключительных этапах масштабирования по закону Мура. Но все хорошее заканчивается. На 3 нм FinFET не справляется с поставленной задачей.

FinFET никогда не был идеальным: так, он ввел ограничение на конструкцию транзистора, что не было проблемой для старого «плоского» типа. Общая проблема всех транзисторов в том, что всегда есть компромисс между скоростью его работы, энергопотреблением, сложностью производства и стоимостью. И этот компромисс во многом связан с шириной канала, которая в кругах разработчиков называется Weff. Большая ширина означает, что вы можете управлять большим током и быстрее включать и выключать транзистор. Но это также требует более сложного и дорогостоящего производственного процесса.

В плоском транзисторе вы можете достичь компромисса, просто отрегулировав геометрию канала. Но трехмерные «плавниковые» транзисторы не дают такой гибкости. Металлические соединения, которые объединяют транзисторы для формирования схем, выстроены слоями над самими транзисторами. И из-за своего «плавника» FinFET не могут сильно отличаться по высоте без вмешательства в слои соединений. Сегодня разработчики микросхем решают эту проблему, создавая отдельные транзисторы с несколькими «плавниками».

Другим недостатком FinFET является то, что его затвор окружает прямоугольный кремниевый «плавник» только с трех сторон, оставляя нижнюю сторону соединенной с корпусом транзистора. Это создает токи утечки, когда транзистор выключен. Многие исследователи полагают, что для получения полного контроля над областью канала затвор должен полностью окружать его.


Инженеры пытаются довести эту идею до логического завершения, по крайней мере, с 1990 года. Именно в этом году они сообщили о создании первого кремниевого транзистора с затвором, который полностью окружает область канала. С тех пор поколения исследователей работали над так называемыми полевыми транзисторами с круговым затвором. К 2003 году инженеры, стремящиеся минимизировать токи утечки, превратили область канала в узкую нанопроволоку, которая соединяет исток и сток и окружена затвором со всех сторон.

Так почему же такие нанопроволоки не стали основой для новейших транзисторов? Опять же, все дело в ширине канала. Узкий канал обеспечивает лишь небольшую возможность выхода электронов, таким образом, минимизируя токи утечки, когда транзистор выключен. Но он также обеспечивает мало места для потока электронов при включенном транзисторе, тем самым ограничивая максимальный ток и замедляя переключение.

Вы можете получить большую Weff и, следовательно, больший ток, накладывая нанопроволоки друг на друга. И инженеры Samsung представили версию этой конфигурации в 2004 году под названием многоканального MOSFET. Но у него было несколько ограничений. Во-первых, как и «плавник» FinFET, «стопка» из нанопроволок не может быть слишком высокой, иначе она будет мешать межтранзисторным соединениям. С другой стороны, каждая дополнительная нанопроволока увеличивает емкость транзистора, замедляя скорость его переключения. И, наконец, из-за сложности изготовления очень узких нанопроволок, они часто оказываются неровными по краям, и это может сказываться на скорости носителей заряда.

В 2006 году инженеры, работающие в лаборатории CEA-Leti, во Франции, продемонстрировали лучшую технологию. Вместо того, чтобы использовать стопку из нанопроволок для соединения истока и стока, они использовали стопку тонких листов кремния. Идея состояла в том, чтобы увеличить ширину канала при небольших размерах транзистора, сохраняя при этом жесткий контроль над током утечки — и, таким образом, обеспечивая более эффективную работу с меньшим энергопотреблением. И это действительно работает: IBM Research продолжила эту концепцию в 2017 году, показав, что транзистор, изготовленный из сложенных нанолистов, на самом деле предлагает большую Weff, чем FinFET, занимающий такую же площадь на чипе.

К тому же нанолистовой дизайн предлагает еще один бонус: он восстанавливает гибкость формы транзистора, потерянную при переходе на FinFET. Листы можно сделать широкими, чтобы увеличить ток, или узкими, чтобы ограничить энергопотребление. IBM Research выпускает три вида таких транзисторов с техпроцессами от 8 до 50 нм.

Процесс производства нанолистового транзистора.

Как сделать нанолистовой транзистор? Это может показаться сложной задачей, учитывая, что при современном производстве полупроводниковые слои вырезаются прямо в верхней части кремниевой пластины. А вот при создании нанолистов необходимо удалить материал между слоями материала и заполнить промежутки как металлом, так и диэлектриком.

Основная хитрость тут заключается в создании так называемой сверхрешетки — слоистого кристалла из двух материалов, в данном случае кремния и сплава кремний-германий. Исследователи смогли создать сверхрешетки с 19 слоями, но связанные с этим механические напряжения делают использование такого количества слоев нецелесообразным.

После выращивания соответствующего количества слоев используют специальное химическое вещество, которое избирательно вытравливает кремний-германий, но ничего не делает с кремнием, оставляя в итоге только кремниевые нанолисты, подвешенные в виде мостов между истоком и стоком. Это на самом деле не новая идея: инженеры France Telecom и STMicroelectronics использовали схожую технологию 20 лет назад в экспериментальных транзисторах типа «кремний на пустоте», пытаясь снизить негативные эффекты от короткого канала путем создания прослойки воздуха под ним.

После создания области канала из кремниевых нанолистов нужно заполнить промежутки между ними, окружив их сначала диэлектриком, а затем металлом, чтобы сформировать стопку затворов. Оба эти этапа выполняются с помощью процесса, называемого атомно-слоевым осаждением, который стали использовать в производстве полупроводников всего лишь чуть более десяти лет назад. В этом процессе газообразное химическое вещество осаждается на открытых поверхностях транзистора, даже на нижней стороне нанолистов, с образованием единого слоя. Затем добавляется второй химический реагент, который реагирует с первым, оставляя атомарный слой необходимого материала, такого как диэлектрический диоксид гафния. Процесс настолько точен, что толщина напыляемого материала регулируется вплоть до одного атомного слоя.

Одна из поразительных вещей в дизайне нанолистов заключается в том, что с его помощью есть шанс даже обогнать закон Мура и упереться в фундаментальный предел. Речь идет, разумеется, о тепловыделении.

Плотность транзисторов постоянно увеличивается с каждым уменьшением техпроцесса. Но вот количество тепла, которое можно без сверхъестественных затрат отвести с одного квадратного сантиметра чипа, на протяжении нескольких десятилетий зависло на уровне около 100 Вт. Производители процессоров делают все возможное, чтобы не превысить этот фундаментальный предел. Так, чтобы обуздать тепловыделение, тактовые частоты не растут выше нескольких гигагерц. К тому же чипмейкеры перешли к многоядерным CPU, вполне логично полагая, что несколько более медленных процессорных ядер смогут выполнить работу за то же время, что и одно быстрое, при этом выделяя меньше тепла. И если мы когда-нибудь захотим снова сильно увеличить тактовые частоты, нам понадобятся более энергоэффективные транзисторы, чем позволит сделать кремний.


Вот так выглядят нанолистовые транзисторы в разрезе под микроскопом.

Одним из возможных решений является использование новых материалов в области канала, таких как германий или полупроводники, состоящие из элементов 3-его и 4-ого столбцов периодической таблицы — например, арсенида галлия. Электроны могут двигаться более чем в 10 раз быстрее в некоторых из этих полупроводниках, что позволяет транзисторам, изготовленным из этих материалов, переключаться существенно быстрее. Что еще более важно, вы сможете снизить напряжение на процессоре, что приведет к более высокой энергоэффективности и меньшему тепловыделению.

В 2012 году ученые из Университета Пердью сконструировали несколько транзисторов с тремя нанолистами, используя в качестве полупроводника арсенид индия-галлия. Результаты оказались даже лучше, чем ожидалось. Этот нанолистовой транзистор допускал токи 9000 микроампер на каждый микрометр ширины канала. Это примерно в три раза больше, чем у лучших плоских полевых транзисторов на сегодня. И это далеко не максимум: вполне возможно, что при оптимизации процесса производства получится поднять производительность в 10 и более раз, сложив больше нанолистов. Этим занимаются, например, исследователи из HRL Laboratories в Малибу, которые сейчас работают над стопками из десятков нанолистов на основе нитрида галлия.

Арсенид галлия-индия — не единственный возможный материал для будущих нанолистовых транзисторов. Исследователи также изучают другие полупроводники с быстрыми носителями заряда, такие как германий, арсенид индия и антимонид галлия. Например, исследователи из Национального университета Сингапура недавно сконструировали полноценный MOSFET, используя комбинацию транзисторов n-типа, изготовленных из арсенида индия, и транзисторов p-типа, изготовленных из антимонида галлия. Но потенциально более удачным решением является использование легированного германия, потому что скорости электронов и носителей положительного заряда (дырок) в нем очень высоки. Однако при изготовлении германиевых транзисторов пока что хватает проблем с производственным процессом и надежностью. Таким образом, полупроводниковая промышленность может упростить себе задачу на начальном этапе, используя кремний-германий в качестве материала канала.

В целом, стопки нанолистов является наилучшим способом построения будущих транзисторов. Производители чипов уже достаточно уверены в этой технологии, чтобы включить ее в свои планы на ближайшее будущее. А благодаря использованию полупроводниковых материалов с высокой подвижностью носителей заряда, нанолистовые транзисторы могут воплотить в жизнь самые смелые мечты о производительности процессоров.

Для чего нужен транзистор, что это такое, виды, как устроен и какой принцип работы

Больше всего вопросов у начинающих радиолюбителей вызывает транзистор. Без этих знаний нельзя починить даже старенький магнитофон, не говоря о современной электронике. Как работает и как устроен транзистор, можно прочитать в этой статье!

Что такое транзистор

У многих возникает вопрос «в каком году был изобретен транзистор». Формально инновацию можно приписать Уильяму Шокли, который положил теоретическую базу первого 2-электродного триода, управлять которым должно внешнее электромагнитное поле. Однозначно сказать, кто изобрел первый транзистор нельзя, так как над ним трудилась целая команда людей: Шокли, Бардин, Браттейн. Благодаря их трудам, компания Bell Labs заявила патент в 1948 году.

Что такое транзистор сейчас? Так называют полупроводниковый элемент радиоэлектроники, состоящий из 3 электродов. Он предназначен для управления и изменения электрического тока в цепи.

Устройство

Простыми словами триоды можно описать так: это — конструкция из нескольких полупроводниковых слоев, впрессованных в керамо-металлический, металл-стеклянный или пластиковый корпус.

Рассматривая схематично, триод состоит из 2 полупроводника, разделенного диэлектрическим промежутком. В зависимости от полярности напряжения, бывают NPN и PNP транзисторы.

Вот так из можно изобразить на рисунке.

Характеристики

Чтобы правильно подобрать транзистор, нужно знать основные параметры. Для бипол.триодов – это:

  1. Усиление по амперам с общей базы.
  2. Аналогичное усиление с эмиттером.
  3. Обратный коллекторный ток Iko.
  4. Hfe транзистора. Показывает, насколько больший ток может протечь по каналу «collector-emitter» в сравнении с каналом «bese-emitter». Кстати, Hfe транзистора относится только к биполярным триодам.

Кстати, относительно бипол.триодов стоит знать, что бывают PNP и NPN транзисторы:

  1. Транзистор NPN пускает ток от контакта «collector «к контакту «emitter».
  2. Транзистор PNP работает наоборот.

Основные параметра транзистора полевого типа заключаются в:

  1. Вольтаж отсечки – напряжение, которое нужно пустить на базу, чтобы закрыть p-n проход.
  2. Максимальный ампераж стока.
  3. Напряжение между выводами триода.

Способ работы

Объяснить, как работает полевой транзистор для чайников – непросто. Придется вообразить себе всю схему. Он состоит из 3 частей:

  1. Коллектор — приемник. На открытый коллектор поступает большой ток, который и нужно изменить. От него он идет в эмиттер.
  2. База – ключ. На этот вывод транзистора подаются малые токи. Они и открывают «большой».
  3. Эмиттер — это выходной канал. На него поступает ток с коллектора.

Как понятно из описания, ток течет между коллектором и эмиттером. Но если база находится в состоянии покоя, транзистор работать не будет.

Может показаться, что работа транзистора похожа на сочетания резистора и выключателя. На самом деле, все хитрее. Если подавать на контакт базы аналоговые токи, то их амплитуда будет сохраняться и на эмиттере, даже если на коллекторе он подавался с другими характеристиками.

Получается, что триод функционирует в ключевом режиме или выполняет функцию изменения (усиления) выходного сигнала.

Чтобы понять принцип действия транзистора, можно посмотреть эту картинку:

Маркировка на схемах

Стандартизированным маркировкой транзистора является литера «Q». Также допускается «VT». Если в схеме больше 1 штуки, часто добавляют позиционное обозначение (например, VT1, VT2…, VTN).

Схема подключения рисуется линиями, с кольцом или без. Направление движения электричества показывается стрелочкой.

Виды триодов

Полупроводниковые транзисторы делятся на 3 категории:

  1. Полевой;
  2. Биполярный;
  3. Комбинированный.

По факту они выполняют схожую функцию, но вот их тип действия отличается. Поэтому многие из них невзаимозаменяемые.

Виды транзисторов стоит рассмотреть предметно и знать хотя бы поверхностно.

Полевые

Также прижилось название «однополярные» (униполярные), так как могут пропускать ток лишь в одном направлении. Стоит помнить, что есть разные виды полевых транзисторов. Всего их 3:

  1. С управляем п-н переходом.
  2. С закрытым затвором.
  3. Имеющие структуру: металл – диэл – проводник.

Эти виды транзисторов состоят из: стока, истока и затвора.

Отличаются высокой чувствительностью к статическому напряжению, поэтому при работе с ними необходимо:

  1. Заземление инструмента. Пинцет должен быть антистатическим, а паяльник заземленным. Если это обычный ЭПСН, то к болтику нужно привязать провод и направить в землю.
  2. Нужна защита от пыли, которая хорошо накапливает статическое напряжение.

Потребляют минимум электроэнергии, поэтому их устанавливают в пульты ДУ и схожую технику.

Биполярные

Структура биполярного транзистора такова, что он может по одному каналу пропускать заряд с разным знаком (+ и -). Из особенность в том, что на выходе у них очень низкое сопротивление, поэтому они используются в качестве коммутационных устройств.

Комбинированные

Поняв принцип работы полевого транзистора или биполярного, с комбинированными трудностей не возникнет. По сути, это 2 и более триода, внедренные в один корпус. Составные транзисторы можно разделить так:

  1. Биполярный триод с резистором.
  2. Соединенные 2 транзистора в одном корпусе. Причем они могут быть одинаковыми, так и отличными.
  3. Лямбда. Так называют 2 триода, комбинированные в одном корпусе. Они образуют место с минусовым сопротивлением.
  4. Схема полевого транзистора с закрытым затвором, управляющий бипол.триодом.

Как работает биполярный триод

Рассматривать устройство биполярного транзистора лучше всего на примерах с небольшой теоретической базой.

Работа бипол.транзистора построена на комбинации разных полупроводников (ПП). Кремнвые, германиевые и другие ПП имеют одно свойство: добавляя к ним другие элементы, они меняют свои качества. Некоторые добавки увеличивают количество свободных электронов (они называются донорами), другие образуют «дыры» (акцепторы).

Это называется электронно-дырочной рекомбинацией. Свободные электроны на коллекторе стремятся рекомбинировать дыры в эмиттере. Осуществляется p-n канальный переход, между полупроводниками. А подаваемый небольшой ток с базы задает амплитуду.

Схемы включения

Схема биполярного транзистора выглядит так:

Из картинки видно, что включение делится на:

  1. Схему включения транзистора с общей базой. Для нее характерно низкое сопротивление на входе, минимальное тепловыделение и большой вольтаж.
  2. Схему включения транзистора с общим коллектором. Высокий вольтаж на входе и низкое на выходе, а также низкий К. вольтажа по усилению.
  3. Схему включения транзистора с общим эмиттером. Большое усиление вольт и ампер, и малое по мощности. Также характерна инверсия входного электричества.

Как работает полевой триод

Здесь p-n канального перехода нет, а заряд идет по заданному «маршруту». Он называется затвором и регулируется подаваемым напряжением.

Упрощенно, пнп зона «ссужается» и «увеличивается», в зависимости от канала, которое создает электромагнитное поле.

Схемы включения

Полевые типы транзисторов имеют схожую схему включения с биполярными:

  1. Общий исток. Дает большее усилие вольт и ватт.
  2. Общий затвор. Малое вводное сопротивление и выходное усиление.
  3. Общий сток. аналогично эмиттеру на бипол.транзисторе.

Транзистор что это? Основные параметры и характеристики, маркировка транзисторов

Транзисторы. Определение и история

 

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Принцип работы транзистора

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Виды транзисторов

Преобразователи широко применяются в производстве цифровых и аналоговых микросхем для обнуления статического потребительского тока и получения улучшенной линейности. Типы транзисторов различаются тем, что одни управляются изменением напряжения, вторые регулируются отклонением тока.

Полевые модули работают при повышенном сопротивлении постоянного тока, трансформация на высокой частоте не увеличивает энергетические затраты. Если говорить, что такое транзистор простыми словами, то это модуль с высокой границей усиления. Эта характеристика у полевых видов больше, чем у биполярных типов. У первых нет рассасывания носителей заряда , что ускоряет работу.

Полевые полупроводники применяются чаще из-за преимуществ перед биполярными видами:

  • мощного сопротивления на входе при постоянном токе и высокой частоте, это уменьшает потери энергии на управление;
  • отсутствия накопления неосновных электронов, из-за чего ускоряется работа транзистора;
  • переноса подвижных частиц;
  • стабильности при отклонениях температуры;
  • небольших шумов из-за отсутствия инжекции;
  • потребления малой мощности при работе.

Виды транзисторов и их свойства определяют назначение. Нагревание преобразователя биполярного типа увеличивает ток по пути от коллектора к эмиттеру. У них коэффициент сопротивления отрицательный, а подвижные носители текут к собирающему устройству от эмиттера. Тонкая база отделена p-n-переходами, а ток возникает только при накоплении подвижных частиц и их инжекции в базу. Некоторые носители заряда захватываются соседним p-n-переходом и ускоряются, так рассчитаны параметры транзисторов.

Полевые транзисторы имеют еще один вид преимущества, о котором нужно упомянуть для чайников. Их соединяют параллельно без выравнивания сопротивления. Резисторы для этой цели не применяются, так как показатель растет автоматически при изменении нагрузки. Для получения высокого значения коммутационного тока набирается комплекс модулей, что используется в инверторах или других устройствах.

Нельзя соединять параллельно биполярный транзистор, определение функциональных параметров ведет к тому, что выявляется тепловой пробой необратимого характера. Эти свойства связаны с техническими качествами простых p-n каналов. Модули соединяются параллельно с применением резисторов для выравнивания тока в эмиттерных цепях. В зависимости от функциональных черт и индивидуальной специфики в классификации транзисторов выделяют биполярные и полевые виды.

Биполярные транзисторы

Биполярные конструкции производятся в виде полупроводниковых приборов с тремя проводниками. В каждом из электродов предусмотрены слои с дырочной p-проводимостью или примесной n-проводимостью. Выбор комплектации слоев определяет выпуск p-n-p или n-p-n типов приборов. В момент включения устройства разнотипные заряды одновременно переносятся дырками и электронами, задействуется 2 вида частиц.

Носители движутся за счет механизма диффузии. Атомы и молекулы вещества проникают в межмолекулярную решетку соседнего материала, после чего их концентрация выравнивается по всему объему. Перенос совершается из областей с высоким уплотнением в места с низким содержанием.

Электроны распространяются и под действием силового поля вокруг частиц при неравномерном включении легирующих добавок в массе базы. Чтобы ускорить действие прибора, электрод, соединенный со средним слоем, делают тонким. Крайние проводники называют эмиттером и коллектором. Обратное напряжение, характерное для перехода, неважно.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор управляет сопротивлением с помощью электрического поперечного поля, возникающего от приложенного напряжения. Место, из которого электроны движутся в канал, называется истоком, а сток выглядит как конечная точка вхождения зарядов. Управляющее напряжение проходит по проводнику, именуемому затвором. Устройства делят на 2 вида:

  • с управляющим p-n-переходом;
  • транзисторы МДП с изолированным затвором.

Приборы первого типа содержат в конструкции полупроводниковую пластину, подключаемую в управляемую схему с помощью электродов на противоположных сторонах (сток и исток). Место с другим видом проводимости возникает после подсоединения пластины к затвору. Вставленный во входной контур источник постоянного смещения продуцирует на переходе запирающее напряжение.

Источник усиливаемого импульса также находится во входной цепи. После перемены напряжения на входе трансформируется соответствующий показатель на p-n-переходе. Модифицируется толщина слоя и площадь поперечного сечения канального перехода в кристалле, пропускающем поток заряженных электронов. Ширина канала зависит от пространства между обедненной областью (под затвором) и подложкой. Управляющий ток в начальной и конечной точках регулируется изменением ширины обедненной области.

Транзистор МДП характеризуется тем, что его затвор отделен изоляцией от канального слоя. В полупроводниковом кристалле, называемом подложкой, создаются легированные места с противоположным знаком. На них установлены проводники — сток и исток, между которыми на расстоянии меньше микрона расположен диэлектрик. На изоляторе нанесен электрод из металла — затвор. Из-за полученной структуры, содержащей металл, диэлектрический слой и полупроводник транзисторам присвоена аббревиатура МДП.

Комбинированные

Комбинированные элементы изобретаются для того, чтобы по применению одного дискретного состояния достичь требуемых электрических параметров. Они бывают:

  • Биполярными с внедрёнными в их схему резисторами;
  • Двумя триодами одной или нескольких структур строения в единой детали;
  • Лямбда-диодами — сочетанием двух полевых управляющих триодов, создающих сопротивляемость со знаком «минус»;
  • Элементы, в которых полевые составляющие управляют биполярными.

Комбинированный транзистор

Цветовая и цифровая маркировка

Транзисторы, как и другие радиокомпоненты, маркируют с помощью цветового кода. Цветовой код состоит из изображения геометрических фигур (треугольников, квадратов, прямоугольников и др.), цветных точек и латинских букв.

Код наносится на плоских частях, крышке и других местах транзистора. По нему можно узнать тип транзистора, месяц и год изготовления. Места маркировки и расшифровка цветовых кодов некоторых типов транзисторов приведены на рис. 2…3 и в табл. 1…4. Практикуется также маркировка некоторых типов транзисторов цифровым кодом (табл. 4).

Таблица 1. Цветовая и кодовая маркировки маломощных среднечастотных и высокочастотных транзисторов.

Тип транзистораГруппы транзисторовМесяц выпускаГод выпуска
ОбозначениеМаркировкаОбозначениеМаркировкаОбозначениеМаркировкаОбозначениеМаркировка
ян в.бежевая
Арозоваяфев.синяя1977бежевая
Бжелтаямартзеленая1978еалатовая
Всиняяапр.красная1979оранжевая
Гбежеваямайеалатовая1980электрик
Доранжеваяиюньсерая1981бирюзовая
КТ3107голубаяЕэлектрикиюлькоричневая1982белая
Жеалатоваяавг.оранжевая1983красная
Изеленаясент.электрик1984коричневая
Ккраснаяокт.белая1985зеленая
Лсераяноябр.желтая1986голубая
декаб.голубая

Таблица 2.  Цветовая маркировка транзистора КТ3107 .

Рис. 2. Места цветовой и кодовой маркировки маломощных среднечастотных и высокочастотных транзисторов в корпусе КТ-26 (ТО-92).

Рис. 3. Места цветовой маркировки транзистора КТ3107 в корпусе КТ-26 (ТО-92).

Рис. 4. Места кодовой маркировки транзисторов в корпусе КТ-27 (ТО-126).

Таблица 3.  Цветовая и кодовая маркировки транзисторов.

КодТип
4КТ814
5КТ815
6КТ816
7КТ817
8КТ683
9КТ9115
12К.У112
40КТ940
Год выпускаКодМесяц выпускаКод
1986иЯнварь1
1987VФевраль2
1988WМарт3
1989XАпрель4
1990АМай5
1991ВИюнь6
1992СИюль7
1993DАвгуст8
1994ЕСентябрь9
1995FОктябрь0
1996ННоябрьN
19971ДекабрьD
1998К
1999L
2000М

Таблица 4. Кодовая маркировка мощных транзисторов.

Применение транзисторов в жизни

Транзисторы применяются в очень многих технических устройствах. Самые яркие примеры:

  1. Усилительные схемы.
  2. Генераторы сигналов.
  3. Электронные ключи.

Во всех устройствах связи усиление сигнала необходимо. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, довольно часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала недостаточно для корректной работы устройства. Информация передаётся с помощью электрических сигналов. Чтобы доставка была гарантированной и качество информации высоким, нам необходимо усиливать сигналы.

Транзисторы способны влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора.

Электронные ключи нужны для управления силой тока в цепи. В состав этих ключей входит множество транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов схем. На их основе работают компьютеры, телевизоры и другие электрические приборы, без которых в современной жизни не обойтись.

Схема подключения транзистора для чайников

Наиболее популярны следующие схемы подсоединения транзисторов в цепь: с общей базовой установкой, общими выводами инжекторного эмиттера и с общим коллекторным преобразователем для подачи напряженности.

Для усилителей с базой общего типа характерно следующее:

  • Низкие параметры входного сопротивления, которое не достигает даже 100 Ом;
  • Неплохая температура и частота триода;
  • Допустимое напряжение весьма большое;
  • Требуют два различных источника питания.

Схемы второго типа обладают:

  • Высокими показателями усиления электротока и напряжения;
  • Низкими показателями усиления мощностных характеристик;
  • Инверсионной разницей между входным и выходным напряжением.

Важно! Схема транзистора с электродами общего коллекторного типа требует одного источника питания.

Подключение по типу общего коллектора может обеспечить:

  • Низкие показатели электронапряжения по усилению;
  • Большая и меньшая сопротивляемость входа и выхода соответственно.

Подключение транзистора для светодиода

Таким образом, транзистор — один из самых распространенных радиоэлементов в электронике. Он позволяет изменять параметры электрического тока и регулировать его для корректной работы электроприборов. Существует несколько видов транзисторов, как и способов их соединения. Различаются они строением и целями использования.

Читаем электрические схемы с транзистором

Управление мощностью с помощью транзистора

Итак, я буду делать схему регулятора мощности свечения лампочки накаливания с помощью советского транзистора КТ815Б. Она будет выглядеть следующим образом:

На схеме мы видим лампу накаливания, транзистор и два резистора. Один из них переменный. Итак, главное правило транзистора: меняя силу тока в цепи базы, мы тем самым меняем силу тока в цепи коллектора, а следовательно,  мощность свечения самой лампы.

Как в нашей схеме будет все это выглядеть? Здесь я показал две ветви. Одну синим цветом, другую красным.

Как вы видите, в синей ветке цепи последовательно друг за другом идут +12В—-R1—-R2—-база—-эмиттер—-минус питания. А как вы помните, если резисторы либо  различные потребители (нагрузки) цепи идут друг за другом последовательно, то через все эти нагрузки, потребители и резисторы протекает одна и та же сила тока. Правило делителя напряжения. То есть в данный момент для удобства объяснения, я назвал эту силу тока, как ток базы Iб . Все то же самое можно сказать и о красной ветви. Ток пойдет по такому пути: +12В—-лампочка—-коллектор—-эмиттер—-минус питания.  В ней будет протекать ток коллектора Iк.

Итак, для чего мы сейчас разобрали эти ветви цепи? Дело в том, что через базу и эмиттер протекает базовый ток Iб , который протекает также и через переменный резистор R1 и резистор R2. Через коллектор-эмиттер протекает ток коллектора Iк , который  также течет и через лампочку накаливания.

Ну и теперь самое интересное: коллекторный ток зависит от того, какая сила тока в данный момент течет через базу-эмиттер. То есть прибавив базовый ток, мы тем самым прибавляем и коллекторный ток. А раз коллекторный ток у нас стал больше, значит и через лампочку сила тока стала больше, и лампочка загорелась еще ярче. Управляя слабым током базы, мы можем управлять большим током коллектора. Это и есть принцип работы биполярного транзистора.

Как нам теперь регулировать силу тока через базу-эмиттер? Вспоминаем закон Ома: I=U/R. Следовательно, прибавляя или убавляя значение сопротивления в цепи базы, мы тем самым можем менять силу тока базы! Ну а она уже будет регулировать силу тока в цепи коллектора. Получается, меняя значение переменного резистора, мы тем самым меняем свечение лампочки 😉

И еще один небольшой нюанс.

Как вы заметили в схеме есть резистор R2. Для чего он нужен? Дело все в том, что может случится пробой перехода база-эмиттер. Или, простым языком, он выгорит. Если бы его не было, то при изменении сопротивления на переменном резисторе R1 до нуля Ом, мы бы махом выжгли P-N переход базы-эмиттера. Поэтому, чтобы такого не было, мы должны  подобрать резистор, который бы при сопротивлении на R1 в ноль Ом, ограничивал бы силу тока на базу, чтобы ее не выжечь.

Получается, мы должны подобрать такую силу тока на базу, чтобы лампочка светилась на полную яркость, но при этом переход база-эмиттер был бы целым. Если сказать языком электроники –  мы должны подобрать такой резистор, который бы вогнал  транзистор в границу насыщения, но не более того.

Такой резистор я подбирал с помощью магазина сопротивления. Его также можно подобрать с помощью переменного резистора. Резистор в базе часто называют токоограничительным.

Регулятор свечения лампочки на транзисторе

Ну а теперь дело за практикой. Собираем схему в реале:

Кручу переменный резистор и добиваюсь того, чтобы лампочка горела на весь накал:

Кручу еще чуток и лампочка светит в пол накала:

Выкручиваю переменный резистор до упора и лампочка тухнет:

Вместо лампочки можно взять любую другую нагрузку, например, вентилятор от компьютера. В этом случае, меняя значение переменного резистора, я могу управлять частотой вращения вентилятора, тем самым убавляя или прибавляя силу потока воздуха.

Здесь вентилятор не крутится, так как я на переменном резисторе выставил большое сопротивление:

Ну а здесь, покрутив переменный резистор, я уже могу регулировать обороты вентилятора:

Можно сказать, что получилась готовая схема, чтобы обдувать себя жарким летним деньком ;-). Стало холодно – убавил обороты, стало слишком жарко – прибавил 😉

Прошаренные чайники-электронщики могут сказать: “А зачем так сильно все было усложнять? Не проще ли было просто взять переменный резистор и соединить последовательно с нагрузкой?

Да, можно.

Но должны соблюдаться некоторые условия. Предположим у нас лампа накаливания большой мощности, а значит и сила тока в цепи тоже будет приличная. В этом случае переменный резистор должен быть большой мощности, так как при выкручивании до упора в сторону маленького сопротивления через него побежит большой ток. Вспоминаем формулу выделяемой мощности на нагрузке: P=I2R. Переменный резистор сгорит (проверено не раз на собственном опыте).

В схеме с транзистором весь груз ответственности, то бишь всю мощность рассеивания, транзистор берет на себя. В схеме с транзистором переменный резистор спалить уже будет невозможно, так как сила тока в цепи базы в десятки, а  то и в сотни раз меньше (в зависимости от беты транзистора), чем сила тока через нагрузку, в нашем случае через лампочку.

Греться по-максимуму транзистор будет только тогда, когда мы регулируем мощность нагрузки наполовину. В этом случае половина отсекаемой мощности в нагрузке будет рассеиваться на транзисторе. Поэтому, если вы регулируете мощную нагрузку, то для начала поинтересуйтесь таким параметром, как мощность рассеивания транзистора и при необходимости не забывайте ставить транзисторы на радиаторы.

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.


Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы.

Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Резюме

Главное предназначение транзистора – управление большой силой тока с помощью малой силы тока, то есть с помощью маленького базового тока мы можем регулировать приличный коллекторный ток.

Есть критического значение базового тока, которые нельзя превышать, иначе сгорит переход база-эмиттер. Такая сила тока через базу возникает, если потенциал на базе будет более 5 Вольт в прямом смещении. Но лучше даже близко не приближаться к такому значению. Также не забывайте, чтобы открыть транзистор, на базе должен быть потенциал больше, чем 0,6-0,7 Вольт для кремниевого транзистора.

Резистор в базе служит для ограничения протекающего  тока через базу-эмиттер. Его значение выбирают в зависимости от режима работы схемы. В основном это граница насыщения транзистора, при котором коллекторный ток начинает принимать свои максимальные значения.

При проектировании схемы не забываем, что лишняя мощность рассеивается на транзисторе. Самый щадящий режим – это режим отсечки и насыщения, то есть лампа либо вообще не горит, либо горит на всю мощность. Самая большая мощность будет выделяться на транзисторе в том случае, если лампа горит в пол накала.

Литература по электронике

Наука, которая изучает транзисторы и другие приборы, называется электроника. Целый ее раздел посвящён полупроводниковым приборам. Если вам интересно получить больше информации о работе транзисторов, можно почитать следующие книги по этой тематике:

  1. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера — Дэвид М.
  2. Операционные системы. Разработка и реализация — Эндрю Т.
  3. Силовая электроника для любителей и профессионалов — Б. Ю. Семенов .

В этих книгах описываются различные средства программируемой электроники. Конечно же, в основе всех программируемых схем, лежат транзисторы. Благодаря этим книгам вы не только получите новые знания о транзисторах, но и навыки, которые, возможно, принесут вам доход.

Теперь вы знаете, как работают транзисторы, и где они применяются в жизни. Если вам интересна эта тема, продолжайте её изучать, ведь прогресс не стоит на месте, и все технические устройства постоянно совершенствуются. В этом деле очень важно идти в ногу со временем. Успехов вам!

Источники

  • https://habr.com/ru/post/133136/
  • https://principraboty.ru/princip-raboty-tranzistora/
  • https://odinelectric.ru/knowledgebase/kak-rabotaet-tranzistor-i-gde-ispolzuetsya
  • https://rusenergetics.ru/oborudovanie/skhema-tranzistora
  • https://RadioStorage.net/1670-tranzistory-osnovnye-parametry-i-harakteristiki-markirovka-tranzistorov.html
  • https://tokar.guru/hochu-vse-znat/tranzistor-vidy-primenenie-i-principy-raboty.html
  • https://www.RusElectronic.com/chitaem-elektricheskie-skhemy-s-tranzistorami/

[свернуть]

Урок 2.5 — Транзисторы и микросхемы

Транзистор

Я очень долго думал, как объяснить простыми человеческими словами, что же такое транзистор. Даже если рассказывать о транзисторе очень-очень поверхностно, мне придётся написать не менее пяти листов, используя заумные термины.

Потом меня осенило: ведь главная цель моего обзора – не дать академические знания (за ними пожалуйте в университет или хотя бы в Википедию), а научить начинающего радиолюбителя хотя бы отличать транзистор от конденсатора и резистора, чтобы успешно собрать свои первые конструкции (например, наборы Мастер Кит).

Поэтому лучше всего сказать так: транзисторы – это радиодетальки с тремя выводами, предназначенные для усиления и преобразования сигналов. Так они могут выглядеть в жизни:

 

 

Так обозначается транзистор на схеме:

У транзистора, как мы уже поняли, три вывода: база (B), коллектор (C), эмиттер (E).
На базу обычно подаётся входной сигнал, с коллектора — снимается усиленный сигнал, а эмиттер является общим проводом схемы. Конечно, это очень примитивное описание принципов работы транзистора, и вообще есть очень много нюансов, но мы уже договорились, что я не буду мучить вас чтением многостраничного труда.


На самой радиодетали выводы никак не маркированы. Какого-либо стандарта расположения выводов тоже нет. Так как же определить, где какой вывод?
Придётся воспользоваться справочной информацией: на каждый транзистор имеется так называемый даташит, или, иными словами, паспорт радиодетали. В даташите приводится вся информация по транзистору: максимально допустимые ток и напряжение, коэффициент усиления, расположение выводов и многое-многое другое. Даташиты проще всего искать в сети Интернет, также основные параметры транзисторов можно найти в радиолюбительской литературе.

 

Взаимозаменяемость транзисторов

Так как транзистор имеет гораздо более сложное устройство и больше значащих параметров, чем резистор, конденсатор или диод, подобрать допустимую замену отсутствующему компоненту непросто. Как минимум, у заменяемого транзистора должен быть такой же тип корпуса и цоколёвка (расположение выводов). Новый транзистор должен иметь такую же структуру: NPN или PNP. Кроме того, необходимо учитывать электрические параметры: допустимые токи, напряжения, в некоторых случаях – граничную частоту и т.п.
Иногда разработчик схемы делает этот труд за вас, предлагая возможные аналоги транзистора. В сети Интернет и в радиолюбительской литературе также имеются справочные таблицы с информацией о возможных аналогах транзисторов.
В наборы Мастер Кит также иногда вкладываются вместо оригинальных (временно отсутствующих на складе) транзисторов их аналоги, и такая замена не ухудшает качества работы готовой конструкции.

 

Установка транзистора на печатную плату

 Вообще же, для успешной сборки набора Мастер Кит необязательно знать, где какой вывод у транзистора. Достаточно совместить «ключи» на транзисторе и на печатной плате – и выводы транзистора «автоматически» установятся так, как положено.

Посмотрите на рисунок. У транзистора есть «ключ» — при взгляде на него сверху явно видно, что корпус полукруглый. Такой же «ключ» имеется на печатной плате. Для корректной установки транзистора достаточно совместить «ключи» на транзисторе и на печатной плате:

 

Микросхема


Микросхема – это уже почти готовое устройство, или, образно говоря, электронный полуфабрикат.

Микросхема содержит в себе электронную схему, выполняющую определённую функцию: это может быть логическое устройство, преобразователь уровней, стабилизатор, усилитель. Внутри микросхемы размером с ноготь могут содержаться десятки (а иногда и сотни, миллионы и миллиарды) резисторов, диодов, транзисторов и конденсаторов.

Микросхемы выпускаются в различных корпусах и имеют разное количество выводов. Вот некоторые примеры микросхем, с которыми может работать начинающий радиолюбитель:

 


Цоколёвка микросхемы

Выводы нумеруются против часовой стрелки начиная с левого верхнего. Первый вывод определяется с помощью «ключа» — выемки на краю корпуса или точки в виде углубления.


Взаимозаменяемость микросхем

Микросхема – это узкоспецифическая готовая электронная схема, содержащая в себе огромное количество элементов, и в общем случае каждая микросхема уникальна.
Но всё же в некоторых случаях можно подобрать замену. Разные производители могут выпускать одинаковые микросхемы. Проблема только в том, что не существует никакой унификации в названии (иногда, но не обязательно, могут совпадать цифры наименований). Например, MA709CH, MC1709G, LM 1709L SN72710L, К153УД1А/Б — это одна и та же микросхема разных фирм-производителей.

В некоторых случаях в наборы Мастер Кит также могут входить аналоги микросхем. Это нормально, и не ухудшает характеристик готовой схемы.


Микросхемы — стабилизаторы напряжения

Микросхемы стабилизаторов напряжения имеют три вывода, поэтому их легко можно перепутать с транзистором. Но в корпусе этого маленького компонента могут содержаться десятки транзисторов, резисторов и диодов. Например, на рисунке ниже представлена микросхема 78L05. Вы можете подавать на её вход напряжение от 5 до 30В, на выходе же микросхемы будет присутствовать неизменное напряжение 5В, при этом нагрузочная способность микросхемы – 100 мА. Подобный стабилизатор выпускается и в более мощной версии – до 1А нагрузочной способности, называется он 7805 и имеет более крупный корпус.

 

 

 

Установка микросхемы на печатную плату

На микросхеме и на печатной плате имеются «ключи», и при установке микросхемы на плату обязательно требуется их совмещать, как показано на рисунке ниже:

 

Скачать урок в формате PDF

Как работают транзисторы? — Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 21 сентября 2020 г.

Ваш мозг содержит около 100 миллиардов клеток, называемых нейронами, — крошечных переключателей, которые позволяют вам думать и запоминать вещи. Компьютеры содержат миллиарды миниатюрных «клеток мозга». Их называют транзисторами и они сделаны из кремния, химического элемента, обычно встречающегося в песке. Транзисторы произвели революцию в электронике с момента их появления. изобретен более полувека назад Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильям Шокли.Но что это такое и как они работают?

Фото: Насекомое с тремя ногами? Нет, типичный транзистор на электронной плате. Хотя простые схемы содержат отдельные транзисторы, подобные этому, сложные схемы внутри компьютеров также содержат микрочипы, каждый из которых может иметь тысячи, миллионы или сотни миллионов транзисторов, упакованных внутри. (Технически, если вас интересуют более интересные элементы, это кремниевый транзистор усилителя PNP 5401B. Я объясню, что все это означает сейчас.)

Что на самом деле делает транзистор?

Фото: Компактные слуховые аппараты были одними из первых применений транзисторов, а этот датируется концом 1950-х или 1960-х годов. Он был размером с колоду игральных карт, поэтому его можно было носить в кармане пиджака или на нем. С другой стороны корпуса есть микрофон, который улавливает окружающие звуки. Вы можете ясно видеть четыре маленьких черных транзистора внутри, усиливающих эти звуки, а затем выстреливающих их в маленький громкоговоритель, который находится у вас в ухе.

Транзистор действительно прост — и действительно сложен. Давайте начнем с простая часть. Транзистор — это миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две разные работы. Может работать как усилитель или как переключатель:

  • Когда работает как усилитель, нужно в крошечном электрическом токе на одном конце ( входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной ток) на другом. Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это входит действительно полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, одна из первых вещей люди использовали транзисторы для.В слуховом аппарате есть крошечный микрофон. который улавливает звуки из окружающего вас мира и превращает их в колеблющиеся электрические токи. Они подаются на транзистор, который усиливает их и приводит в действие крошечный громкоговоритель, так что вы слышите гораздо более громкую версию окружающих вас звуков. Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более подробном виде. юмористический способ: «Если взять тюк сена и привязать его к хвост мула, а затем чиркнуть спичкой и поджечь тюк сена, и если вы затем сравните энергию, израсходованную вскоре после этого, мул с энергией, затраченной вами на зажигание спички, вы поймете концепцию усиления.«
  • Транзисторы
  • также могут работать как переключатели. А крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может значительно увеличить ток течет через другую его часть. Другими словами, маленький ток переключается на больший. По сути, так работают все компьютерные микросхемы. За например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых можно включать или выключать индивидуально. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух различных состояниях, он может хранить два разных числа, ноль и единицу.С миллиардами транзисторов микросхема может хранить миллиарды нулей и единиц, и почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.

Самое замечательное в машинах старого образца было то, что вы могли их отдельно, чтобы понять, как они работают. Это никогда не было слишком сложно, с немного толкать и тыкать, чтобы узнать, какой бит сделал что и как один вещь привела к другому. Но электроника совсем другая. Это все об использовании электронов для управления электричеством.Электрон — это минута частица внутри атома. Он такой маленький, весит чуть меньше 0.000000000000000000000000000001 кг! Самые современные транзисторы работают контролируя движения отдельных электронов, чтобы вы могли представьте, насколько они маленькие. В современном компьютерном чипе размер ноготь, вы, вероятно, найдете от 500 миллионов и два миллиарда отдельных транзисторов. Нет шанса разобрать транзистор, чтобы узнать, как он работает, поэтому мы должны понять это с помощью теории и воображения.Во-первых, это помогает, если мы знаем, из чего сделан транзистор.

Как делается транзистор?

Фото: Кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Транзисторы изготовлены из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит электричество (оно не позволяет электронам легко проходить через него). Кремний — это полупроводник, а это значит, что он ни на самом деле проводник (что-то вроде металла, пропускающий электричество), ни изолятор (что-то вроде пластика, не пропускающего электричество).Если мы обрабатываем кремний примесями (процесс, известный как легирование), мы можем заставить его вести себя по-другому путь. Если мы добавим в кремний химические элементы мышьяк, фосфор, или сурьма, кремний получает дополнительные «свободные» электроны — те, которые может проводить электрический ток, поэтому электроны будут вытекать об этом более естественно. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, кремний обработанный таким образом, называется n-типом (отрицательный тип). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор, галлий и алюминий.В кремнии, обработанном таким образом, меньше таких «свободные» электроны, поэтому электроны в соседних материалах будут стремиться втекать в него. Мы называем этот кремний p-типа (положительный тип).

Вкратце, мимоходом, важно отметить, что ни кремний n-типа, ни p-типа на самом деле не имеет заряда сам по себе : оба электрически нейтральны. Это правда, что кремний n-типа имеет дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как кремний p-типа имеет меньше этих свободных электронов, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом.В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) атомов примесей к кремнию, что изначально было нейтральным — и мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Для более подробного объяснения мне потребуется представить идею под названием ленточная теория, что немного выходит за рамки данной статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «лишние электроны» означают дополнительные свободных электронов — те, которые могут свободно перемещаться и помогать переносить электрический ток.

Кремниевые бутерброды

Теперь у нас есть два разных типа кремния. Если мы сложим их вместе слоями, делая бутерброды из материала p-типа и n-типа, мы можем сделать различные виды электронных компонентов, которые работают во всех видах способами.

Предположим, мы соединяем кусок кремния n-типа с частью p-типа кремний и поместите электрические контакты с обеих сторон. Увлекательно и полезно вещи начинают происходить на стыке двух материалы. Если мы обратимся по току, мы можем заставить электроны течь через переход от сторона n-типа к стороне p-типа и наружу через цепь.Этот происходит из-за отсутствия электронов на стороне p-типа переход притягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но если мы меняем направление тока, электроны вообще не текут. Что мы сделанный здесь называется диодом (или выпрямителем). Это электронный компонент, который позволяет току течь через него только в одном направлении. Это полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в постоянный (односторонний) ток. Диоды тоже можно сделать так, чтобы они испускали светится, когда через них проходит электричество.Вы могли видеть эти светодиоды на карманных калькуляторах и электронных дисплеи на стереооборудовании Hi-Fi.

Как работает переходной транзистор

Фотография: Типичный кремниевый PNP-транзистор (A1048, разработанный как усилитель звуковой частоты).

Теперь предположим, что вместо этого мы используем три слоя кремния в нашем сэндвиче. из двух. Мы можем сделать бутерброд p-n-p (с ломтиком n-типа кремний в качестве заполнения между двумя пластинами p-типа) или n-p-n сэндвич (с p-типом между двумя плитами n-типа).Если мы присоединить электрические контакты ко всем трем слоям сэндвича, мы можем сделать компонент, который будет либо усиливать ток, либо включать его, либо выключен — другими словами, транзистор. Посмотрим, как это работает в случае n-p-n транзистор.

Итак, мы знаем, о чем говорим, давайте дадим имена трем электрические контакты. Мы назовем два контакта, соединенных с двумя кусочки кремния n-типа эмиттер и коллектор, и контакт соединенный с кремнием p-типа, который мы назовем базой.Когда нет ток протекает в транзисторе, мы знаем, что кремний p-типа не хватает электроны (показаны здесь маленькими знаками плюса, обозначающими положительные зарядов) и два куска кремния n-типа имеют лишние электроны (показаны маленькими знаками минус, обозначающими отрицательные заряды).

Другой способ взглянуть на это — сказать, что в то время как n-тип имеет избыток электронов, p-тип имеет дырки, где электроны должно быть. Обычно отверстия в основании действуют как барьер, предотвращающий любые значительный ток от эмиттера к коллектору при транзистор находится в выключенном состоянии.

Транзистор работает, когда электроны и дырки начинают двигаться через два перехода между кремнием n-типа и p-типа.

Давай подключить транзистор к некоторой мощности. Допустим, мы прикрепляем небольшой положительное напряжение на базу, сделать эмиттер отрицательно заряженным и сделать коллектор положительно заряженным. Электроны вытягиваются из эмиттер в базу, а затем из базы в коллектор. И транзистор переходит в состояние «включено»:

Малый ток, который мы включаем на базе, создает большой ток. поток между эмиттером и коллектором.Повернув небольшой вход ток в большой выходной ток, транзистор действует как усилитель. Но в то же время он действует как переключатель. Когда нет тока база, ток между коллектором и эмиттер. Включите базовый ток, и течет большой ток. Итак, база ток включает и выключает весь транзистор. Технически это тип транзистора называется биполярным, потому что два разных вида (или «полярностей») электрического заряда (отрицательные электроны и положительные отверстия) участвуют в протекании тока.

Мы также можем понять транзистор, представив его как пару диодов. С база положительная, а эмиттер отрицательная, переход база-эмиттер похож на прямое смещение диод, с электронами, движущимися в одном направлении через переход (слева направо в схему) и отверстия, идущие в противоположную сторону (справа налево). База-коллектор переход похож на диод с обратным смещением. Положительное напряжение коллектора тянет большая часть электронов проходит через внешнюю цепь (хотя некоторые электроны рекомбинируют с дырками в основании).

Как работает полевой транзистор (FET)

Все транзисторы работают, управляя движением электронов, но не все из них делают это одинаково. Подобно переходному транзистору, полевой транзистор (полевой транзистор) имеет три разных контакта, но они иметь названия источник (аналог эмиттера), сток (аналогично коллектор), и затвор (аналог цоколя). В полевом транзисторе слои Кремний n-типа и p-типа устроен несколько иначе и покрытый слоями металла и оксида.Это дает нам устройство под названием MOSFET (Металлооксидное полупроводниковое поле) Эффектный транзистор).

Хотя в истоке и стоке n-типа есть лишние электроны, они не могут перетекать от одного к другому из-за дыр в ворота p-типа между ними. Однако если приложить положительный напряжение на затвор, там создается электрическое поле, позволяющее электроны перетекают по тонкому каналу от истока к стоку. Этот «полевой эффект» позволяет току течь и включает транзистор:

Для полноты картины отметим, что полевой МОП-транзистор является униполярным. транзистор потому что только один вид («полярность») электрического заряда участвует в его работе.

Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?

На практике вам не нужно ничего знать об этом электроны и дыры, если вы не собираетесь разрабатывать компьютерные чипы для заработка! Все, что вам нужно знать, это то, что транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток включить более крупный. Но есть еще одна вещь, которую стоит знать: как все это помогает компьютерам хранить информацию и принимать решения?

Мы можем соединить несколько транзисторных ключей, чтобы что-то сделать. называется логическим вентилем, который сравнивает несколько входные токи и в результате дает другой выход.Логические ворота позволяют компьютерам создавать очень простые решения с использованием математической техники, называемой булевой алгеброй. Точно так же и ваш мозг принимает решения. Например, используя «входные данные» (то, что вы знаете) о погоде и о том, что у вас свой коридор, вы можете принять такое решение: «Если идет дождь И я есть зонтик, я пойду в магазины «. Это пример булевой алгебры, в которой используется так называемое И «оператор» (слово «оператор» — это всего лишь небольшой математический жаргон, заставляют вещи казаться более сложными, чем они есть на самом деле).Ты можешь сделать аналогичные решения с другими операторами. «Если ветрено ИЛИ идет снег, тогда я надену пальто «- это пример использования оператора ИЛИ. Или как насчет «Если идет дождь, И я есть зонтик ИЛИ у меня есть пальто, тогда можно выйти на улицу «. Используя AND, ИЛИ и другие операторы, вызываемые Компьютеры NOR, XOR, NOT и NAND могут складывать или сравнивать двоичные числа. Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логическая серия инструкций, которые заставляют компьютеры действовать.

Обычно переходной транзистор выключен, когда нет базы. ток и переключается в положение «включено», когда течет базовый ток.Это значит требует электрического тока для включения или выключения транзистора. Но такие транзисторы могут быть подключены к логическим элементам, чтобы их выход соединения возвращаются на свои входы. Транзистор затем остается включенным, даже если базовый ток отключен. Каждый раз новый основание ток течет, транзистор «переключается» или выключается. Остается в одном из эти стабильные состояния (включены или выключены) до тех пор, пока другой ток приходит и переворачивает его в другую сторону. Такая аранжировка известен как триггер, и это превращает транзистор в простой запоминающее устройство, в котором хранится ноль (когда он выключен) или один (когда он на).Шлепанцы — это основная технология, лежащая в основе компьютерных микросхем памяти.

Кто изобрел транзистор?

Изображение: Оригинальный дизайн точечного транзистора, как изложено в Патент Джона Бардина и Уолтера Браттейна в США (2 524 035), поданный в июне 1948 г. (примерно через шесть месяцев после оригинальное открытие) и награжден 3 октября 1950 года. Это простой PN-транзистор с тонкий верхний слой германия P-типа (желтый) на нижнем слое германия N-типа (оранжевый).Три контакта: эмиттер (E, красный), коллектор (C, синий) и база (G, зеленый). Вы можете прочитать больше в оригинальном патентном документе, который указан в ссылках ниже. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

транзисторов были изобретены в Bell Laboratories в Нью-Джерси в 1947 году. трех блестящих физиков США: Джона Бардина (1908–1991), Уолтера Браттейн (1902–1987) и Уильям Шокли (1910–1989).

Команда, возглавляемая Шокли, пыталась разработать новый тип усилителя для телефонной системы США — но что собственно изобретенные они оказались гораздо более распространенными Приложения.Бардин и Браттейн создали первый практический транзистор (известный как точечный транзистор) во вторник, 16 декабря 1947 г. Хотя Шокли сыграл большую роль в этом проекте, он был разъяренный и взволнованный из-за того, что его оставили в стороне. Вскоре после этого во время остановиться в отеле на конференции по физике, единолично выяснил он теория переходного транзистора — устройство гораздо лучше, чем точечный транзистор.

В то время как Бардин ушел из Bell Labs, чтобы стать академиком (он продолжил пользуются еще большим успехом при изучении сверхпроводников в Университете Иллинойса), Браттейн остался на некоторое время, прежде чем уйти на пенсию, чтобы стать учителем.Шокли основал собственную компанию по производству транзисторов и помог вдохновить современный феномен «Силиконовая долина» (процветающий район вокруг Пало-Альто, Калифорния, где корпорации электроники собраны). Двое его сотрудников, Роберт Нойс и Гордон Мур, ушли чтобы основать Intel, крупнейшего в мире производителя микрочипов.

Бардин, Браттейн и Шокли ненадолго воссоединились несколько лет спустя, когда они поделились лучшими научными достижениями мира награда, Нобелевская премия по физике 1956 г., за их открытие.Их история захватывающий рассказ о интеллектуальный талант борется с мелкой ревностью, и это хорошо стоит прочтения больше о. Вы можете найти отличные отчеты об этом среди книг и веб-сайты, перечисленные ниже.

Как работают транзисторы? — Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 21 сентября 2020 г.

Ваш мозг содержит около 100 миллиардов клеток, называемых нейронами, — крошечных переключателей, которые позволяют вам думать и запоминать вещи. Компьютеры содержат миллиарды миниатюрных «клеток мозга».Их называют транзисторами и они сделаны из кремния, химического элемента, обычно встречающегося в песке. Транзисторы произвели революцию в электронике с момента их появления. изобретен более полувека назад Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильям Шокли. Но что это такое и как они работают?

Фото: Насекомое с тремя ногами? Нет, типичный транзистор на электронной плате. Хотя простые схемы содержат отдельные транзисторы, подобные этому, сложные схемы внутри компьютеров также содержат микрочипы, каждый из которых может иметь тысячи, миллионы или сотни миллионов транзисторов, упакованных внутри.(Технически, если вас интересуют более интересные вещи, это кремниевый транзистор усилителя PNP 5401B. Я объясню, что все это означает сейчас.)

Что на самом деле делает транзистор?

Фото: Компактные слуховые аппараты были одними из первых применений транзисторов, а этот датируется концом 1950-х или 1960-х годов. Он был размером с колоду игральных карт, поэтому его можно было носить в кармане пиджака или на нем. С другой стороны корпуса есть микрофон, который улавливает окружающие звуки.Вы можете ясно видеть четыре маленьких черных транзистора внутри, усиливающих эти звуки, а затем выстреливающих их в маленький громкоговоритель, который находится у вас в ухе.

Транзистор действительно прост — и действительно сложен. Давайте начнем с простая часть. Транзистор — это миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две разные работы. Может работать как усилитель или как переключатель:

  • Когда работает как усилитель, нужно в крошечном электрическом токе на одном конце ( входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной ток) на другом.Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это входит действительно полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, одна из первых вещей люди использовали транзисторы для. В слуховом аппарате есть крошечный микрофон. который улавливает звуки из окружающего вас мира и превращает их в колеблющиеся электрические токи. Они подаются на транзистор, который усиливает их и приводит в действие крошечный громкоговоритель, так что вы слышите гораздо более громкую версию окружающих вас звуков. Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более подробном виде. юмористический способ: «Если взять тюк сена и привязать его к хвост мула, а затем чиркнуть спичкой и поджечь тюк сена, и если вы затем сравните энергию, израсходованную вскоре после этого, мул с энергией, затраченной вами на зажигание спички, вы поймете концепцию усиления.«
  • Транзисторы
  • также могут работать как переключатели. А крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может значительно увеличить ток течет через другую его часть. Другими словами, маленький ток переключается на больший. По сути, так работают все компьютерные микросхемы. За например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых можно включать или выключать индивидуально. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух различных состояниях, он может хранить два разных числа, ноль и единицу.С миллиардами транзисторов микросхема может хранить миллиарды нулей и единиц, и почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.

Самое замечательное в машинах старого образца было то, что вы могли их отдельно, чтобы понять, как они работают. Это никогда не было слишком сложно, с немного толкать и тыкать, чтобы узнать, какой бит сделал что и как один вещь привела к другому. Но электроника совсем другая. Это все об использовании электронов для управления электричеством.Электрон — это минута частица внутри атома. Он такой маленький, весит чуть меньше 0.000000000000000000000000000001 кг! Самые современные транзисторы работают контролируя движения отдельных электронов, чтобы вы могли представьте, насколько они маленькие. В современном компьютерном чипе размер ноготь, вы, вероятно, найдете от 500 миллионов и два миллиарда отдельных транзисторов. Нет шанса разобрать транзистор, чтобы узнать, как он работает, поэтому мы должны понять это с помощью теории и воображения.Во-первых, это помогает, если мы знаем, из чего сделан транзистор.

Как делается транзистор?

Фото: Кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Транзисторы изготовлены из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит электричество (оно не позволяет электронам легко проходить через него). Кремний — это полупроводник, а это значит, что он ни на самом деле проводник (что-то вроде металла, пропускающий электричество), ни изолятор (что-то вроде пластика, не пропускающего электричество).Если мы обрабатываем кремний примесями (процесс, известный как легирование), мы можем заставить его вести себя по-другому путь. Если мы добавим в кремний химические элементы мышьяк, фосфор, или сурьма, кремний получает дополнительные «свободные» электроны — те, которые может проводить электрический ток, поэтому электроны будут вытекать об этом более естественно. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, кремний обработанный таким образом, называется n-типом (отрицательный тип). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор, галлий и алюминий.В кремнии, обработанном таким образом, меньше таких «свободные» электроны, поэтому электроны в соседних материалах будут стремиться втекать в него. Мы называем этот кремний p-типа (положительный тип).

Вкратце, мимоходом, важно отметить, что ни кремний n-типа, ни p-типа на самом деле не имеет заряда сам по себе : оба электрически нейтральны. Это правда, что кремний n-типа имеет дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как кремний p-типа имеет меньше этих свободных электронов, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом.В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) атомов примесей к кремнию, что изначально было нейтральным — и мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Для более подробного объяснения мне потребуется представить идею под названием ленточная теория, что немного выходит за рамки данной статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «лишние электроны» означают дополнительные свободных электронов — те, которые могут свободно перемещаться и помогать переносить электрический ток.

Кремниевые бутерброды

Теперь у нас есть два разных типа кремния. Если мы сложим их вместе слоями, делая бутерброды из материала p-типа и n-типа, мы можем сделать различные виды электронных компонентов, которые работают во всех видах способами.

Предположим, мы соединяем кусок кремния n-типа с частью p-типа кремний и поместите электрические контакты с обеих сторон. Увлекательно и полезно вещи начинают происходить на стыке двух материалы. Если мы обратимся по току, мы можем заставить электроны течь через переход от сторона n-типа к стороне p-типа и наружу через цепь.Этот происходит из-за отсутствия электронов на стороне p-типа переход притягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но если мы меняем направление тока, электроны вообще не текут. Что мы сделанный здесь называется диодом (или выпрямителем). Это электронный компонент, который позволяет току течь через него только в одном направлении. Это полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в постоянный (односторонний) ток. Диоды тоже можно сделать так, чтобы они испускали светится, когда через них проходит электричество.Вы могли видеть эти светодиоды на карманных калькуляторах и электронных дисплеи на стереооборудовании Hi-Fi.

Как работает переходной транзистор

Фотография: Типичный кремниевый PNP-транзистор (A1048, разработанный как усилитель звуковой частоты).

Теперь предположим, что вместо этого мы используем три слоя кремния в нашем сэндвиче. из двух. Мы можем сделать бутерброд p-n-p (с ломтиком n-типа кремний в качестве заполнения между двумя пластинами p-типа) или n-p-n сэндвич (с p-типом между двумя плитами n-типа).Если мы присоединить электрические контакты ко всем трем слоям сэндвича, мы можем сделать компонент, который будет либо усиливать ток, либо включать его, либо выключен — другими словами, транзистор. Посмотрим, как это работает в случае n-p-n транзистор.

Итак, мы знаем, о чем говорим, давайте дадим имена трем электрические контакты. Мы назовем два контакта, соединенных с двумя кусочки кремния n-типа эмиттер и коллектор, и контакт соединенный с кремнием p-типа, который мы назовем базой.Когда нет ток протекает в транзисторе, мы знаем, что кремний p-типа не хватает электроны (показаны здесь маленькими знаками плюса, обозначающими положительные зарядов) и два куска кремния n-типа имеют лишние электроны (показаны маленькими знаками минус, обозначающими отрицательные заряды).

Другой способ взглянуть на это — сказать, что в то время как n-тип имеет избыток электронов, p-тип имеет дырки, где электроны должно быть. Обычно отверстия в основании действуют как барьер, предотвращающий любые значительный ток от эмиттера к коллектору при транзистор находится в выключенном состоянии.

Транзистор работает, когда электроны и дырки начинают двигаться через два перехода между кремнием n-типа и p-типа.

Давай подключить транзистор к некоторой мощности. Допустим, мы прикрепляем небольшой положительное напряжение на базу, сделать эмиттер отрицательно заряженным и сделать коллектор положительно заряженным. Электроны вытягиваются из эмиттер в базу, а затем из базы в коллектор. И транзистор переходит в состояние «включено»:

Малый ток, который мы включаем на базе, создает большой ток. поток между эмиттером и коллектором.Повернув небольшой вход ток в большой выходной ток, транзистор действует как усилитель. Но в то же время он действует как переключатель. Когда нет тока база, ток между коллектором и эмиттер. Включите базовый ток, и течет большой ток. Итак, база ток включает и выключает весь транзистор. Технически это тип транзистора называется биполярным, потому что два разных вида (или «полярностей») электрического заряда (отрицательные электроны и положительные отверстия) участвуют в протекании тока.

Мы также можем понять транзистор, представив его как пару диодов. С база положительная, а эмиттер отрицательная, переход база-эмиттер похож на прямое смещение диод, с электронами, движущимися в одном направлении через переход (слева направо в схему) и отверстия, идущие в противоположную сторону (справа налево). База-коллектор переход похож на диод с обратным смещением. Положительное напряжение коллектора тянет большая часть электронов проходит через внешнюю цепь (хотя некоторые электроны рекомбинируют с дырками в основании).

Как работает полевой транзистор (FET)

Все транзисторы работают, управляя движением электронов, но не все из них делают это одинаково. Подобно переходному транзистору, полевой транзистор (полевой транзистор) имеет три разных контакта, но они иметь названия источник (аналог эмиттера), сток (аналогично коллектор), и затвор (аналог цоколя). В полевом транзисторе слои Кремний n-типа и p-типа устроен несколько иначе и покрытый слоями металла и оксида.Это дает нам устройство под названием MOSFET (Металлооксидное полупроводниковое поле) Эффектный транзистор).

Хотя в истоке и стоке n-типа есть лишние электроны, они не могут перетекать от одного к другому из-за дыр в ворота p-типа между ними. Однако если приложить положительный напряжение на затвор, там создается электрическое поле, позволяющее электроны перетекают по тонкому каналу от истока к стоку. Этот «полевой эффект» позволяет току течь и включает транзистор:

Для полноты картины отметим, что полевой МОП-транзистор является униполярным. транзистор потому что только один вид («полярность») электрического заряда участвует в его работе.

Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?

На практике вам не нужно ничего знать об этом электроны и дыры, если вы не собираетесь разрабатывать компьютерные чипы для заработка! Все, что вам нужно знать, это то, что транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток включить более крупный. Но есть еще одна вещь, которую стоит знать: как все это помогает компьютерам хранить информацию и принимать решения?

Мы можем соединить несколько транзисторных ключей, чтобы что-то сделать. называется логическим вентилем, который сравнивает несколько входные токи и в результате дает другой выход.Логические ворота позволяют компьютерам создавать очень простые решения с использованием математической техники, называемой булевой алгеброй. Точно так же и ваш мозг принимает решения. Например, используя «входные данные» (то, что вы знаете) о погоде и о том, что у вас свой коридор, вы можете принять такое решение: «Если идет дождь И я есть зонтик, я пойду в магазины «. Это пример булевой алгебры, в которой используется так называемое И «оператор» (слово «оператор» — это всего лишь небольшой математический жаргон, заставляют вещи казаться более сложными, чем они есть на самом деле).Ты можешь сделать аналогичные решения с другими операторами. «Если ветрено ИЛИ идет снег, тогда я надену пальто «- это пример использования оператора ИЛИ. Или как насчет «Если идет дождь, И я есть зонтик ИЛИ у меня есть пальто, тогда можно выйти на улицу «. Используя AND, ИЛИ и другие операторы, вызываемые Компьютеры NOR, XOR, NOT и NAND могут складывать или сравнивать двоичные числа. Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логическая серия инструкций, которые заставляют компьютеры действовать.

Обычно переходной транзистор выключен, когда нет базы. ток и переключается в положение «включено», когда течет базовый ток.Это значит требует электрического тока для включения или выключения транзистора. Но такие транзисторы могут быть подключены к логическим элементам, чтобы их выход соединения возвращаются на свои входы. Транзистор затем остается включенным, даже если базовый ток отключен. Каждый раз новый основание ток течет, транзистор «переключается» или выключается. Остается в одном из эти стабильные состояния (включены или выключены) до тех пор, пока другой ток приходит и переворачивает его в другую сторону. Такая аранжировка известен как триггер, и это превращает транзистор в простой запоминающее устройство, в котором хранится ноль (когда он выключен) или один (когда он на).Шлепанцы — это основная технология, лежащая в основе компьютерных микросхем памяти.

Кто изобрел транзистор?

Изображение: Оригинальный дизайн точечного транзистора, как изложено в Патент Джона Бардина и Уолтера Браттейна в США (2 524 035), поданный в июне 1948 г. (примерно через шесть месяцев после оригинальное открытие) и награжден 3 октября 1950 года. Это простой PN-транзистор с тонкий верхний слой германия P-типа (желтый) на нижнем слое германия N-типа (оранжевый).Три контакта: эмиттер (E, красный), коллектор (C, синий) и база (G, зеленый). Вы можете прочитать больше в оригинальном патентном документе, который указан в ссылках ниже. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

транзисторов были изобретены в Bell Laboratories в Нью-Джерси в 1947 году. трех блестящих физиков США: Джона Бардина (1908–1991), Уолтера Браттейн (1902–1987) и Уильям Шокли (1910–1989).

Команда, возглавляемая Шокли, пыталась разработать новый тип усилителя для телефонной системы США — но что собственно изобретенные они оказались гораздо более распространенными Приложения.Бардин и Браттейн создали первый практический транзистор (известный как точечный транзистор) во вторник, 16 декабря 1947 г. Хотя Шокли сыграл большую роль в этом проекте, он был разъяренный и взволнованный из-за того, что его оставили в стороне. Вскоре после этого во время остановиться в отеле на конференции по физике, единолично выяснил он теория переходного транзистора — устройство гораздо лучше, чем точечный транзистор.

В то время как Бардин ушел из Bell Labs, чтобы стать академиком (он продолжил пользуются еще большим успехом при изучении сверхпроводников в Университете Иллинойса), Браттейн остался на некоторое время, прежде чем уйти на пенсию, чтобы стать учителем.Шокли основал собственную компанию по производству транзисторов и помог вдохновить современный феномен «Силиконовая долина» (процветающий район вокруг Пало-Альто, Калифорния, где корпорации электроники собраны). Двое его сотрудников, Роберт Нойс и Гордон Мур, ушли чтобы основать Intel, крупнейшего в мире производителя микрочипов.

Бардин, Браттейн и Шокли ненадолго воссоединились несколько лет спустя, когда они поделились лучшими научными достижениями мира награда, Нобелевская премия по физике 1956 г., за их открытие.Их история захватывающий рассказ о интеллектуальный талант борется с мелкой ревностью, и это хорошо стоит прочтения больше о. Вы можете найти отличные отчеты об этом среди книг и веб-сайты, перечисленные ниже.

Что такое транзистор? Типы, использование, принцип работы

Транзистор определяется как полупроводниковое устройство, которое в основном состоит из трех выводов для усиления или переключения электронных сигналов и электрических целей. Эти устройства, обычно классифицируемые на биполярные переходные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET), позволяют использовать радиоприемники, компьютеры, калькуляторы и т. Д.которые вы используете сегодня.

Что ж, учитывая, что современные транзисторы, такие как BC547, 2n2222, 2n3904 и т. Д., Используются в микроконтроллерах (например, Arduino) или в приложениях для построения электрических схем, важно, чтобы мы более подробно рассмотрели транзисторы в сегодняшнем блоге.

Типы транзисторов и условные обозначения их схем

Ранее мы упоминали, что существует два типа транзисторов; Биполярные и полевые транзисторы. В этом разделе мы углубимся в каждый тип транзистора и объясним, как он работает.

Что такое BJT (NPN и PNP) и как он работает? Типичный BJT

Во-первых, для BJT он поставляется в двух итерациях или версиях; NPN и PNP BJT с обозначениями схем, показанными ниже:

BJT: символы цепей NPN и PNP

Как видите, и в итерациях NPN и PNP контакты помечены; Коллектор (C), база (B) и эмиттер (E). Разницу между ними можно заметить по направлению стрелки; где для NPN стрелка выходит из базы, а для PNP стрелка входит в базу.

Как работает BJT?

Теперь, когда мы определили, что такое BJT, мы посмотрим, как BJT работают, на простой иллюстрации ниже:

Ref

Для NPN-транзистора он состоит из слоя полупроводника, легированного P, между двумя слоями материала, легированного азотом, где электроны проходят от эмиттера к коллектору. Затем эмиттер «испускает» электроны в базу, при этом база управляет номером. электронов испускает эмиттер. Выброшенные электроны, наконец, собираются коллектором и отправляются в следующую часть цепи.

В то время как для транзистора PNP он состоит из слоя полупроводника с примесью азота между двумя слоями материала с примесью фосфора, где ток базы, поступающий в коллектор, усиливается. По сути, ток по-прежнему контролируется базой, но течет в противоположном направлении. Кроме того, вместо испускания электронов эмиттер в PNP испускает «дырки» (концептуальное отсутствие электронов), которые затем собираются коллектором.

Что такое полевой транзистор и как он работает?

Полевой транзистор, другой тип транзистора, чаще всего классифицируется как MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) и состоит из контактов; Ворота, исток, сток.Благодаря другой конструкции выводов он работает несколько иначе, чем BJT.

Как работает полевой транзистор

Чтобы понять, как работает полевой транзистор, мы рассмотрим типичную принципиальную схему:

Схема MOSFET
  • Блок, также известный как подложка полупроводника p-типа, действует как основа для MOSFET
  • Две стороны на этой подложке p-типа сделаны сильно легированными примесью n-типа (обозначена как n +)
    • Выводы стока (исток и сток) затем выводятся из этих двух концевых областей
  • Вся поверхность подложки покрыта слоем диоксида кремния
    • Диоксид кремния действует как изоляция
  • Тонкий Затем поверх диоксида кремния помещают изолированную металлическую пластину, действующую как пластину конденсатора.
    • Затем вывод затвора выводится из тонкой металлической пластины
  • Затем формируется цепь постоянного тока путем подключения источника напряжения между этими двумя Области n-типа (отмечены красным)

Когда на затвор подается напряжение, оно генерирует электрическое поле, которое изменяет ширину области канала, где e лектроны текут.Чем шире область канала, тем лучше будет проводимость устройства.

BJT против MOSFET транзистора

Теперь, когда мы рассмотрели оба типа транзисторов; BJT и FET (широко известные MOSFET), давайте посмотрим на их различия, показанные в таблице ниже:

Конструкция затвора , сток с более сложной структурой
MOSFET BJT
Определение Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор Биполярный переходной транзистор
3 клеммы:
Эмиттер, база и коллектор
Принцип работы Для работы MOSFET требуется напряжение на электроде затвора с оксидной изоляцией Для работы BJT , он зависит от тока на базовом выводе
Пригодность для использования Высокомощные приложения для регулирования тока
Аналоговые и цифровые схемы
Слаботочные приложения

Какой транзистор выбрать?

Хотя MOSFET имеет преимущества перед BJT, такие как контроль напряжения, выбор любого из них зависит от целей вашего приложения.Вот для чего подходит каждый транзистор:

  • Если вы хотите регулировать поток сильного тока узкими импульсами или для любых приложений с большой мощностью, MOSFET — это то, что вам нужно.
  • Для обычных электрических цепей или слаботочных домашних приложений BJT вполне могут быть достаточно для выполнения работы

Применения транзистора

Транзистор чаще всего используется в качестве электронных переключателей в цифровых схемах или в качестве усилителя.Давайте объясним, как работает каждое приложение.

Транзисторы как переключатели

Переключатели включаются и выключаются, тогда как для транзисторов он действует как таковой, создавая двоичный эффект включения / выключения переключателя, поэтому для его переключения не требуется привод, а вместо этого требуется напряжение. Такое приложение используется для управления потоком энергии к другой части цепи. Другими словами, небольшой ток, протекающий через одну часть транзистора, позволяет протекать гораздо большему току через другую часть транзистора.

Транзисторы как переключатели можно увидеть в микросхемах памяти, где присутствуют миллионы транзисторов, которые включаются и выключаются.

Транзисторы в качестве усилителя

Транзисторы работают не только как переключатели, но и как усилители, принимая крошечные электрические токи и производя гораздо более высокий выходной ток на другом конце. Такие транзисторы обычно используются в таких продуктах, как слуховые аппараты, радио и т. Д., В любых устройствах с диапазоном мкВ.

Рекомендуемые транзисторы для использования

Ранее мы установили, что MOSFET является частью семейства полевых транзисторов, что делает его отличным вариантом для управления большим током.Но знаете ли вы, что это первый компактный транзистор, который можно миниатюризировать для широкого диапазона применений?

Да! с революцией в электронных технологиях, он постепенно превратился в миниатюрные модули для использования в микроконтроллерах (например, Arduino)

Ниже мы даем рекомендации по MOSFET-транзисторам, идеально подходящим для такого использования!

Grove — МОП-транзистор Grove — MOSFET

Как следует из названия, Grove — MOSFET представляет собой миниатюрный МОП-транзистор, который помогает вам легко управлять проектом высокого напряжения с помощью вашей платы Arduino!

Особенности:

  • Две винтовые клеммы на плате; один для внешнего источника питания, а другой для устройства, которым вы хотите управлять с помощью управления напряжением
  • 5–15 В

Благодаря нашей системе Grove вы также сможете использовать наши кабели Grove по принципу «подключи и работай», легко добавить или удалить этот транзистор в свой электронный проект!

Хотите узнать больше о Grove — MOSFET? Вы можете посетить страницу продукта здесь, чтобы увидеть его техническое описание, схему и многое другое!

Сводка

Это все на сегодняшний день руководства по транзисторам.Я надеюсь, что благодаря этому вы получите общее представление о том, что такое транзистор, типы транзисторов (BJT, FET), как они работают и их применение!

Если вы ищете простое взаимодействие Arduino с MOSFET, обратите внимание на Grove — MOSFET!

Следите за нами и ставьте лайки:

Теги: bc547, bjt, bjt транзистор, fet, как работает транзистор, mosfet, mosfet транзистор, npn, pnp, транзистор, схема транзистора, функция транзистора, символ транзистора, символы транзистора, типы транзисторов, что такое транзистор

Продолжить чтение

Что это такое и как они работают?

Транзистор — это электронный компонент, используемый в схеме для управления большим током или напряжением с помощью небольшого количества напряжения или тока.Это означает, что его можно использовать для усиления или переключения (выпрямления) электрических сигналов или мощности, что позволяет использовать его в широком спектре электронных устройств.

Это достигается за счет размещения одного полупроводника между двумя другими полупроводниками. Поскольку ток передается через материал, который обычно имеет высокое сопротивление (например, резистор ), это «передаточный резистор» или транзистор .

Первый практический точечный транзистор был построен в 1948 году Уильямом Брэдфордом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Хаусом Браттейном.Патенты на концепцию транзисторов датируются 1928 годом в Германии, хотя они, похоже, никогда не были построены, или, по крайней мере, никто никогда не заявлял, что их построил. За эту работу трое физиков получили Нобелевскую премию по физике 1956 года.

Структура базового точечного транзистора

По сути, существует два основных типа транзисторов с точечным контактом: транзистор npn и транзистор pnp , где n и p обозначают отрицательный и положительный соответственно.Единственная разница между ними — расположение напряжений смещения.

Чтобы понять, как работает транзистор, вы должны понять, как полупроводники реагируют на электрический потенциал. Некоторые полупроводники будут типа n или отрицательными, что означает, что свободные электроны в материале дрейфуют от отрицательного электрода (например, батареи, к которой он подключен) к положительному. Другие полупроводники будут типа p , и в этом случае электроны заполняют «дыры» в электронных оболочках атомов, что означает, что он ведет себя так, как если бы положительная частица перемещалась от положительного электрода к отрицательному.Тип определяется атомной структурой конкретного полупроводникового материала.

Теперь рассмотрим транзистор npn . Каждый конец транзистора представляет собой полупроводниковый материал типа n , а между ними — полупроводниковый материал типа p . Если вы представите себе такое устройство, подключенное к батарее, вы увидите, как работает транзистор:

  • Область типа n , прикрепленная к отрицательному концу батареи, помогает продвигать электроны в среднюю область типа p .
  • Область типа n , прикрепленная к положительному концу батареи, помогает замедлить выход электронов из области типа p .
  • область типа p в центре делает и то, и другое.

Таким образом, изменяя потенциал в каждой области, вы можете резко повлиять на скорость потока электронов через транзистор.

Преимущества транзисторов

По сравнению с электронными лампами, которые использовались ранее, транзистор был потрясающим достижением.Меньший по размеру транзистор можно было легко изготавливать дешево в больших количествах. У них также были различные эксплуатационные преимущества, которых слишком много, чтобы упоминать их здесь.

Некоторые считают транзистор величайшим изобретением 20-го века, поскольку он так много открыл путь другим электронным достижениям. Практически каждое современное электронное устройство имеет транзистор в качестве одного из основных активных компонентов. Поскольку они являются строительными блоками микрочипов, компьютеры, телефоны и другие устройства не могут существовать без транзисторов.

Другие типы транзисторов

Существует большое количество типов транзисторов, которые были разработаны с 1948 года. Вот список (не обязательно исчерпывающий) различных типов транзисторов:

  • Биполярный переходной транзистор (BJT)
  • Полевой транзистор (FET)
  • Гетеропереходный биполярный транзистор
  • Однопереходный транзистор
  • Двухзатворный полевой транзистор
  • Лавинный транзистор
  • Тонкопленочный транзистор
  • Транзистор Дарлингтона
  • Баллистический транзистор
  • FinFET
  • Транзистор с плавающим затвором
  • Транзистор с инвертированным Т-эффектом
  • Спиновый транзистор
  • Фототранзистор
  • Биполярный транзистор с изолированным затвором
  • Одноэлектронный транзистор
  • Нанофлюидный транзистор
  • Тригатный транзистор (прототип Intel)
  • Ионный -чувствительный полевой транзистор
  • Эпитаксальный диод с быстрой обратной связью (FREDFET)
  • Электролит-оксидно-полупроводниковый полевой транзистор (EOSFET)

Под редакцией Энн Мари Хелменстайн, Ph.Д.

транзисторов — мир современных электронов | ОРЕЛ

Добро пожаловать в мир современной электроники! У нас есть самопосадочные ракетные корабли, дроны, которые доставят посылки к вашему порогу за считанные минуты, и вездеходы, прочесывающие самые дальние уголки нашей галактики. Без знаменитого транзистора ни одно из этих современных чудес никогда не было бы возможным! Миллионы этих транзисторов втиснуты в микропроцессор, питающий ваш компьютер, но что, черт возьми, они там делают?

Давай узнаем.

Просто прославленный коммутатор?

Транзистор сравнивают с простым переключателем, но не обманывайтесь; это гораздо больше. Транзистор выполняет две важные задачи, в том числе:

Усиливающий ток

Транзистор может взять небольшой ток и превратить его в огромный! Подумайте о слуховых аппаратах; они содержат миниатюрный микрофон, который улавливает звук из повседневной среды, который затем поглощается транзистором и превращается в мощный звук, который может слышать больное человеческое ухо.Мой дедушка передает привет, Транзистор.

Ой, как далеко продвинулся слуховой аппарат благодаря транзистору. (Источник изображения)

Коммутируемый ток

Транзисторы

также работают как мощный переключатель, позволяя току течь только при соблюдении определенных условий. Когда току разрешено протекать, это создает состояние «включено» или 1. Когда ток не может протекать, транзистор находится в состоянии «выключено», или 0. Эта двоичная система единиц и нулей формирует строительные блоки нашего мира современной электроники.

Эта знаменитая сцена из «Матрицы» обретает новую жизнь, когда вы понимаете, как это происходит с помощью транзисторов! (Источник изображения)

Как заставить транзистор работать

Если сложить два диода, то получится транзистор! Транзисторы имеют три вывода, каждый из которых выполняет свои собственные специализированные функции. В демонстрационных целях мы сосредоточимся на транзисторе NPN. Мы объясним более подробно ниже.

  • База. База отвечает за контроль того, может ли ток течь через транзистор при подаче питания.Вы можете думать о нем как о привратнике.
  • Коллектор. Когда на базу подается питание, ток коллектора может течь по направлению к эмиттеру.
  • Эмиттер. Эмиттер принимает электрический ток, который может посылать коллектор, для использования в других частях вашей цепи.

Простая схема, показывающая, как база позволяет току течь от эмиттера к коллектору. (Источник изображения)

Небольшое количество электрического тока, которое получает база, открывает ток от коллектора, чтобы выпустить его (больший) ток.Сбрасывает весь накопленный ток на эмиттер, запитывая другие части вашей цепи.

Но если убрать источник тока с базы, то между коллектором и эмиттером не будет протекать ток. Этот процесс как управления током, так и его усиления между базой и эмиттером — вот что делает транзистор поистине уникальным компонентом.

Другой легированный компонент

Как и его младший брат диод, транзистор представляет собой еще один полупроводниковый компонент, сделанный из кремния.Что такое полупроводник? Это материал, который находится где-то посередине между проводником (материалом, через который любит течь электричество) и изолятором (материалом, которого избегает электричество). Похоже на нерешительность, правда?

Полупроводники бывают разных форм и размеров в промышленных формах, таких как эта интегральная схема. (Источник изображения)

Добавляя примеси в полупроводники, известные как легирование, мы можем добиться уникального поведения этих материалов.Например:

  • Создание кремния N-типа. Допирование кремния химическим элементом мышьяком, фосфором или сурьмой даст нашему кремнию дополнительные электроны, позволяя ему проводить электрический ток. Это создает кремний n-типа.
  • Создание кремния P-типа. Допирование кремния химическими элементами бором, галлием или алюминием лишает кремний свободных электронов, притягивая внешние электроны. Это создает кремний p-типа.
  • Создание транзисторов. Когда вы соединяете эти два типа кремния, рождаются транзисторы! Они объединены в «кремниевый сэндвич», который позволяет току течь интересными способами.

Теперь у нас есть сырые ингредиенты для транзистора, кремний n-типа и кремний p-типа, но как они вместе образуют этот компонент? Есть два способа построить транзистор:

Транзисторы NPN

Эти транзисторы создаются при соединении трех слоев кремния, включая два кремния n-типа и один кремний p-типа.N-типы служат коллектором и эмиттером, а p-тип — базой. Все это вместе формирует так называемый NPN-транзистор. В этих транзисторах электроны переходят от эмиттера к коллектору после получения разрешения от базы.

Транзисторы PNP

Эти транзисторы рождаются, когда вы объединяете вместе еще три слоя кремния, только в другой комбинации. В данном случае мы имеем два силикона p-типа и один кремний n-типа.Эта комбинация создает эффект, обратный NPN-транзистору, где вместо того, чтобы посылать ток на эмиттер, коллектор посылает положительно заряженные «дыры» на коллектор. Вы можете думать об этих дырах как о пустых пространствах, в которых нет электронов.

Простой способ визуализировать, как кремний собран вместе в транзисторе.

Типы транзисторов

, с которыми вы столкнетесь

Во время своего путешествия в мир электроники вы обязательно столкнетесь с двумя основными типами транзисторов — биполярным переходным транзистором (BJT) и полевым транзистором (FET).Давайте посмотрим на каждый:

Биполярный переходной транзистор (BJT)

Это транзистор, о котором мы говорили во всех наших примерах. Он поставляется в двух версиях, NPN и PNP, и имеет три клеммы, базу, эмиттер и коллектор. Вам знаком схематический символ ниже? Если диод пришел в голову, значит вы уже близко! Три клеммы соединительных транзисторов будут помечены стрелкой, показывающей, в каком направлении будет течь ток.

Транзисторы NPN и PNP, обратите внимание, как стрелка показывает поток тока для каждого из них.

В транзисторе NPN все, что вам нужно, — это приложить к базе напряжение около 0,7 В, чтобы получить огромный скачок тока, протекающего через коллектор к эмиттеру. Это включит транзистор, создав двоичную единицу.

Полевой транзистор (FET)

Полевой транзистор появился на свет после BJT, и, хотя у него три вывода, они названы немного по-другому.У вас есть затвор , который похож на базу, исток , который аналогичен коллектору, и, наконец, сток , который похож на эмиттер. Этот тип транзистора также включает слои кремния n-типа и p-типа, но они покрыты слоями металлов и ионов кислорода, что дало этому транзистору уникальное название MOSFET (полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника). Это полный рот!

Два типа полевых транзисторов, n-канальный и p-канальный.(Источник изображения)

В транзисторах этого типа подключение положительного напряжения к затвору позволяет электронам проходить через очень тонкий канал между истоком и стоком. И хотя этот процесс визуально отличается, это тот же основной принцип: небольшое количество тока позволяет протекать большему источнику тока.

Эго и рождение транзистора

Это изобретение возникло в недрах Bell Laboratories в Нью-Джерси тремя физиками, Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли.Команда была собрана под руководством Шокли для разработки замены ненадежной вакуумной лампе, которая использовалась для усиления сигналов в телефонной системе США.

С этим трио дела идут плохо.

Три блестящих физика работают над разработкой замены вакуумной лампе. (Источник изображения)

Во-первых, и Бардин, и Браттейн ушли работать самостоятельно, создав то, что мы теперь знаем как первый транзистор с точечным контактом, 16 декабря 1947 года.Они намеренно исключили Шокли из всего процесса, и, возможно, по уважительной причине, поскольку он, как сообщается, был немного придурком.

Конечно, Шокли был расстроен тем, что его оставили в стороне, так что же он сделал? Он заперся в гостиничном номере на несколько дней с карандашом и бумагой, а позже изложил теорию известного теперь переходного транзистора, который был гораздо более технологичен, чем точечный транзистор.

Шокей — 1, Бардин и Браттейн — 0.

Не очень гламурный первый транзистор, созданный на пластине германия.(Источник изображения)

В конце концов, все трое этих джентльменов получили признание за изобретение транзистора. Шокли даже основал свою собственную компанию по производству полупроводников, Shockley Semiconductor Laboratory, и после серьезной ссоры с некоторыми из его сотрудников, Intel и Fairchild Semiconductor родились после компании Шокли.

Bell Labs и не только

С момента своего создания в Bell Labs транзистор имеет дикая и безумная история.Промышленные транзисторы использовались в качестве усилителей, и именно в 1952 году стали доступны первые транзисторные слуховые аппараты. Но это не совсем помогло производителям и потребителям, которые по-прежнему считали технологию электронных ламп единственным вариантом усиления.

Обратите внимание на разницу в размерах! Первый транзисторный слуховой аппарат (вверху) и ламповый слуховой аппарат (внизу). (Источник изображения)

Это восприятие вскоре изменилось, когда в радио появились транзисторы.Звуки можно было послать через микрофон, превратить в электрическую цепь и усилить с помощью транзистора, чтобы произвести довольно удивительные звуки в таком маленьком корпусе.

Настоящим гвоздем в гроб для электронных ламп стал карманный радиоприемник, разработанный Texas Instruments в 1954 году и получивший название Regency TR-1. Этому миниатюрному радиоприемнику требовалось несколько новых деталей, чтобы поместиться в такой небольшой корпус, включая тщательно спроектированные динамики, конденсаторы и, конечно же, транзисторы.

Благо вся эта инженерия?

Texas Instruments доказала, что транзисторы могут быть массовыми и экономичными.И такие компании, как Emerson, General Electric и Raytheon, наконец, начали серьезно относиться к транзисторам.

Первое в мире карманное радио на транзисторе. (Источник изображения)

1954 ознаменовал замену кремния в качестве предпочтительного материала для производства транзисторов, который оказался более надежным и менее дорогим в производстве, чем транзисторы на основе германия. Развитие продолжалось в течение 60-х годов, и в 1970-х годах появился первый полевой МОП-транзистор, основанный на успехе переходного транзистора Уильяма Шокли.

Что ждет транзисторы в будущем?

Что ж, это еще предстоит выяснить. В настоящее время ученые работают над первым в мире молекулярным транзистором, состоящим из одной молекулы бензола. Этот тип транзисторов не выделяет столько тепла, сколько наши современные кремниевые транзисторы.

Мы также пытаемся заменить кремний графеном, который может переносить электроны намного быстрее, чем кремний. Единственное зависание? Мы до сих пор не можем придумать, как надежно производить графен.Если мы сможем заставить его работать по разумной цене, графен сделает наши компьютерные процессоры в 1000 раз быстрее, чем кремний.

Роль транзисторов в вычислительной технике

Давайте вернемся в настоящее, чтобы понять, как транзисторы полностью изменили компьютеры в двух областях — логике и памяти.

Транзисторы и логика

Соединив множество транзисторов вместе, вы можете создать нечто, называемое логическим вентилем. Это позволяет вам сравнивать входящие токи и отправлять разные выходы в зависимости от вашей запрограммированной логики.

Эти логические элементы позволяют компьютеру принимать решения с помощью булевой алгебры. Если вы пробовали программировать, они должны быть вам знакомы, включая логические значения, такие как AND, OR, NOT и т. Д. Объединение всей этой логики вместе — вот что заставляет наше компьютерное программное обеспечение работать, предоставляя серию инструкций для наших компьютеров. .

Транзисторы и память Транзисторы

также используются для питания всей памяти в наших компьютерах. Подключив логические вентили по определенному шаблону, вы можете создать выходные соединения, которые обратятся к входным соединениям.Это создает своего рода схему, при которой транзисторы будут оставаться включенными даже после того, как их базовый ток будет снят, оставляя транзистор в так называемом стабильном состоянии: включено или выключено. Умножьте это на миллионы или миллиарды транзисторов со стабильным состоянием, и вскоре вы обнаружите, что постоянно включаются и выключаются транзисторы, которые могут хранить данные как в единицах, так и в виде нулей.

Они идут меньше, но где они остановятся, никто не знает!

Появившись только около 70 лет назад, транзисторы были чертовски быстры, выросли с десятков до сотен, а теперь даже миллионов и миллиардов транзисторов в наших повседневных вычислительных устройствах! Эти полупроводниковые компоненты завершают наш взгляд на увлекательный мир активных компонентов, которые играют динамическую роль в развитии наших электронных разработок.

Можем ли мы продолжать использовать все больше и больше транзисторов в наших интегральных схемах, как гласит закон Мура? Мы начинаем достигать физических пределов кремния и электронов. Похоже, пора вложить деньги в исследования и разработки графена и фотонов. Мир современной электроники ждет!

Знаете ли вы, что Autodesk EAGLE предлагает массу бесплатных библиотек транзисторов, готовых к использованию? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня, чтобы начать работу!

Типы транзисторов: работа и их применение

Транзистор является активным компонентом, который используется во всех электронных схемах.Они используются как усилители и коммутационные аппараты. В качестве усилителей они используются в каскадах высокого и низкого уровня, частотных каскадах, генераторах, модуляторах, детекторах и в любой цепи, которая должна выполнять определенную функцию. В цифровых схемах они используются как переключатели. Во всем мире существует огромное количество производителей, которые производят полупроводники (транзисторы являются членами этого семейства устройств), поэтому существует ровно тысячи различных типов. Существуют транзисторы малой, средней и большой мощности, для работы с высокими и низкими частотами, для работы с очень высоким током и / или высоким напряжением.В этой статье дается обзор того, что такое транзистор, различных типов транзисторов и их применения.

Что такое транзистор

Транзистор — это электронное оборудование. Это сделано через полупроводник p- и n-типа. Когда полупроводник помещается в центр между полупроводниками одного типа, такое устройство называется транзисторами. Можно сказать, что транзистор — это комбинация двух диодов, это соединение спина к спине. Транзистор — это устройство, которое регулирует ток или напряжение и действует как кнопка или затвор для электронных сигналов.


Типы транзисторов

Транзисторы состоят из трех слоев полупроводникового устройства, каждый из которых может перемещать ток. Полупроводник — это такой материал, как германий и кремний, который проводит электричество «полу-энтузиазмом». Это где-то между настоящим проводником, таким как медь, и изолятором (похожим на провода в пластиковой оболочке).

Символ транзистора

Показана схематическая форма транзисторов n-p-n и p-n-p. Внутрисхемная форма соединения используется.Символ стрелки определяет ток эмиттера. В соединении n-p-n мы идентифицируем поток электронов в эмиттер. Это означает, что из эмиттера течет консервативный ток, как показано исходящей стрелкой. Точно так же можно видеть, что для соединения p-n-p консервативный ток течет в эмиттер, как показано направленной внутрь стрелкой на рисунке.

Транзисторы PNP и NPN

Существует так много типов транзисторов, каждый из которых различается по своим характеристикам, и у каждого есть свои преимущества и недостатки.Некоторые типы транзисторов используются в основном для коммутации. Другие могут использоваться как для переключения, так и для усиления. Тем не менее, другие транзисторы относятся к особой группе, например фототранзисторы, которые реагируют на количество падающего на них света, создавая ток, протекающий через них. Ниже приведен список различных типов транзисторов; мы рассмотрим их характеристики.

Каковы два основных типа транзисторов?

Транзисторы подразделяются на два типа, такие как BJT и полевые транзисторы.

Биполярный переходной транзистор (BJT)

Биполярный переходный транзистор — это транзисторы, состоящие из трех областей: базы, коллектора и эмиттера. Транзисторы с биполярным соединением, различные полевые транзисторы, являются устройствами с регулируемым током. Небольшой ток, поступающий в базовую область транзистора, вызывает гораздо больший ток, протекающий от эмиттера к области коллектора. Биполярные транзисторы бывают двух основных типов: NPN и PNP. NPN-транзистор — это транзистор, в котором большинство носителей тока — электроны.

Электроны, протекающие от эмиттера к коллектору, составляют основу большей части тока, протекающего через транзистор. Остальные типы зарядов, дырки, составляют меньшинство. Транзисторы PNP — наоборот. В транзисторах PNP большинство дырок носителей тока. Биполярные транзисторы доступны двух типов, а именно: PNP и NPN.

Контакты биполярного переходного транзистора
PNP-транзистор

Этот транзистор представляет собой еще один вид BJT — биполярных переходных транзисторов и содержит два полупроводниковых материала p-типа.Эти материалы разделены тонким полупроводниковым слоем n-типа. В этих транзисторах основными носителями заряда являются дырки, а неосновными носителями заряда являются электроны.

В этом транзисторе стрелка указывает на обычный ток. Направление тока в этом транзисторе — от вывода эмиттера к выводу коллектора. Этот транзистор будет включен, когда клемма базы переместится в низкий уровень по сравнению с клеммой эмиттера. Транзистор PNP с символом показан ниже.

NPN-транзистор

NPN также является одним из видов BJT (биполярных переходных транзисторов) и включает в себя два полупроводниковых материала n-типа, разделенных тонким полупроводниковым слоем p-типа. В транзисторе NPN основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями заряда — дырки. Электроны, протекающие от вывода эмиттера к выводу коллектора, будут формировать ток в выводе базы транзистора.

В транзисторе меньшая величина тока, подаваемого на вывод базы, может вызвать подачу большого количества тока от вывода эмиттера к коллектору.В настоящее время обычно используются BJT-транзисторы, так как подвижность электронов выше, чем подвижность дырок. Ниже показан NPN-транзистор с символом.

Полевой транзистор

Полевой транзистор состоит из 3 областей: затвора, истока и стока. Различные биполярные транзисторы, полевые транзисторы — это устройства, управляемые напряжением. Напряжение, подаваемое на затвор, управляет током, протекающим от истока к стоку транзистора. Полевые транзисторы имеют очень высокий входной импеданс, от нескольких мегаомов (МОм) до гораздо больших значений.

Такое высокое входное сопротивление приводит к тому, что через них проходит очень небольшой ток. (Согласно закону Ома, на ток обратно пропорционально влияет значение импеданса цепи. Если импеданс высокий, ток очень низкий.) Таким образом, оба полевых транзистора потребляют очень небольшой ток от источника питания схемы.

Полевые транзисторы

Таким образом, это идеальный вариант, поскольку они не нарушают работу силовых элементов исходной схемы, к которым они подключены. Они не приведут к перегрузке источника питания.Недостатком полевых транзисторов является то, что они не обеспечивают такое усиление, которое можно получить от биполярных транзисторов.

Биполярные транзисторы лучше в том, что они обеспечивают большее усиление, хотя полевые транзисторы лучше в том, что они вызывают меньшую нагрузку, дешевле и проще в производстве. Полевые транзисторы бывают двух основных типов: полевые транзисторы JFET и полевые МОП-транзисторы. JFET и MOSFET очень похожи, но MOSFET имеют даже более высокие значения входного импеданса, чем JFET. Это вызывает еще меньшую нагрузку в цепи.Полевые транзисторы делятся на два типа, а именно JFET и MOSFET.

JFET

JFET означает переходно-полевой транзистор. Это простой, а также первый тип полевых транзисторов, которые используются в качестве резисторов, усилителей, переключателей и т. Д. Это устройство, управляемое напряжением, и в нем не используется ток смещения. Как только напряжение приложено между выводами затвора и истока, оно управляет током между истоком и стоком транзистора JFET.

Переходный полевой транзистор (JUGFET или JFET) не имеет PN-переходов, но вместо него имеет узкую часть из полупроводникового материала с высоким удельным сопротивлением, образующую «канал» кремния N-типа или P-типа для основных носителей заряда. протекает через два омических электрических соединения на обоих концах, обычно называемых стоком и источником соответственно.

Соединительные полевые транзисторы

Существуют две основные конфигурации соединительных полевых транзисторов: N-канальный JFET и P-канальный JFET.Канал N-канального JFET легирован донорными примесями, что означает, что ток через канал отрицательный (отсюда и термин N-канал) в форме электронов. Эти транзисторы доступны как в P-канальном, так и в N-канальном исполнении.

MOSFET

MOSFET или полевой транзистор металл-оксид-полупроводник наиболее часто используется среди всех типов транзисторов. Как следует из названия, он включает в себя вывод металлических ворот. Этот транзистор включает в себя четыре вывода, таких как исток, сток, затвор и подложка или корпус.

MOSFET

По сравнению с BJT и JFET, полевые МОП-транзисторы имеют ряд преимуществ, так как они обеспечивают высокий импеданс i / p, а также низкий импеданс o / p. МОП-транзисторы в основном используются в схемах малой мощности, особенно при разработке микросхем. Эти транзисторы доступны в двух типах, таких как истощение и усиление. Кроме того, эти типы подразделяются на типы с P-каналом и N-каналом.

Основные характеристики полевого транзистора включают следующее.

  • Он униполярен, потому что носители заряда, такие как электроны или дырки, ответственны за передачу.
  • В полевом транзисторе входной ток будет протекать из-за обратного смещения. Следовательно, входной импеданс этого транзистора высокий.
  • Когда напряжение o / p полевого транзистора регулируется через входное напряжение затвора, тогда этот транзистор называется устройством, управляемым напряжением.
  • В токопроводящей дорожке развязок нет. Таким образом, полевые транзисторы имеют меньше шума по сравнению с биполярными транзисторами.
  • Определение коэффициента усиления может быть выполнено с помощью крутизны, потому что это отношение тока изменения o / p к изменению входного напряжения.
  • Сопротивление o / p полевого транзистора низкое.
Преимущества полевого транзистора

Преимущества полевого транзистора по сравнению с BJT заключаются в следующем.

  • FET — это униполярное устройство, тогда как BJT — это биполярное устройство
  • FET — это устройство, управляемое напряжением, тогда как BJT — это устройство, управляемое током
  • I / p-импеданс полевого транзистора высокое, тогда как BJT имеет низкое
  • Уровень шума полевого транзистора низкий по сравнению с BJT.
  • У полевого транзистора термическая стабильность высокая, тогда как у полевого транзистора низкая.
  • Определение коэффициента усиления полевого транзистора может быть выполнено через крутизну, тогда как в BJT с усилением по напряжению
Применение полевого транзистора

Применение полевого транзистора включает следующее.

  • Эти транзисторы используются в различных схемах для уменьшения эффекта нагрузки.
  • Они используются в нескольких схемах, например, в генераторах фазового сдвига, вольтметрах и буферных усилителях.

Клеммы полевого транзистора

Полевой транзистор имеет три клеммы, такие как исток, затвор и сток, которые не похожи на клеммы BJT. В FET терминал источника аналогичен терминалу эмиттера BJT, тогда как терминал ворот аналогичен базовому терминалу, а терминал стока — терминалу коллектора.

Терминал истока
  • В полевом транзисторе терминал истока — это тот, через который носители заряда входят в канал.
  • Это похоже на вывод эмиттера BJT
  • Терминал источника может быть обозначен буквой «S».
  • Поток тока через канал на выводе источника можно указать как IS.
    Терминал затвора
  • В полевом транзисторе терминал затвора играет важную роль в управлении потоком тока по каналу.
  • Поток тока можно контролировать через клемму затвора, подав на нее внешнее напряжение.
  • Вывод затвора представляет собой смесь двух выводов, которые связаны внутри и сильно легированы. Проводимость канала можно модулировать через терминал Gate.
  • Это похоже на базовый терминал BJT
  • Терминал затвора может быть обозначен буквой «G».
  • Прохождение тока через канал на выводе ворот можно указать как IG.
Дренажный терминал
  • В полевом транзисторе дренажный терминал — это тот терминал, через который носители покидают канал.
  • Это аналог клеммы коллектора в биполярном переходном транзисторе.
  • Напряжение сток-источник обозначено как VDS.
  • Дренажный терминал может быть обозначен как D.
  • Поток тока, движущийся от канала на дренажном терминале, можно указать как ID.

Различные типы транзисторов

Существуют различные типы транзисторов в зависимости от их функции, такие как малосигнальный, малый коммутационный, силовой, высокочастотный, фототранзистор, UJT.Некоторые виды транзисторов в основном используются для усиления, в противном случае — для переключения.

Типы транзисторов с малым сигналом

Транзисторы с малым сигналом используются в основном для усиления сигналов низкого уровня, но могут также хорошо работать в качестве переключателей. Эти транзисторы доступны через значение hFE, которое указывает, как транзистор усиливает входные сигналы. Диапазон типичных значений hFE составляет от 10 до 500, включая диапазон максимального тока коллектора (Ic) от 80 мА до 600 мА.

Эти транзисторы доступны в двух формах, например, PNP и NPN. Наибольшие рабочие частоты этого транзистора имеют от 1 до 300 МГц. Эти транзисторы используются при усилении небольших сигналов, таких как несколько вольт, и просто, когда используется ток миллиампер. Силовой транзистор применим, когда используется большое напряжение, а также ток.

Типы транзисторов с малой коммутацией

Транзисторы с малой коммутацией используются как переключатели, а также как усилители. Типичные значения hFE для этих транзисторов находятся в диапазоне от 10 до 200, включая наименьший номинальный ток коллектора, который находится в диапазоне от 10 мА до 1000 мА.Эти транзисторы доступны в двух формах, таких как PNP и NPN

. Эти транзисторы не способны к усилению слабого сигнала транзисторов, которое может включать до 500 усилений. Таким образом, это сделает транзисторы более удобными для переключения, хотя их можно использовать в качестве усилителей для обеспечения усиления. Если вам потребуется дополнительное усиление, эти транзисторы будут лучше работать как усилители.

Силовые транзисторы

Эти транзисторы применимы там, где используется большая мощность.Вывод коллектора этого транзистора соединен с металлическим выводом базы, поэтому он работает как теплоотвод для отвода избыточной энергии. Диапазон типичных номинальных мощностей в основном колеблется от примерно 10 Вт до 300 Вт, включая номинальные частоты от 1 МГц до 100 МГц.

Силовой транзистор

Значения наивысшего тока коллектора будут находиться в диапазоне от 1 А до 100 А. Силовые транзисторы доступны в формах PNP и NPN, тогда как транзисторы Дарлингтона доступны в формах PNP или NPN.

Высокочастотные типы транзисторов

Высокочастотные транзисторы используются особенно для небольших сигналов, которые работают на высоких частотах и ​​используются в приложениях для высокоскоростной коммутации. Эти транзисторы применимы в высокочастотных сигналах и должны иметь возможность включения / выключения на чрезвычайно высоких скоростях.

Применение высокочастотных транзисторов в основном включает усилители HF, UHF, VHF, MATV и CATV, а также генераторы. Диапазон максимальной номинальной частоты составляет около 2000 МГц, а максимальный ток коллектора находится в диапазоне от 10 мА до 600 мА.Их можно получить как в формах PNP, так и в NPN.

Фототранзистор

Эти транзисторы светочувствительны, и общий тип этого транзистора выглядит как биполярный транзистор, в котором вывод базы этого транзистора удален, а также заменен через светочувствительную область. Вот почему фототранзистор включает в себя просто две клеммы вместо трех. Как только внешняя область остается в тени, устройство будет выключено.

Фототранзистор

В основном нет протекания тока от областей коллектора к эмиттеру.Но всякий раз, когда светочувствительная область подвергается воздействию дневного света, может создаваться небольшое количество базового тока для управления гораздо большим током коллектора к эмиттеру.

Подобно обычным транзисторам, это могут быть как полевые транзисторы, так и биполярные транзисторы. Полевые транзисторы — это светочувствительные транзисторы, в отличие от фотобиполярных транзисторов. В фотобиполярных транзисторах свет используется для создания напряжения затвора, которое в основном используется для управления током сток-исток. Они очень чувствительны к изменениям света, а также более деликатны по сравнению с биполярными фототранзисторами.

Типы однопереходных транзисторов

Однопереходные транзисторы (UJT) включают в себя три вывода, которые работают полностью как электрические переключатели, поэтому они не используются как усилители. Как правило, транзисторы работают как коммутатор, а также как усилитель. Однако UJT не дает никакого усиления из-за своей конструкции. Таким образом, он не предназначен для обеспечения достаточного напряжения, иначе тока.

Выводы этих транзисторов: B1, B2 и вывод эмиттера. Работа этого транзистора проста.Когда напряжение существует между его эмиттерным или базовым выводом, будет небольшой ток от B2 к B1.

Однопереходный транзистор

Управляющие провода в других типах транзисторов будут обеспечивать небольшой дополнительный ток, тогда как в UJT все наоборот. Первичным источником транзистора является его эмиттерный ток. Прохождение тока от B2 к B1 — это просто небольшая часть всего комбинированного тока, что означает, что UJT не подходят для усиления, но подходят для переключения.

Биполярный транзистор с гетеропереходом (HBT)

Биполярные транзисторы с гетеропереходом AlgaAs / GaAs (HBT) используются для цифровых и аналоговых микроволновых приложений с частотами вплоть до Ku-диапазона. HBT могут обеспечивать более высокую скорость переключения, чем кремниевые биполярные транзисторы, в основном из-за пониженного сопротивления базы и емкости между коллектором и подложкой. Обработка HBT требует менее сложной литографии, чем полевые транзисторы GaAs, поэтому производство HBT бесценно и может обеспечить лучший литографический выход.

Эта технология также может обеспечить более высокое напряжение пробоя и более простое согласование широкополосного импеданса, чем полевые транзисторы на основе GaAs. При оценке Si-транзисторов с биполярным переходом (BJT), HBT демонстрируют лучшее представление с точки зрения эффективности инжекции эмиттера, сопротивления базы, емкости база-эмиттер и частоты среза. Они также обладают хорошей линейностью, низким фазовым шумом и высоким КПД. HBT используются как в прибыльных, так и в высоконадежных приложениях, таких как усилители мощности в мобильных телефонах и лазерные драйверы.

Транзистор Дарлингтона

Транзистор Дарлингтона, который иногда называют «парой Дарлингтона», представляет собой схему транзистора, состоящую из двух транзисторов. Его изобрел Сидни Дарлингтон. Он похож на транзистор, но имеет гораздо более высокую способность к увеличению тока. Схема может состоять из двух дискретных транзисторов или находиться внутри интегральной схемы.

Параметр hfe для транзистора Дарлингтона — это взаимное умножение hfe каждого транзистора. Схема полезна в усилителях звука или в датчике, который измеряет очень небольшой ток, который проходит через воду.Он настолько чувствителен, что может улавливать ток через кожу. Если вы подключите его к куску металла, вы можете построить сенсорную кнопку.

Транзистор Дарлингтона

Транзистор Шоттки

Транзистор Шоттки представляет собой комбинацию транзистора и диода Шоттки, которая предотвращает насыщение транзистора за счет отклонения крайнего входного тока. Его также называют транзистором с зажимом Шоттки.

Транзистор с несколькими эмиттерами

Транзистор с несколькими эмиттерами — это специализированный биполярный транзистор, часто используемый в качестве входов логических элементов транзисторной логики (TTL) NAND.Входные сигналы подаются на излучатели. Ток коллектора перестает течь просто, если все эмиттеры управляются логическим высоким напряжением, таким образом выполняя логический процесс NAND с использованием одного транзистора. Транзисторы с несколькими эмиттерами заменяют диоды DTL и позволяют сократить время переключения и рассеиваемую мощность.

МОП-транзистор с двойным затвором

Одной из разновидностей МОП-транзистора, который особенно популярен в нескольких ВЧ-приложениях, является МОП-транзистор с двумя затворами. МОП-транзистор с двойным затвором используется во многих ВЧ и других приложениях, где требуются два управляющих затвора последовательно.МОП-транзистор с двумя затворами по сути является формой МОП-транзистора, в котором два затвора построены по длине канала один за другим.

Таким образом, оба затвора влияют на уровень тока, протекающего между истоком и стоком. Фактически, двухзатворный полевой МОП-транзистор можно рассматривать как работу двух последовательно соединенных полевых МОП-транзисторов. Оба затвора влияют на общую работу полевого МОП-транзистора и, следовательно, на выходной сигнал. МОП-транзистор с двойным затвором может использоваться во многих приложениях, включая РЧ-смесители / умножители, РЧ-усилители, усилители с регулировкой усиления и т.п.

Лавинный транзистор

Лавинный транзистор — это транзистор с биполярным переходом, предназначенный для обработки в области характеристик напряжения коллектор-ток / коллектор-эмиттер за пределами напряжения пробоя коллектор-эмиттер, называемой областью лавинного пробоя. Эта область характеризуется лавинным пробоем, подобным разряду Таунсенда для газов, и отрицательным дифференциальным сопротивлением. Работа в области лавинного пробоя называется работой в лавинном режиме: она дает лавинным транзисторам возможность коммутировать очень высокие токи с временем нарастания и спада менее наносекунд (время перехода).

Транзисторы, специально не предназначенные для этой цели, могут иметь достаточно стабильные лавинные свойства; Например, 82% образцов высокоскоростного переключателя 2N2369 на 15 В, изготовленных за 12-летний период, были способны генерировать импульсы лавинного пробоя с временем нарастания 350 пс или меньше, используя источник питания 90 В, как пишет Джим Уильямс. .

Диффузионный транзистор

Диффузионный транзистор — это транзистор с биполярным переходом (BJT), образованный диффузией присадок в полупроводниковую подложку.Процесс диффузии был реализован позже, чем процессы соединения сплава и выращивания соединения для изготовления BJT. Bell Labs разработала первый прототип диффузионных транзисторов в 1954 году. Первоначальные диффузионные транзисторы были транзисторами с диффузной базой.

У этих транзисторов все еще были эмиттеры из сплава, а иногда и коллекторы из сплава, как в более ранних транзисторах с переходом из сплава. В подложку распылялась только основа. Иногда коллектор производился из подложки, но в транзисторах, подобных диффузионным транзисторам из микролегированного сплава Philco, подложка составляла основную часть базы.

Применение типов транзисторов

Соответствующее применение силовых полупроводников требует понимания их максимальных номинальных и электрических характеристик, информация, которая представлена ​​в техническом описании устройства. Хорошая практика проектирования использует пределы таблицы, а не информацию, полученную из небольших партий образцов. Рейтинг — это максимальное или минимальное значение, ограничивающее возможности устройства. Действия с превышением номинального значения могут привести к необратимой деградации или отказу устройства.Максимальные рейтинги означают экстремальные возможности устройства. Их нельзя использовать в качестве конструктивных обстоятельств.

Характеристика — это мера производительности устройства в отдельных условиях эксплуатации, выраженная минимальными, характеристическими и / или максимальными значениями или отображаемая графически.

Таким образом, это все о том, что такое транзистор, а также о различных типах транзисторов и их применениях. Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию или реализуете проекты в области электротехники и электроники, пожалуйста, дайте свои ценные предложения, комментируя в разделе комментариев ниже.Вот вам вопрос, какова основная функция транзистора?

Как работают транзисторы? — Utmel

A транзистор — это своего рода полупроводниковое устройство, регулирующее ток. Его функция состоит в том, чтобы преобразовать слабый сигнал в электрический сигнал с большим значением амплитуды, и он также используется в качестве бесконтактного переключателя. Транзистор является одним из основных полупроводниковых компонентов, который выполняет функцию усиления тока и является основным компонентом электронной схемы.Транзистор состоит из двух PN-переходов, очень близко расположенных друг к другу на полупроводниковой подложке. Два PN-перехода делят весь полупроводник на три части. Средняя часть — это базовая область, а две стороны — области эмиттера и коллектора. PNP и NPN — это два типа договоренностей.

Как работают транзисторы?

Каталог

Ⅰ Структура сердечника транзисторов

транзистор

Ядром транзистора является переход « PN », который представляет собой два соединенных друг с другом PN перехода.PN-переход может быть комбинацией NPN или комбинацией PNP. Поскольку кремниевый тип NPN является основным потоком транзисторов, в следующем материале в качестве примера в основном используется кремниевый транзистор типа NPN.

Принципиальная схема структуры NPN-транзистора

Процесс изготовления кремниевого NPN-транзистора:

Вид в разрезе конструкции штампа:

Ⅱ Состояние работы транзисторов

1 Состояние отключения

Когда напряжение, приложенное к эмиттерному переходу транзистора, меньше, чем напряжение проводимости PN перехода, ток базы, ток коллектора и ток эмиттера равны нулю.Транзистор теряет эффект усиления тока, а коллектор и эмиттер равны в выключенном состоянии переключателя, мы называем транзистор в состоянии отсечки.

2 Активное состояние

Транзистор работает в активной области, когда эмиттерный переход транзистора смещен в прямом направлении, а коллекторный переход — в обратном направлении. В активной области напряжение, приложенное к эмиттерному переходу транзистора, больше, чем напряжение включения PN перехода.И базовый ток управляет током коллектора, так что транзистор действует как усилитель, а его коэффициент усиления тока β = ΔIc / ΔIb. Мы называем транзистор в активном состоянии.

3 Состояние насыщения

Когда напряжение, приложенное к эмиттерному переходу транзистора, больше, чем напряжение проводимости PN перехода, и когда ток базы увеличивается до определенной степени, ток коллектора больше не увеличивается с увеличением тока базы.В это время транзистор теряет эффект усиления тока. Напряжение между коллектором и эмиттером очень мало, а коллектор и эмиттер эквивалентны включенному состоянию переключателя. Это состояние транзистора называется состоянием насыщенной проводимости.

По уровню напряжения каждого электрода, когда транзистор работает, можно судить о рабочем состоянии транзистора. Персонал по обслуживанию электроники часто использует мультиметр для измерения напряжения на каждом выводе транзистора в процессе обслуживания, чтобы определить рабочее состояние и рабочее состояние транзистора.

Ⅲ Теоретический принцип работы транзисторов

Существует два типа транзисторов по материалам: германиевые трубки и кремниевые трубки. Каждый из них имеет две структурные формы, NPN и PNP, но наиболее часто используются кремниевые NPN и германиевые PNP транзисторы. Полупроводники N-типа добавляют фосфор в кремний высокой чистоты, чтобы заменить некоторые атомы кремния, чтобы создать свободную электронную проводимость при стимуляции напряжением. P означает положительный. В полупроводниках P-типа вместо кремния добавляется бор, который создает большое количество дырок для облегчения проводимости.За исключением разницы в полярности источника питания, два принципа работы одинаковы. Следующее только знакомит с принципом усиления тока кремниевой трубки NPN.

Транзистор NPN и транзистор PNP

Для NPN-транзистора он состоит из двух полупроводников N-типа и полупроводника P-типа в середине. PN-переход, образованный между эмиттерной областью и базовой областью, называется эмиттерным переходом, а PN-переход, образованный коллекторной областью и базовой областью, называется коллекторным переходом.Эти три вывода называются эмиттер e, база b и коллектор c.

Когда потенциал в точке b выше потенциала в точке e на несколько вольт, эмиттерный переход находится в состоянии прямого смещения. Когда потенциал в точке C на несколько вольт выше, чем потенциал в точке b, коллекторный переход находится в состоянии обратного смещения, и коллекторная мощность Ec выше, чем базовая мощность Eb.

При изготовлении транзистора основная концентрация носителей в эмиттерной области намеренно сделана больше, чем в базовой области.При этом базовая область делается очень тонкой, а содержание примесей необходимо строго контролировать. Таким образом, после включения питания эмиттерный переход смещается положительно. Основные носители (электроны) в эмиттерной области и основные носители (дырки) в базовой области легко диффундируют друг к другу через эмиттерный переход. Концентрационная база первого больше, чем второго, поэтому ток через эмиттерный переход в основном представляет собой поток электронов, который называется потоком электронов эмиттера.

Из-за тонкой области базы и обратного смещения коллекторного перехода большая часть электронов, инжектированных в область базы, пересекает коллекторный переход и попадает в область коллектора, образуя ток коллектора Ic, оставляя только несколько электронов (1-10% ) электроны. Эти электроны рекомбинируются в отверстиях базовой области, и рекомбинированные дырки в базовой области перезаряжаются базовым источником питания Eb, таким образом формируя базовый ток Ibo. По принципу непрерывности тока:

Ie = Ib + Ic

Это означает, что добавлением небольшого Ib к основанию можно получить больший Ic на коллекторе.Это так называемое усиление тока. Ic и Ib поддерживают определенное пропорциональное соотношение, а именно:

β1 = Ic / Ib

В формуле: β1 — коэффициент усиления постоянного тока,

Отношение изменения тока коллектора △ Ic к изменению тока базы △ Ib составляет:

β = △ Ic / △ Ib

В формуле β называется коэффициентом усиления переменного тока. Поскольку значения β1 и β не сильно различаются на низких частотах, иногда для удобства они не различаются строго, а значение β составляет от десятков до более чем сотни.

α1 = Ic / Ie (Ic и Ie — токи в цепи постоянного тока)

В формуле: α1 также называется коэффициентом усиления постоянного тока, который обычно используется в схеме усилителя с общей базовой конфигурацией для описания взаимосвязи между током эмиттера и током коллектора.

α = △ Ic / △ Ie

α в выражении — это увеличение переменного тока общей базы. Точно так же нет большой разницы между α и α1, когда на вход подается слабый сигнал.

Для двух увеличений, описывающих текущую взаимосвязь, соотношение составляет:

Эффект усиления тока транзистора заключается в использовании небольшого изменения тока базы для управления огромным изменением тока коллектора. Транзистор является своего рода устройством усилителя тока, но на практике эффект усилителя тока транзистора часто преобразуется в эффект усилителя напряжения через резистор.

Ⅳ Принцип усиления транзисторов

1 Эмиттер излучает электроны на базу

Источник питания Ub добавлен к эмиссионному переходу через резистор Rb.Эмиссионный переход смещен в прямом направлении, и большинство носителей (свободных электронов) в эмиссионной области непрерывно пересекают эмиссионный переход и входят в базовую зону, образуя эмиттерный ток Ie. В то же время основные носители в базовой области диффундируют в область излучения, но поскольку концентрация основных носителей намного ниже, чем концентрация носителей в области излучения, этим током можно пренебречь, поэтому можно считать, что излучение переход представляет собой в основном поток электронов.

2 Диффузия и рекомбинация электронов в базе

После того, как электроны попадают в область базы, они сначала концентрируются около эмиттерного перехода, постепенно образуя разность концентраций электронов. Из-за разницы концентраций поток электронов продвигается к диффузии в основании к коллекторному переходу и втягивается в коллектор электрическим полем коллекторного перехода. Он называется током коллектора Ic.Также существует небольшая часть электронов (поскольку базовая область очень тонкая) рекомбинирована с дырками в базовой области, и отношение диффузного электронного потока к составному электронному потоку определяет усилительную способность транзистора.

3 Собирать электроны в коллекторе

Поскольку обратное напряжение, приложенное к коллекторному переходу, очень велико, сила электрического поля, создаваемая этим обратным напряжением, будет препятствовать диффузии электронов в коллекторной области в базовую область.В то же время электроны, диффундирующие около коллекторного перехода, будут втягиваться в коллекторную область, чтобы сформировать основной ток коллектора Icn. Кроме того, неосновные носители (дырки) в области коллектора также будут дрейфовать и течь в базовую область, образуя обратный ток насыщения, который представлен Icbo. Его величина очень мала, но он чрезвычайно чувствителен к температуре.

Ⅴ Схема усилителя на транзисторах

1 Базовая конструкция

Базовая схема усилителя — это базовый блок, составляющий сложную схему усилителя.Он использует характеристики входного тока биполярного полупроводникового транзистора для управления выходным током или характеристики входного напряжения полевого полупроводникового транзистора для управления выходным током для реализации усиления сигнала.

Базовая схема усилителя

Базовая схема усилителя обычно относится к схеме усилителя, состоящей из транзистора или полевой лампы. С точки зрения схемы, базовая схема усилителя может рассматриваться как двухпортовая сеть.Роль усиления отражается в следующих аспектах:

1) Схема усилителя в основном использует функцию управления транзистора или полевой трубки для усиления слабого сигнала. Выходной сигнал усиливается по амплитуде напряжения или тока, а энергия выходного сигнала усиливается.

2) Энергия выходного сигнала фактически обеспечивается источником питания постоянного тока, но она преобразуется в энергию сигнала посредством управления транзистором и подается на нагрузку.

2 Состав цепи

Существует три различных конфигурации схемы транзисторов: общий эмиттер, общая база и общий коллектор. Эти три схемы конфигурации имеют разные характеристики. Возможны различные конфигурации однотранзисторного усилителя.

Цепь общего эмиттера, входной контур и выходной контур прошли эмиттер транзистора

Цепь с общей базой, входной и выходной контур прошли базу транзистора

Цепь общего коллектора, цепь входа и цепь выхода прошли коллектор транзистора

Схема усилителя с общим эмиттером

Базовая схема усилителя конфигурации с общим эмиттером состоит в том, что входной сигнал складывается между базой и эмиттером, а разделительные конденсаторы C1 и Ce рассматриваются как замыкающие сигнал переменного тока.Выходной сигнал выводится с коллектора на землю, постоянный ток отделяется разделительным конденсатором C2, и только сигнал переменного тока добавляется к сопротивлению нагрузки RL. Общая конфигурация излучения схемы усилителя фактически относится к общей конфигурации излучения транзистора в схеме усилителя.

Схема усилителя конфигурации с общим эмиттером

Когда входной сигнал равен нулю, источник постоянного тока обеспечивает постоянный ток базы и постоянный ток коллектора для транзистора через каждый резистор смещения и формирует определенное постоянное напряжение между тремя полюсами транзистора.Из-за блокирующего действия конденсатора связи постоянного тока напряжение постоянного тока не может достигать входных и выходных клемм схемы усилителя.

Когда входной сигнал переменного тока добавляется к переходу передатчика транзистора через разделительные конденсаторы C1 и Ce, напряжение на переходе передатчика становится суперпозицией переменного и постоянного тока. Ситуация с сигналом в схеме усилителя более сложная. Обозначения каждого сигнала обозначены следующим образом: из-за эффекта усиления тока транзистора ic в десятки раз больше, чем ib.Вообще говоря, если параметры схемы установлены правильно, выходное напряжение может быть намного выше входного. Часть входного переменного тока достигает сопротивления нагрузки через конденсатор связи и формирует выходное напряжение.

Можно видеть, что сигнал постоянного тока коллектора транзистора в схеме усилителя не изменяется с входным сигналом, а сигнал переменного тока изменяется с входным сигналом. В процессе усиления сигнал переменного тока коллектора накладывается на сигнал постоянного тока, и только сигнал переменного тока извлекается с выходной клеммы через разделительный конденсатор.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *