Принцип работы транзистора: простым языком для чайников, схемы

Содержание

принцип работы и как проверить

Существуют различные виды полупроводниковых приборов – тиристоры, триоды, они классифицируются по назначению и типу конструкции. Полупроводниковые биполярные транзисторы способны переносить одновременно заряды двух типов, в то время, как полевые только одного.

Конструкция и принцип работы

Ранее вместо транзисторов в электрических схемах использовались специальные малошумящие электронные лампы, но они были больших габаритов и работали за счет накаливания. Биполярный транзистор ГОСТ 18604.11-88 – это полупроводниковый электрический прибор, который является управляемым элементом и характеризуется трехслойной структурой, применяется для управления СВЧ. Может находиться в корпусе и без него. Они бывают p-n-p и n–p–n типа. В зависимости от порядка расположения слоев, базой может быть пластина p или n, на которую наплавляется определенный материал. За счет диффузии во время изготовления получается очень тонкий, но прочный слой покрытия.

Фото — мпринципиальные схемы включения

Чтобы определить, какой перед Вами транзистор, нужно найти стрелку эммитерного перехода. Если её направление идет в сторону базы, то структура pnp, если от неё – то npn. Некоторые полярные импортные аналоги (IGBT и прочие) могут иметь буквенное обозначение перехода. Помимо этого бывают еще биполярные комплементарные транзисторы. Это устройства, у которых одинаковые характеристики, но разные типы проводимости. Такая пара нашла применение в различных радиосхемах. Данную особенность нужно учитывать, если необходима замена отдельных элементов схемы.

Фото — конструкция

Область, которая находится в центре, называется базой, с двух сторон от неё располагаются эммитер и коллектор. База очень тонкая, зачастую её толщина не превышает пары 2 микрон. В теории существует такое понятие, как идеальный биполярный транзистор. Это модель, у которой расстояние между эммитерной и коллекторной областями одинаковое. Но, зачастую, эммиторный переход (область между базой и эммитером) в два раза больше коллекторного (участок между основой и коллектором).

Фото — виды биполярных триодов

По виду подключения и уровню пропускаемого питания, они делятся на:

  1. Высокочастотные;
  2. Низкочастотные.

По мощности на:

  1. Маломощные;
  2. Средней мощности;
  3. Силовые (для управления необходим транзисторный драйвер).

Принцип работы биполярных транзисторов основан на том, что два срединных перехода расположены по отношению друг к другу в непосредственной близости. Это позволяет существенно усиливать проходящие через них электрические импульсы. Если приложить к разным участкам (областям) электрическую энергию разных потенциалов, то определенная область транзистора сместится. Этим они очень похожи на диоды.

Фото — пример

Например, при положительном открывается область p-n, а при отрицательном она закрывается. Главной особенностью действия транзисторов является то, что при смещении любой области база насыщается электронами или вакансиями (дырками), это позволяет снизить потенциал и увеличить проводимость элемента.

Существуют следующие ключевые виды работы:

  1. Активный режим;
  2. Отсечка;
  3. Двойной или насыщения;
  4. Инверсионный.

Перед тем, как определить режим работы в биполярных триодах, нужно разобраться, чем они отличаются друг от друга. Высоковольтные чаще всего работают в активном режиме (он же ключевой режим), здесь во время включения питания смещается переход эмиттера, а на коллекторном участке присутствует обратное напряжение. Инверсионный режим – это антипод активного, здесь все смещено прямо-пропорционально. Благодаря этому, электронные сигналы значительно усиливаются.

Во время отсечки исключены все типы напряжения, уровень тока транзистора сведен к нулю. В этом режиме размыкается транзисторный ключ или полевой триод с изолированным затвором, и устройство отключается. Есть еще также двойной режим или работа в насыщении, при таком виде работы транзистор не может выступать как усилитель. На основании такого принципа подключения работают схемы, где нужно не усиление сигналов, а размыкание и замыкание контактов.

Из-за разности уровней напряжения и тока в различных режимах, для их определения можно проверить биполярный транзистор мультиметром, так, например, в режиме усиления исправный транзистор n-p-n должен показывать изменение каскадов от 500 до 1200 Ом. Принцип измерения описан ниже.

Основное назначение транзисторов – это изменение определенных сигналов электрической сети в зависимости от показателей тока и напряжения. Их свойства позволяют управлять усилением посредством изменения частоты тока. Иными словами, это преобразователь сопротивления и усилитель сигналов. Используется в различной аудио- и видеоаппаратуре для управления маломощными потоками электроэнергии и в качестве УМЗЧ, трансформаторах, контроля двигателей станочного оборудования и т. д.

Видео: как работает биполярные транзисторы

Проверка

Самый простой способ измерить h31e мощных биполярных транзисторов – это прозвонить их мультиметром.

Для открытия полупроводникового триода p-n-p подается отрицательное напряжение на базу. Для этого мультиметр переводится в режим омметра на -2000 Ом. Норма для колебания сопротивления от 500 до 1200 Ом.

Чтобы проверить другие участки, нужно на базу подать плюсовое сопротивление. При этой проверке индикатор должен показать большее сопротивление, в противном случае, триод неисправен.

Иногда выходные сигналы перебиваются резисторами, которые устанавливают для снижения сопротивления, но сейчас такая технология шунтирования редко используется. Для проверки характеристики сопротивления импульсных транзисторов n-p-n нужно подключать к базе плюс, а к выводам эммитера и коллектора — минус.

Технические характеристики и маркировка

Главными параметрами, по которым подбираются эти полупроводниковые элементы, является цоколевка и цветовая маркировка.

Фото — цоколевка маломощных биполярных триодовФото — цоколевка силовых

Также используется цветовая маркировка.

Фото — примеры цветовой маркировкиФото — таблица цветов

Многие отечественные современные транзисторы также обозначаются буквенным шифром, в который включается информация о группе (полевые, биполярные), типе (кремниевые и т. д.,) годе и месяце выпуска.

Фото — расшифровка

Основные свойства (параметры) триодов:

  1. Коэффициент усиления по напряжению тока;
  2. Входящее напряжение;
  3. Составные частотные характеристики.

Для их выбора еще используются статические характеристики, которые включают сравнение входных и выходных ВАХ.

Необходимые параметры можно вычислить, если произвести расчет по основным характеристикам (распределение токов каскада, расчет ключевого режима). Коллекторный ток: Ik=(Ucc-Uкэнас)/Rн

  • Ucc – напряжение сети;
  • Uкэнас – насыщение;
  • Rн – сопротивление сети.

Потери мощности при работе:

P=Ik*Uкэнас

Купить биполярные транзисторы SMD, IGBT и другие можно в любом электротехническом магазине. Их цена варьируется от нескольких центов до десятка долларов, в зависимости от назначения и характеристик.

Биполярный транзистор, принцип работы для чайников

Что такое биполярный транзистор – элементарное полупроводниковое устройство, функциональность которого охватывает изменение либо усиление выходного сигнала от заряженных частиц.

Это один из типов транзисторов, состоящий из 3-х слоев, которые обеспечивают 2 «зарядных» или «дырочных» перехода (би — два перехода). Соответственно, данное устройство может быть представлено как два диодных элемента, включенных противоположно друг другу.

В простонародье биполярный транзистор пришел на смену морально и физически устаревшим транзисторам лампового вида, которые эксплуатировались очень длительное время в конструкциях телевизоров прошлого столетия.

Рисунок 1 – Биполярный транзистор

Как видно из изображения 1 устройства данного вида имеют 3 выхода, однако, по конструктивному исполнению внешний вид отличается друг от друга. Но в схемах электрических цепей они одинаковы во всех случаях.

В зависимости от проводимости биполярные устройства разделяются на P→N→P и N→P→N устройства, которые отличаются что переносит заряженные частицы — электроны или посредством «дырок».

Рисунок 2 – Разновидность биполярных аппаратов

Устройство биполярного транзистора

Согласно типовых схем, буквой «Б» называется «База» — внутренний слой аппарата, его фундамент, который приводит преобразование или изменение токового сигнала. Стрелка в кругу показывает движение токовых зарядов в «Э».

«Э» — «Эмиттер» — внутренняя основная составляющая транзистора, предназначенный для переноса заряженных элементарных частиц в «Б».

«К» — «Коллектор» — вторая составляющая транзисторного устройства, которая производит сбор тех же зарядов, которые проходят через «Б».

Пласт «Базы» конструктивно выполняют очень тоненьким в связи с рекомбинированием заряженных частиц, которые идут через базовый слой, с составными частицами данного пласта. В то же время пласт «Коллектора» конструируют как можно шире для качественного сбора зарядов.

Принцип работы биполярного транзистора

Принцип работы биполярного транзистора для чайников опишем на образце P→N→P транзисторного аппарата на рисунке 3. Принцип работы биполярного транзистора N→P→N вида сходен переходу в прямом направлении, только в этом случае заряды — электрические частицы движутся от «К» до «Э». Для выполнения данного условия необходимо всего на всего изменить полярность подключенного напряжения.

Рисунок 3 — Принцип работы P→N→P транзистора

При отсутствии внешних возмущений, внутри биполярника между его слоями будет существовать разность зарядов. На границах раздела будут установлены единые барьерные мосты, так как в это время доля «дырок» в коллекторе соответствует их численности в эмиттере.

Для точной работы биполярного транзистора переход в коллекторном пласте необходимо сместить в противоположном курсе, в то же время в эмиттере направленность перехода должна быть прямым. В этом случае режим функционирования будет активным.

Для выполнения вышеуказанных условий необходимо применить два питания, один из которых с положительным знаком соединяем с концом эмиттера, «минус» подключаем к базовому слою. Второй источник напряжения соединяем в следующем порядке: «плюс» к базовому концу, «минус» — к концу коллектора. Изобразим подключение на рисунке 4.

Рисунок 4 — Принципиальная схема подключения транзистора

Под воздействием напряжения Uэ, Uк через барьеры совершается переход дырок в эмиттере №1-5 и в базовом слое электрически заряженных частиц №7,8. В данном случае величина тока в эмиттере будет зависеть от количества переходов дырок, так как их больше.

Дырки, которые перешли в базовый слой собираются у барьерного перехода. Тем самым у границы с эмиттерным слоем будет собираться массовое количество дырок, в то же время у границы с «К», концентрация их существенно ниже. В связи с этим начнется диффузия дырок к «К» и близи границы произойдет их ускорение поля «Б» и переход в «К».

При перемещении через средний слой базы дырки рекомбинируют, заряженный электрон 6 замещает дырку 5. Такое перемещение будет совершаться с увеличением плюсового заряда при переходе дырок, соответственно движение зарядов в обратном направлении будет создавать ток определенной величины, а база остается электрически нейтральной.

Число дырок, которые перешли в коллектор будет меньше числа, которые покинули эмиттер. Это значит, что электрический ток «К» будет отличаться от значения тока «Э».

Обратный переход дырок из коллектора нежелателен и снижает эффективность транзистора, потому что переход осуществляется не основными, а вспомогательными носителями энергии и зависит данный переход сугубо от величины температуры. Данный ток носит название тока тепла. По значению теплового тока судят о качестве биполярного транзистора.

На рисунке 5 схематически изобразим направление движения заряженных частиц — токов транзистора.

Рисунок 5 — Направление токов в биполярном транзисторе

На основании выше изложенного напрашивается вывод: любое изменение тока в структуре слоев эмиттер — база сопровождается изменением величины тока коллектора, причем самое малое изменение «базового» тока приведет к значимой коррекции выходного коллекторного тока.

Режим работы биполярных устройств

В зависимости от величины напряжения на выводах транзистора существует 4 режима его функционирования:

  • отсечка — переходов дырки — электроды не происходит;
  • активный режим — приведен в описании;
  • насыщение — ток базы очень велик и ток коллектора будет иметь максимальное значение и абсолютно не зависеть от тока базы, соответственно усиления сигнала не будет;
  • инверсия — использование устройства с обратными ролями эмиттера и коллектора.

Достоинства и недостатки биполярных транзисторов

К достоинствам биполярных транзисторов в сравнении с аналогами относятся:

  • управление электрическими зарядами;
  • надежность в работе;
  • устойчивость к частотным помехам;
  • малые шумовые характеристики;

К недостаткам можно отнести:

  • обладает малым значением входного сопротивления, из-за которого ухудшаются характеристики по усилению сигналов;
  • резкая чувствительность к статике зарядов;
  • схема включения предполагает присутствие 2-х питаний;
  • при высоких значениях температуры возможно повреждение транзистора.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 5 чел.
Средний рейтинг: 3.6 из 5.

Биполярный транзистор — принцип работы для чайников!

Приветствую вас дорогие друзья! Сегодня речь пойдет о биполярных транзисторах и информация будет полезна прежде всего новичкам. Так что, если вам интересно что такое транзистор, его принцип работы  и вообще с чем его едят, то берем  стул по удобнее и подходим поближе.

Продолжим, и у нас тут есть содержание,  будет удобнее ориентироваться в статье 🙂

[contents]

Виды транзисторов

Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы.  Конечно можно было рассмотреть все виды транзисторов в одной статье, но мне не хочется варить кашу  у вас в голове. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Не будем все мешать в одну кучу  а уделим внимание каждому, индивидуально.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века. Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут  так.

Как вы можете видеть биполярные транзисторы имеют три вывода и конструктивно они могут выглядеть совершенно по разному. Но на электрических схемах они выглядят простенько и всегда одинаково. И все это графическое великолепие,  выглядит как-то так.

Это изображение транзисторов еще называют УГО (Условное графическое обозначение).

Причем биполярные транзисторы могут иметь различный тип проводимости. Есть транзисторы NPN типа и PNP типа.

Отличие n-p-n транзистора от p-n-p транзистора состоит лишь в том что является «переносчиком» электрического заряда (электроны или «дырки» ). Т.е. для p-n-p транзистора электроны перемещаются от эмиттера к коллектору и управляются базой. Для n-p-n транзистора электроны идут уже от коллектора к эмиттеру и управляются базой.    В итоге приходим к тому, что для того чтобы в схеме заменить транзистор одного типа проводимости на другой достаточно изменить полярность приложенного напряжения. Или тупо поменять полярность источника питания.

У биполярных транзисторов есть три вывода: коллектор, эмиттер и база. Думаю, что по УГО будет сложно запутаться, а вот в реальном транзисторе запутаться проще простого.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто  прозвонить транзистор мультиметром. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке (в области базы транзистора).

Слева изображена картинка для транзистора p-n-p типа,  при прозвонке  создается ощущение (посредством показаний мультиметра ), что перед вами два диода которые соединены в одной точке своими катодами. Для транзистора  n-p-n типа  диоды в точке базы соединены своими анодами. Думаю после экспериментов с мультиметром будет более понятно.

 

 Принцип работы биполярного транзистора

А сейчас мы попробуем разобраться как работает транзистор. Я не буду вдаваться в подробности внутреннего устройства транзисторов так как эта информация только запутывает. Лучше взгляните на этот рисунок.

Это изображение лучше всего объясняет принцип работы  транзистора. На этом изображении человек посредством реостата управляет током коллектора. Он смотрит на ток базы, если ток базы растет то человек так же увеличивает ток коллектора с учетом коэффициента усиления транзистора h31Э. Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Эта аналогия не имеет ничего общего с реальной работой транзистора, но она облегчает понимание принципов его работы.

Для транзисторов можно отметить правила, которые призваны помочь облегчить понимание. (Эти правила взяты из книги П. Хоровица У.Хилла «Искусство схемотехники»).

  1. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер
  2. Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды
  3. Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.
  4. В том случае если правила 1-3 соблюдены то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы Iб. Такое соотношение можно записать в виде формулы.

Из этой формулы можно выразить основное свойство транзистора — небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

-коэффициент усиления по току.

Его также обозначают как 

Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах:

  1. Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. В результате  ток базы  отсутствует и следовательно ток коллектора тоже будет отсутствовать.
  2. Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора.  В этом режиме напряжение база-эмиттер достаточное для того, чтобы переход база-эмиттер открылся. Ток базы достаточен и ток коллектора тоже имеется. Ток коллектора равняется току базы умноженному на коэффициент усиления.
  3. Режим насыщения транзистора — в этот режим транзистор переходит тогда, когда ток базы становится настолько большим, что мощности источника питания просто не хватает для дальнейшего увеличения тока коллектора. В этом режиме ток коллектора не может увеличиваться вслед за увеличением тока базы.
  4. Инверсный режим транзистора — этот режим используется крайне редко. В этом режиме коллектор и эмиттер транзистора меняют местами. В результате таких манипуляций коэффициент усиления транзистора очень сильно страдает. Транзистор изначально проектировался не для того, чтобы он работал в таком особенном режиме.

Для понимания того как работает транзистор нужно рассматривать конкретные схемные примеры, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи.  Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы  эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Т.е. I=U/R

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи  того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате  мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается -лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе  может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти 🙂

Чтобы такого эффекта не происходило делают следующее. Между базой и эмиттером подключают еще один резистор  Rбэ. Этот резистор выбирают номиналом как минимум в 10 раз больше базового резистора Rб (В нашем случае  мы взяли резистор 4,3кОм).

Когда база подключена к какому-либо напряжению, то транзистор работает как надо, резистор Rбэ ему не мешает. На этот резистор расходуется лишь малая часть базового тока.

В случае, когда напряжение к базе не приложено, происходит подтяжка базы к потенциалу земли, что избавляет нас от всяческих наводок.

Вот в принципе мы разобрались с работой транзистора в ключевом режиме, причем как вы могли убедиться ключевой режим работы это своего рода усиление сигнала по напряжению. Ведь мы с помощью малого напряжения в 5В управляли напряжением в 12 В.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

Отличительной чертой схемы с общим коллектором от схемы с общим эмиттером (вариант с транзисторным ключем) является то, что эта схема не усиливает сигнал по напряжению. Что вошло через базу, то и вышло через эмиттер, с тем же самым напряжением.

Действительно допустим приложили к базе мы 10 вольт, при этом мы знаем что на переходе база-эмиттер высаживается где-то 0,6-0,7В. Выходит что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rн) будет напряжение базы минус 0,6В.

Получилось 9,4В, одним словом почти сколько вошло столько и вышло. Убедились, что по напряжению эта схема нам сигнал не увеличит.

«В чем же смысл тогда таком включении транзистора?»- спросите вы. А вот оказывается эта схема обладает другим очень важным свойством.  Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал по мощности. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока! Ток в нагрузке складывается из тока базы плюс ток коллектора. Но если сравнивать ток базы и ток коллектора то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Получается ток нагрузки равен току коллектора.  И в результате получилась вот такая формула.

Теперь я думаю понятно в чем суть  схемы эмиттерного повторителя, только это еще не все.

Эмиттерный повторитель обладает еще одним очень ценным качеством — высоким входным сопротивлением. Это означает, что эта транзисторная схема почти не потребляет ток входного сигнала и не создает нагрузки для схемы -источника сигнала.

Для понимания принципа работы транзистора этих двух транзисторных схем будет вполне достаточно. А если вы еще поэкспериментируете с паяльником в руках то прозрение просто не заставит себя ждать, ведь теория теорией а практика и личный опыт ценнее в сотни раз!

Где транзисторы купить?

Как и все другие радиокомпоненты транзисторы можно купить в  любом ближайшем  магазине радиодеталей. Если вы живете где-нибудь на окраине и о подобных магазинах не слышали (как я раньше) то остается последний вариант — заказать транзисторы в интернет- магазине. Я сам частенько заказываю радиодетали через интернет-магазины ведь в обычном оффлайн магазине может чего-нибудь просто не оказаться.

Впрочем если вы собираете устройство чисто для себя то можно не париться а добыть из старой, отслужившей свое техники и так сказать вдохнуть в старый радиокомпонет новую жизнь.

Чтож друзья, а на этом у меня все. Все, что планировал я сегодня вам рассказал. Если остались какие-либо вопросы, то задавайте их в комментариях, если вопросов нет то все равно пишите комментарии, мне всегда важно ваше мнение. Кстати не забывайте, что каждый кто впервые оставит комментарий получит подарок.

Также обязательно подпишитесь на новые статьи, потому что дальше вас ждет много интересного и полезного.

Желаю вам удачи, успехов  и солнечного настроения!

С н/п Владимир Васильев

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

Полевой транзистор МОП (MOSFET) | Принцип работы и параметры

Что такое полевой транзистор MOS, MOSFET, МОП транзистор?

Как часто вы слышали название полевой транзистор МОП, MOSFET, MOS, полевик, МДП-транзистор, транзистор с изолированным затвором? Это все слова синонимы и относятся к одному и тому же радиоэлементу: полевому МОП-транзистору.

Полное название такого радиоэлемента на английский манер звучит как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), что в дословном переводе Металл Оксид Полупроводник Поле Влияние Транзистор. Если преобразовать на наш могучий русский язык, то получается как полевой транзистор со структурой Металл Оксид Полупроводник или просто МОП-транзистор. Почему МОП-транзистор также называют МДП-транзистором и транзистором с изолированным затвором.

Откуда пошло название “МОП”

Если “разрезать” МОП-транзистор, то можно увидеть вот такую картину.

С точки зрения еды на вашем столе, МОП-транзистор будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа – толстый кусок хлеба, диэлектрик – тонкий слой колбасы, слой металла – тонкая пластинку сыра. В результате у нас получается вот такой бутерброд.

А как  будет строение транзистора сверху-вниз? Сыр – металлическая пластинка, колбаса – диэлектрик, хлеб – полупроводник. Следовательно, получаем Металл-Диэлектрик-Полупроводник. А если взять первые буквы с каждого названия, то получается МДП – Металл-Диэлектрик-Полупроводник, не так ли? Значит, такой транзистор можно назвать по первым буквам МДП-транзистором. А так как в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO2), можно сказать почти стекло, то и вместо названия “диэлектрик” взяли название “оксид, окисел”, и получилось Металл-Окисел-Полупроводник, сокращенно МОП. Ну вот, теперь все встало на свои места).

Далее по тексту МОП-транзистор условимся называть просто полевой транзистор. Так будет проще.

Строение полевого транзистора

Давайте еще раз рассмотрим структуру полевого транзистора.

Имеем “кирпич” полупроводникового материала P-проводимости. Как вы помните, основными носителями в полупроводнике P-типа являются дырки, поэтому, их концентрация намного больше, чем электронов. Но электроны также есть и в P-полупроводнике. Как вы помните, электроны в P-полупроводнике – это неосновные носители и их концентрация очень мала, по сравнению с дырками. “Кирпич” P-полупроводника носит название Подложки. От подложки выходит вывод с таким же названием: подложка.

Другие слои – это материал N+ типа, диэлектрик, металл. Почему N+, а не просто N? Дело в том, что этот материал сильно легирован, то есть концентрация электронов в этом полупроводнике очень большая. От  полупроводников N+ типа, которые располагаются по краям, отходят два вывода: Исток и Сток.

Между Истоком и Стоком через диэлектрик располагается металлическая пластинка, от который идет вывод. Называется этот вывод Затвором. Между Затвором и другими выводами нет никакой электрической связи. Затвор вообще изолирован от всех выводов транзистора, поэтому МОП-транзистор также называют транзистором с изолированным затвором.

Мы видим, что полевой транзистор на схеме имеет 4 вывода (Исток, Сток, Затвор и Подложка), а реальный транзистор имеет только 3 вывода.

В чем прикол? Дело все в том, что Подложку обычно соединяют с Истоком. Иногда это уже делается в самом транзисторе еще на этапе разработки. В результате того, что Исток соединен с Подложкой, у нас образуется диод между Стоком и Истоком, который иногда даже не указывается в схемах, но всегда присутствует:

Поэтому, следует соблюдать цоколевку при подключении МОП-транзистора в схему.

Виды полевых транзисторов

В семействе МОП полевых транзисторов в основном выделяют 4 вида:

1) N-канальный с индуцированным каналом

2) P-канальный с индуцированным каналом

3) N-канальный со встроенным каналом

4) P-канальный со встроенным каналом

Как вы могли заметить, разница только в обозначении самого канала. С индуцированным каналом он обозначается штриховой линией, а со встроенным каналом – сплошной.

В современном мире полевой транзистор со встроенным каналом используется все реже и реже, поэтому, в наших статьям мы их не будем рассматривать. Будем изучать только N и P – канальные полевые транзисторы с индуцированным каналом.

Принцип работы полевого транзистора

Принцип работы почти такой же, как и в полевом транзисторе с управляющим PN-переходом (JFET-транзисторе). Исток – это вывод, откуда начинают свой путь основные носители заряда, Сток – это вывод, куда они притекают, а Затвор – это вывод, с помощью которого мы контролируем поток основных носителей.

Пусть Затвор у нас пока что никуда не подключен. Для того, чтобы устроить движение электронов через Исток-Сток, нам потребуется источник питания Bat:

Если рассмотреть наш транзистор с точки зрения PN-переходов и диодов на их основе, то можно нарисовать эквивалентную схемку для нашего рисунка. Она будет выглядеть вот так:

где

И-Исток

П-Подложка

С-Сток

Как вы видите, диод VD2 включен в обратном направлении, так что электрический ток никуда не потечет.

Значит, в этой схеме

никакого движения электрического тока пока что не намечается.

Индуцирование канала в МОП-транзисторе

Если подать некоторое напряжение на Затвор, то в Подложке начнутся волшебные превращения. В ней будет индуцироваться канал. Индукция, индуцирование – это буквально означает “наведение”, “влияние”. Под этим термином понимают возбуждение в объекте какого-либо свойства или активности в присутствии возбуждающего субъекта (индуктора), но без непосредственного контакта (например, через магнитное или электрическое поле). Последнее выражение для нас имеет более глубокий смысл: “через электрическое поле”.

Также нам не помешает вспомнить, как ведут себя заряды различных знаков. Те, кто не играл на физике на последней парте в  морской бой и не плевал через корпус шариковой ручки бумажными шариками в одноклассниц, тот наверняка вспомнит, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются:

На основе этого принципа еще в начале ХХ века ученые сообразили, где все это можно применить, и создали гениальный радиоэлемент. Оказывается, достаточно подать на Затвор положительное напряжение относительно Истока, как сразу под Затвором возникает электрическое поле.

Так как у нас слой диэлектрика очень тонкий, следовательно, электрическое поле будет также влиять и на подложку, в которой дырок намного больше, чем электронов, так как в данный момент подложка P-типа. А раз и на Затворе положительный потенциал, а дырки обладают положительным зарядом, следовательно, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные  – притягиваются.

Картина будет выглядеть следующим образом.

Дырки обращаются в бегство подальше от Затвора, так как одноименные заряды отталкиваются, а электроны наоборот пытаются пробиться к металлической пластинке затвора, но им мешает диэлектрик, который не дает им воссоединиться с Затвором и уравнять потенциал до нуля. Поэтому, электронам ничего другого не остается, как просто создать “вавилонское столпотворение” около слоя диэлектрика, что мы и видим на рисунке ниже.

Но смотрите, что произошло !? Исток и Сток соединились тонким каналом из электронов! Говорят, что такой канал индуцировался из-за электрического поля, которое создал Затвор транзистора.

Так как этот канал соединяет Исток и Сток, которые сделаны из N+ полупроводника, следовательно у нас получился N-канал. А такой транзистор уже будет называться N-канальным МОП-транзистором. Вы наверняка помните, что в проводнике очень много свободных электронов. Так как Сток и Исток соединились мостиком из большого количества электронов, следовательно, этот канал стал проводником для электрического тока. Проще говоря, между Истоком и Стоком образовался “проводок”, по которому может бежать электрический ток.

Значит, если сейчас подать напряжение между Стоком и Истоком при индуцированном канале, то мы можем увидеть вот такую картину.

Как вы видите, цепь стает замкнутой, и в цепи может спокойно течь электрический ток.

Но это еще не все! Чем сильнее электрическое поле, тем больше концентрация электронов, тем толще получается канал, следовательно, тем меньше сопротивление канала!  А как сделать поле сильнее? Достаточно подать побольше напряжения на Затвор! Подавая бОльшее напряжение на Затвор с помощью источника питания Bat2, мы увеличиваем толщину канала, а значит и его проводимость! Или простыми словами, мы можем менять сопротивление канала, “играя” напряжением на затворе. Ну гениальнее некуда!

Работа P-канального полевого транзистора

Выше мы разобрали N-канальный транзистор с индуцированным каналом. Также есть еще и P-канальный транзистор с индуцированным каналом. P-канальный работает точно также, как и N-канальный, но вся разница в том, что основными носителями будут являться дырки. В этом случае все напряжения в схеме меняем на инверсные, в отличие от N-канального транзистора. Честно говоря, P-канальные полевые транзисторы используются реже, чем N-канальные.

Принцип работы показан на рисунке ниже.

Режимы работы полевого транзистора

Работа полевого транзистора в режиме отсечки

Давайте познакомимся с нашим героем. У нас в гостях N-канальный полевой транзистор с индуцированным каналом. Судя по гравировке, звать его IRFZ44N. Выводы слева-направо: Затвор, Сток и Исток.

Как мы уже с вами разобрали, Затвор служит для управлением ширины канала между Стоком и Истоком. Для того, чтобы показать принцип работы, мы с вами соберем простейшую схему, которая будет управлять интенсивностью свечения лампы накаливания. Так как в данный момент нет никакого напряжения на Затворе полевого транзистора, следовательно, он будет находится в закрытом состоянии. То есть электрический ток через лампу накаливания течь не будет.

По идее, для того, чтобы управлять свечением лампы, нам достаточно менять напряжение на Затворе относительно Истока. Так как наш полевой транзистор является N-канальным, следовательно, на Затвор мы будем подавать положительное напряжение. Окончательная схема примет вот такой вид.

Вопрос в другом. Какое напряжение надо подать на Затвор, чтобы в цепи Сток-Исток побежал минимальный электрический ток?

Мой блок питания Bat2 выглядит следующим образом.

С помощью этого блока питания мы будем регулировать напряжение. Так как он стрелочный, более правильным будет измерение напряжения с помощью мультиметра.

Собираем все как по схеме и подаем на Затвор напряжение номиналом в 1 Вольт.

Лампочка не горит. На другом блоке питания (Bat1) есть встроенный амперметр, который показывает, что в цепи лампы накаливания электрический ток не течет, следовательно, транзистор не открылся. Ну ладно, будем добавлять напряжение.

 

И только уже при 3,5 Вольт амперметр на Bat1 показал, что в цепи лампы накаливания появился ток, хотя сама лампа при этом не горела.

Такого слабого тока ей просто недостаточно, чтобы накалить вольфрамовую нить. Режим, при котором в цепи Сток-Исток не протекает электрический ток, называется режимом отсечки.

Активный режим работы полевого транзистора

В нашем случае при напряжении около 3,5 Вольт наш транзистор начинает немного приоткрываться. Это значение у различных видов полевых транзисторов разное и колеблется в диапазоне от 0,5 и до 5 Вольт. В даташите этот параметр называется как Gate threshold voltage, в переводе с англ. яз.  –  пороговое напряжение Затвора. Указывается как VGS(th), а в некоторых даташитах как VGS(to) .

Как вы видите в таблице, на мой транзистор это напряжение варьируется от 2 и до 4 Вольт при каких-то условиях (conditions). В условиях прописано, что открытие транзистора считается при токе в 250 мкА и при условии, что напряжение на Стоке-Истоке будет такое же как и напряжение на Затворе-Стоке.

С этого момента мы можем плавно регулировать ширину канала нашего полевого транзистора, увеличивая напряжение на Затворе. Если чуть-чуть добавить напряжение, то мы можем увидеть, что нить лампы накаливания начинает накаляться. Меняя напряжение туда-сюда, мы можем добиваться нужного нам свечения лампочки накаливания. Такой режим работы полевого транзистора называется активным режимом.

В этом режиме полевой транзистор может менять сопротивление индуцируемого канала в зависимости от напряжения на Затворе. Для того, чтобы понять, как усиливает полевой транзистор, вам надо прочитать статью про принцип работы биполярного транзистора, где все это описано, иначе ничего не поймете. Читать по этой ссылке.

Активный режим работы транзистора чреват тем, что в этом режиме транзистор может очень сильно греться. Поэтому, всегда следует позаботиться об охлаждающем радиаторе, который бы рассеивал тепло от транзистора в окружающее пространство. Почему же греется транзистор? В чем дело? Да все оказывается до боли просто. Сопротивление Сток-Исток зависит от того, какое напряжение будет на Затворе. То есть схематически это можно показать вот так.

Если напряжения на Затворе нет или оно меньше, чем напряжение открытия транзистора, то сопротивление в этом случае будет бесконечно большое. Лампочка – это нагрузка, которая обладает каким-либо сопротивлением. Не спорю, что сопротивление нити горящей лампочки будет совсем другое, чем холодной, но пока пусть будет так, что лампочка – это какое-то постоянное сопротивление. Перерисуем нашу схему вот так.

Получился типичный делитель напряжения. Как я уже говорил, если нет напряжения на Затворе, то сопротивление Сток-Истока будет бесконечно большим.  Значит, мощность, рассеиваемая на транзисторе, будет равняться падению напряжения на Сток-Истоке помноженной на силу тока через Сток-Истока: P=Ic Uси . Если выразить эту формулу через сопротивление, то получаем

P= I2R 

где R – это сопротивление канала Сток-Исток, Ом

I– сила тока, проходящая через канал (ток Стока) , А

А что такое мощность, рассеиваемая на каком-либо радиоэлементе? Это и есть тепло.

Теперь представьте, что мы приоткрыли транзистор наполовину. Пусть в нашей цепи ток через лампу будет 1 Ампер, а сопротивление перехода Сток-Исток будет равно 10 Ом. Согласно формуле P= I2R  получим, что рассеиваемая мощность на транзисторе в этот момент будет 10 Ватт! Да это маленький, черт его возьми, нагреватель!

Режим насыщения полевого транзистора

Для того, чтобы полностью открыть полевой транзистор, нам достаточно подавать напряжение до тех пор, пока лампа не будет гореть во весь накал. В моем случае это напряжение более чем 4,2 Вольта.

 

В режиме насыщение сопротивление канала Сток-Исток минимально и почти не оказывает сопротивление электрическому току. Лампа ест свои честные 20,4 Ватта (12х1,7=20,4).

 

На самой лампе мы видим ее мощность 21 Ватт. Спишем небольшую погрешность на наши приборы.

Самое интересное то, что транзистор в этом случае остается холодным и ни капли не греется, хотя через него проходит 1,7 Ампер! Для того, чтобы понять этот феномен, нам опять надо рассмотреть формулу P= I2R . Если сопротивление Стока-Истока составляет какие-то сотые доли Ома в режиме насыщения, то с чего будет греться транзистор?

Поэтому, самые щадящие режимы для полевого МОП-транзистора – это когда канал полностью открыт или когда канал полностью закрыт. При закрытом транзисторе сопротивление канала будет бесконечно большое, а ток через это сопротивление будет бесконечно мал, так как в этой цепи будет работать закон Ома. Подставляя эти значение в формулу P= I2R, мы увидим, что мощность рассеивания на таком транзисторе будет равна практически нулю. В режиме насыщения у нас сопротивление будет достигать сотые доли Ома, а сила тока будет зависеть от нагрузку в цепи. Следовательно, в этом режиме транзистор также будет рассеивать какие-то сотые доли Ватта.

Ключевой режим работы полевого транзистора

В этом режиме полевой транзистор работает только в режиме отсечки и насыщения.

Давайте немного изменим схему и уберем из нее Bat2. Вместо него поставим переключатель, а напряжение на Затвор будем брать от Bat1.

Для наглядности вместо переключателя я использовал проводок от макетной платы. В данном случае лампочка не горит. А с чего ей гореть-то? На Затворе то у нас полный ноль, поэтому, канал закрыт.

Но стоит только перекинуть выключатель в другое положение, как у нас лампочка сразу же загорается на всю мощь.

Даже не надо ни о чем заморачиваться! Просто подаем на Затвор напряжение питания и все! Разумеется, если оно не превышает максимальное напряжение на Затворе, прописанное в даташите. Для нашего транзистора это +-20 Вольт. Не повредит ли напряжение питания Затвору? Так как Затвор у нас имеет очень большое входное сопротивление (он ведь отделен слоем диэлектрика от всех выводов), то и сила тока в цепи Затвора будет ну очень маленькая (микроамперы).

Как вы видите, лампочка горит на всю мощь. В этом случае можно сказать, что потенциал на Стоке стал такой же, как и на Истоке, то есть ноль, поэтому весь ток побежал от плюса питания к Стоку, “захватив” по пути лампочку накаливания, которая не прочь была покушать электрический ток, излучая кучу фотонов в пространство и на мой  рабочий стол.

Но наблюдается также и интересный феномен, в отличие от ключа на биполярном транзисторе. Даже если откинуть проводок от Затвора, все равно лампочка продолжает гореть как ни в чем не бывало!

Почему так происходит? Здесь надо вспомнить внутреннее строение самого полевого транзистора. Вот эта часть вам ничего не напоминает?

Так это же конденсатор! А раз мы его зарядили, то с чего он будет разряжаться? Разрядиться-то ему некуда, поэтому он и держит заряд электронов в канале, пока мы не разрядим вывод Затвора. Для того, чтобы убрать потенциал с Затвора и “заткнуть” канал, нам опять же надо уравнять его с нулем. Сделать это достаточно просто, замкнув Затвор на Исток. Лампочка сразу же потухнет.

Как вы видели в опыте выше, если мы отключаем напряжение на Затворе, то обязательно должны притянуть Затвор к минусу, иначе канал так и останется открытым. Поэтому обязательное условие в схемах – Затвор должен всегда чем-то управляться и с чем-то соединяться. Ему нельзя висеть в воздухе.

А почему бы Затвор автоматически не притягивать к нулю при отключении подачи напряжения на Затвор? Поэтому, эту схему можно доработать и сделать самый простейший ключ на МОП-транзисторе:

При включении выключателя S цепь стает замкнутой и лампочка загорается

Как только я убираю красный проводок от Затвора (разомкну выключатель),  лампочка сразу тухнет:

Красота! То есть как только я убрал напряжение от Затвора, Затвор притянуло к минусу через резистор и на нем стал нулевой потенциал. А раз на Затворе ноль, то и канал Сток-Исток закрыт. Если я снова подам напряжение на Затвор, то у нас на мегаомном резисторе упадет напряжение питания, которое будет все оседать на Затворе и транзистор снова откроется. На бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение ;-). Не забываем золотое правило делителя напряжения. Резистор в основном берут от 100 КилоОм и до 1 МегаОма (можно и больше). Так как МОП-транзисторы с индуцированным каналом в основном используются в цифровой и импульсной технике, из них получаются отличные транзисторные ключи, в отличие от ключа на биполярном транзисторе.

Характеристики полевого МОП транзистора

Для того, чтобы узнать характеристики транзистора, нам надо открыть на него даташит и рассмотреть небольшую табличку на первой странице даташита. Будем рассматривать транзистор, который мы использовали в своих опытах: IRFZ44N.

Напряжение VGS   – это напряжение между Затвором и Истоком. Смотрим на даташит и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать на Затвор это +-20 Вольт. Более 20 Вольт в обе стороны пробьет тончайший слой диэлектрика, и транзистор придет в негодное состояние.

Максимальная сила тока ID , которая может течь через канал Сток-Исток.

Как мы видим, транзистор в легкую может протащить через себя 49 Ампер!!!

Но это при температуре кристалла 25 градусов по Цельсию. А так номинальная сила тока 35 Ампер при температуре кристалла 100 градусов, что чаще всего и происходит на практике.

 

RDS(on) – сопротивление полностью открытого канала Стока-Истока. В режиме насыщения, сопротивление канала транзистора достигает ну очень малого значения. Как вы видите, у нашего подопечного сопротивление канала достигает 17,5 мОм (при условии, что напряжение на Затворе = 10 Вольт, а ток Стока  = 25 Ампер).

 

Максимальная рассеиваемая мощность PD  – это мощность, которую транзистор может рассеять на себе, превращая эту мощность в тепло. В нашем случае это 94 Ватта. Но здесь также должны быть соблюдены различные условия – это температура окружающей среды, а также есть ли у транзистора радиатор.

вид и обозначение, достоинства и недостатки, принцип работы для чайников

В электронике и радиотехнике очень часто применяются полупроводниковые приборы, к которым относятся и транзисторы. Полевые транзисторы (ПТ) потребляют значительно меньше электрической энергии, благодаря чему они применяются в различных маломощных устройствах. Кроме того, существуют модели, работающие на больших токах при малом потреблении питающего напряжения (U).

Общие сведения

FET или ПТ — полупроводниковый прибор, который при изменении управляющего U, регулирует I (силу тока). Этот тип транзистора называется еще униполярным. Появился он позже обычного транзистора (биполярного), но с ростом технологии получил широкое распространение среди цифровых устройств благодаря низкому энергопотреблению. Основное отличие заключается в методе регулирования I. В биполярном — регулирование I происходит при помощи управляющего I, а полевом — при помощи U (Рисунок 1).

Рисунок 1 — Отличие полевого от биполярного Т.

У ПТ нет I управления, и он обладает высоким входным сопротивлением (R), которое достигает несколько сотен ГОм (ГигаОм) или ТОм (ТерраОм). Для того чтобы узнать сферы применения ПТ, нужно внимательно изучить его. Носителями заряда являются электроны или дырки, а у биполярного — электроны и дырки.

Классификация и устройство

ПТ бывают нескольких видов, обладают различными характеристиками и устройством. Они делятся на 2 типа:

  1. С управляющим p-n — переходом (JFET).
  2. С изолированным затвором (MOSFET).

Кроме того, каждый из типов бывает с N и P каналами. У ПТ с N-каналом носителями заряда являются электроны, а у P-канального — дырки. Принцип работы для P и N аналогичен, отличие лишь в подаче U другой полярности в качестве управляющего.

Устройство JFET ПТ (рисунок 2) простое. Область N образовывает канал между зонами P. К концам канала N подключаются электроды, которые называются условно стоком (С) и истоком (И), так как все зависит от схемы подключения. Затвор (З) — тип электрода, который образовывается при закорачивании полупроводников P. Это обусловлено электрическим соединением при воздействии U. Возле С и И находится область повышенной концентрации или легирование (N+) электронов, что приводит к улучшению проводимости канала. Наличие зоны легирования значительно понижает образование паразитных p-n — переходов, образующихся при присоединении алюминия.

Рисунок 2 — Схематическое устройство ПТ типа JFET.

MOFSET называется МОП или МДП, также делятся на типы — со встроенным и индуцируемым каналами. В каждом из этих типов есть модели с P и N каналами. Полевой транзистор, обозначение которого представлено на рисунке 3, иногда обладает 4 выводами.

Рисунок 3 — Обозначение МДП-транзистора.

Устройство довольно простое и показано на рисунке 4. Для ПТ с N-каналом подложка (покрывается SiO2) обладает электропроводимостью P-типа. Через слой диэлектрика проводятся электроды стока и истока от зон с легированием, а также вывод, который закорачивается с истоком. Слой затвора находится над диэлектриком.

Рисунок 4 — Типичное устройство ПТ с индуцированным каналом.

Принцип работы JFET

JFET работает в 2 режимах. Эта особенность связана с тем, что подается на затвор напряжение положительной и отрицательной составляющей (рис. 5). При подключении U > 0 к стоку, а земли к истоку необходимо подсоединить затвор к земле (Uзи = 0). Во время постепенного повышения U между С и И (Uис) ПТ является обыкновенным проводником. При низких значениях Uис ширина канала является максимальной.

При высоких значениях Uис через канал протекают большие значения силы тока между истоком и стоком (Iис). Это состояние получило название омической области (ОО). В полупроводнике N-типа, а именно в зонах p-n — перехода происходит снижение концентрации свободных электронов. Несимметричное разрастание слоя снижения концентрации свободных электронов называется обедненным слоем. Разрастание случается со стороны подключенного источника питания. Происходит сильное сужение канала при повышении Uис, вследствие которого Iис растет незначительно. Работа ПТ в этом режиме называется насыщением.

Рисунок 5 — Схема работы JFET (Uзи = 0).

При подаче низкого отрицательного U на затворе происходит сильное сужение канала и уменьшение Iис. При уменьшении U произойдет закрытие канала, и ПТ будет работать в режиме отсечки, а U, при котором прекращается подача Iис, называется напряжением отсечки (Uотс). На рисунке 6 изображено графическое представление работы ПТ при Uзи < 0:

Рисунок 6 — Графическое представление принципа работы полевого транзистора типа JFET.

При использовании в режиме насыщения происходит усиление сигнала (рис. 7), так как при незначительных изменениях Uис происходит значительное изменение Iис:

Рисунок 7 — Пример S JFET.

Этот параметр является усилительной способностью JFET и называется крутизной стоко-затворной характеристики (S). Единица измерения — mA/В (милиАмпер/Вольт).

Особености работы MOFSET

При подключении U между электродами С и И любой полярности к MOFSET с индуцированным N-каналом ток не потечет, так как между легитивным слоем находится слой с проводимостью P, которая не пропускает электроны. Принцип работы с каналом P-типа такой же, только необходимо подавать отрицательное U. Если подать положительное Uзи на затвор, то возникнет электрическое поле, выталкивающее дырки из зоны P в направлении подложки (рис. 8).

Под затвором концентрация свободных носителей заряда начнет уменьшаться, а их место займут электроны, которые притягиваются положительным зарядом затвора. При достижении Uзи порогового значения концентрация электронов будет значительно больше концентрации дырок. В результате этого произойдет формирование между С и И канала с проводимостью N-типа, по которому потечет Iис. Можно сделать вывод о прямо пропорциональной зависимости Iис от Uзи: при повышении Uзи происходит расширение канала и увеличение Iис. Этот процесс является одним из режимов ПТ — обогащения.

Рисунок 8 — Иллюстрация работы ПТ с индуцированным каналом (тип N).

ВАХ ПТ с изолированным затвором примерно такой же, как и с управляющим переходом (рис. 9). Участок, на котором Iис растет прямо пропорционально росту Uис, является омической областью (насыщения). Участок при максимальном расширении канала, на котором Iис не растет, является активной областью.

При превышении порогового значения U переход типа p-n пробивается, и ПТ является обычным проводником. В этом случае радиодеталь выходит из строя.

Рисунок 9 — ВАХ ПТ с изолированным затвором.

Отличие между ПТ со встроенным и индуцируемым каналами заключается в наличии между С и И канала проводящего типа. Если к ПТ со встроенным каналом подключить между стоком и истоком U разной полярности и оставить затвор включенным (Uзи = 0), то через канал потечет Iис (поток свободных носителей заряда — электронов). При подключении к затвору U < 0 возникает электрическое поле, выталкивающее электроны в направлении подложки. Произойдет уменьшение концентрации свободных носителей заряда, а сопротивление увеличится, следовательно, Iис — уменьшится. Это состояние является режимом обеднения.

При подключении к затвору U > 0 возникает электромагнитное поле, которое будет притягивать электроны из стока, истока и подложки. В результате этого произойдет расширение канала и повышение его проводимости, а Iис увеличится. ПТ начнет работать в режиме обогащения. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 — ВАХ ПТ со встроенным каналом.

Несмотря на свою универсальность, ПТ обладают преимуществами и недостатками. Эти недостатки следуют из устройства, способа исполнения и ВАХ приборов.

Преимущества и недостатки

Преимущества и недостатки являются условными понятиями, взятыми из сравнения полевых и биполярных транзисторов. Одним из свойств ПТ является высокое сопротивление Rвх. Причем у MOFSET его значение на несколько порядков выше, чем у JFET. ПТ практически не потребляют ток у источника сигнала, который нужно усилить.

Например, если взять обыкновенную схему, генерирующую сигнал на базе микросхемы-микроконтроллера. Эта схема управляет работой электродвигателя, но обладает низким значением тока, которого недостаточно для этих целей. В этом случае необходим усилитель, потребляющий малое количества I и генерирующий на выходе ток высокой величины. В усилителе такого типа и следует применить JFET, обладающий высоким Rвх. JFET обладает низким коэффициентом усиления по U. При построении усилителя на JFET (1 шт.) максимальный коэффициент усиления будет около 20, при использовании биполярного — несколько сотен.

В усилителях высокого качества применяются оба типа транзистора. При помощи ПТ происходит усиление по I, а затем, при помощи биполярного происходит усиление сигнала по U. Однако ПТ обладают рядом преимуществ перед биполярными. Эти преимущества заключаются в следующем:

  1. Высокое Rвх, благодаря которому происходит минимальное потребление I и U.
  2. Высокое усиление по I.
  3. Надежность работы и помехоустойчивость: при отсутствии протекания I через затвор, в результате чего управляющая цепь затвора изолирована от стока и истока.
  4. Высокое быстродействие перехода из одного состояния в другое, что позволяет применять ПТ на высоких частотах.

Кроме того, несмотря на широкое применение, ПТ обладают несколькими недостатками, не позволяющими полностью вытеснить с рынка биполярные транзисторы. К недостаткам относятся следующие:

  1. Повышенное падение U.
  2. Температура разрушения прибора.
  3. Потребление большего количества энергии на высоких частотах.
  4. Возникновение паразитного транзистора биполярного типа (ПБТ).
  5. Чувствительность к статическому электричеству.

Повышенное падение U возникает из-за высокого R между стоком и истоком во время открытого состояния. ПТ разрушается при превышении температуры по Цельсию 150 градусов, а биполярный — 200. ПТ обладает низким энергопотреблением только на низких частотах. При превышении частоты 1,6 ГГц энергопотребление возрастает по экспоненте. Исходя из этого, частоты микропроцессоров перестали расти, а делается упор на создании машин с большим количеством ядер.

При использовании мощного ПТ в его структуре образовывается ПБТ, при открытии которого ПТ выходит из строя. Для решения этой проблемы подложку закорачивают с И. Однако это не решает проблему полностью, так как при скачке U может произойти открытие ПБТ и выход из строя ПТ, а также цепочки из деталей, которые подключены к нему.

Существенным недостатком ПТ является чувствительность к статическому электричеству. Этот недостаток исходит от конструктивной особенности ПТ. Слой диэлектрика (изоляционный) тонкий, и его очень легко разрушить при помощи заряда статического электричества, который может достигать сотен или тысяч вольт. Для предотвращения выхода из строя при воздействии статического электричества предусмотрено заземление подложки и закорачивание ее с истоком. Кроме того, в некоторых типах ПТ между стоком и истоком стоит диод. При работе с интегральными микросхемами на ПТ следует применять антистатические меры: специальные браслеты и транспортировка в вакуумных антистатических упаковках.

Схемы подключения

ПТ подключается примерно так же, как и обыкновенный, но есть некоторые особенности. Существует 3 схемы включения полевых транзисторов: с общими истоком (ОИ), стоком (ОС) и затвором (ОЗ). Чаще всего применяется схема подключения с ОИ (схема 1). Это подключение позволяет получить значительное усиление по мощности. Однако подключение с ОИ используется в низкочастотных усилителях, а также обладает высокой входной емкостной характеристикой.

Схема 1 — Включение с ОИ.

При включении с ОС (схема 2) получается каскад с повторителем, который называется истоковым. Преимуществом является низкая входная емкость. Его применяют для изготовления буферных разделительных каскадов (например, пьезодатчик).

Схема 2 — Подключение с ОС.

При подключении с ОЗ (схема 3) не происходит значительного усиления по току, коэффициент усиления по мощности ниже, чем при подключениях с ОИ и ОС. Однако при помощи этого типа подключения возможно полностью избежать эффекта Миллера. Эта особенность позволяет увеличить максимальную частоту усиления (усиление СВЧ).

Схема 3 — Включение с ОЗ.

Таким образом, ПТ получили широкое применение в области информационных технологий. Однако не смогли вытеснить с рынка радиодеталей биполярные транзисторы. Это связано, прежде всего, с недостатками ПТ, которые кроются в принципе работы и конструктивной особенности. Главным недостатком является высокая чувствительность к полям статического электричества.

в чём заключается функция, как работает, классификация и определение для чайников

Любое электронное устройство состоит из радиоэлементов. Они могут быть пассивными, не требующими источника питания, и активными, работа которых возможна только при подаче напряжения. Активными элементами называют полупроводники. Одним из важнейших полупроводниковых приборов является транзистор. Этот радиоэлемент пришёл на смену ламповым приборам и полностью изменил схемотехнику устройств. Вся микроэлектроника и работа любой микросхемы базируется именно на нём.

Общие сведения

Название «транзистор» произошло от слияния двух английских слов: transfer — переносимый, и resistor — сопротивление. В общепринятом понятии это полупроводниковый элемент с тремя выводами. В нём величина тока на двух выводах зависит от третьего, при изменении на котором тока или напряжения происходит управление значением тока выходной цепи. Вариацией тока управляются биполярные приборы, а напряжением — полевые.

Первые разработки транзистора были начаты в XX веке. В Германии учёный Юлий Эдгар Лилиенфельд описал принцип работы транзистора, а уже в 1934 году физиком Оскаром Хейл был зарегистрирован прибор, названный позже транзистором. Такое устройство работало на электростатическом эффекте поля.

Физики Уильям Шокли, Уолтер Браттейн вместе с учёным Джоном Бардином в конце 40-х годов изготовили первый макет точечного транзистора. С открытием n-p перехода выпуск точечного транзистора прекратился, а вместо него начались разработки плоскостных устройств из германия. Официально представлен был действующий прототип транзистора в декабре 1947 года. В этот день появился первый биполярный транзистор. Летом 1948 года начались продаваться устройства, выполненные на транзисторной основе. С этого момента распространённые на тот момент электронные лампы (триоды) начали уходить в прошлое.

В середине 50-х годов первый плоскостной транзистор был выпущен в серию компанией Texas Instruments, в качестве материала для его изготовления послужил кремний. На тот момент при производстве радиоэлемента выходило много брака, но это не помешало технологическому развитию прибора. В 1953 году на транзисторах была изготовлена схема, использующаяся в слуховых аппаратах, а годом позже американские физики получили за своё открытие Нобелевскую премию.

Март 1959 года ознаменовался созданием первого кремниевого планарного прибора, его разработчиком был физик из Швейцарии Жан Эрни. Пара транзисторов была успешно размещена на одном кристалле кремния. С этого момента и началось развитие интегральной схемотехники. На сегодняшний день в одном кристалле размещается более миллиарда транзисторов. Например, на популярном 8-ядерном компьютерном процессоре Core i7−5960X их количество составляет 2,6 миллиарда штук.

Параллельно с усовершенствованиями биполярного транзистора в 60-х годах начались разработки прибора на основе соединения металла с полупроводником. Такой радиоэлемент получил название МОП (металл-оксид-полупроводник) транзистор, сегодня более известный под обозначением «мосфет».

Изначально понятие «транзистор» относилось к сопротивлению, величина которого управлялась напряжением, поскольку транзистор можно представить как некий резистор, регулируемый приложенным потенциалом на одном выводе. Для полевых транзисторов, сравнение с которыми более верно, — потенциалом на затворе, а для биполярных транзисторов — потенциалом на базе или током базы.

Электронно-дырочный переход

Основа работы прибора заключается в способности n-p перехода пропускать ток в одну сторону. При подаче напряжения на одном переходе возникает его прямое падение, а на другом обратное. Зона перехода с прямым напряжением обладает малым сопротивлением, а с обратным — большим. Между базой и эмиттером протекает небольшой ток управления. От значения этого тока изменяется сопротивление между коллектором и эмиттером. Биполярный прибор бывает двух типов:

Отличие заключается лишь в основных носителях заряда, т. е. направлении тока.

Если соединить два полупроводника разного типа между собой, то на границе соединения возникает область или, как принято называть, p-n переход. Тип проводимости зависит от атомного строения материала, а именно насколько прочны связи в материале. Атомы в полупроводнике располагаются в виде решётки, и сам по себе такой материал не является проводником. Но если в решётку добавить атомы другого материала, то физические свойства полупроводника изменяются. Примешанные атомы образовывают, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки.

Образованные свободные электроны формируют отрицательный заряд, а дырки — положительный. В области перехода существует потенциальный барьер. Он образуется контактной разностью потенциалов, и его высота не превышает десятые доли вольта, препятствуя протеканию носителей заряда вглубь материала. Если переход находится под прямым напряжением, то величина потенциального барьера уменьшается, а величина проходящего через него тока увеличивается. При прикладывании обратного напряжения, величина барьера увеличивается и сопротивление барьера прохождению тока возрастает. Понимая работу p-n перехода, можно разобраться, как устроен транзистор.

Классификация устройств

В первую очередь такие приборы разделяются на одиночные и составные. Существуют и так называемые комплексные радиоэлементы. Они имеют три вывода и выполненны, как единое целое. Такие сборки содержат как однотипные, так и разные по своему типу транзисторы. Основное разделение приборов происходит по следующим признакам:

  1. Канальность. В зависимости от того, какие носители зарядов являются основными бывают p-типа и n-типа.
  2. Технологии изготовления. Выпускаются биполярными, полевыми, комбинированными.
  3. По типу полупроводника. В качестве материала для изготовления применяется кремний, германий и арсенид-галлия. В последнее время начали выпускаться транзисторы, использующие в качестве основы прозрачные полупроводники. Например, для построения дисплейных матриц. А также использующие в качестве материалов полимеры и углеродные нанотрубки.
  4. По рассеиваемой мощности. Разделяются на три типа: маломощные, средней мощности и мощные. Первые не превышают значения 0,1 Вт, вторые находятся в диапазоне 0,1−1 Вт, а к мощным относят все те, что превышают 1 Вт.
  5. По виду исполнению. Выделяют дискретные транзисторы, которые могут быть как корпусными, так и нет, и транзисторы, входящие в состав интегральных схем.

Общее определение для радиоэлемента можно сформулировать следующим образом: транзистор — это полупроводниковый элемент, предназначенный для преобразования электрических величин. Основное его применение заключается в усилении сигнала или работе в ключевом режиме.

Биполярный прибор

Принцип работы транзистора для «чайника» проще описать по аналогии с водопроводом. Сам элемент можно представить в виде вентиля. Кран небольшим поворотом позволяет регулировать поток воды (силу тока). Если немного повернуть рукоятку, вода потечёт по трубе (проводнику), если приоткрыть кран ещё сильнее, поток воды также увеличится. Таким образом, выход потока воды пропорционален её входу, умноженному на определённую величину. Этой величиной называется коэффициент усиления.

Биполярный транзистор имеет три вывода: эмиттер, база, коллектор. Эмиттер и коллектор имеют одинаковый тип проводимости, который отличный от базы. Дырочного типа транзисторы состоят из двух областей p -типа проводимости, и одной n -типа. Электронного типа наоборот. Каждая область имеет свой вывод.

При подаче на эмиттер сигнала нужной проводимости ток в области базы увеличивается. Основные носители заряда перемещаются в зону базы, что приводит к возрастанию тока и в обратной области подключения. Возникает объёмный заряд. Электрическое поле начинает втягивать в зону обратного подключения носители другого знака. В базе происходит частичная рекомбинация (уничтожение) зарядов противоположного знака, благодаря чему и возникает ток базы.

Эмиттером называют область прибора, служащую для передачи носителей заряда в базу. Коллектором называют зону, предназначенную для извлечения носителей заряда из базы. А база — это область для передачи эмиттером противоположной величины заряда. Основной характеристикой прибора является вольт-амперная характеристика, функция которой описывает зависимость между током и напряжением.

На схеме устройство подписывается латинскими буквами VT или Q. Выглядит как круг со стрелкой внутри, где стрелка указывает направление протекания тока. Для PNP (прямая проводимость) — стрелка внутрь, а NPN (обратная проводимость) — стрелка наружу. Для того чтобы сделать транзистор, используется германий или кремний. Отличаются эти материалы рабочей областью напряжения базового перехода. Для германиевых он лежит в диапазоне 0,1−0,4 В, а для кремниевых от 0,4 до 1,2 В. Обычно используется кремний.

Полевой транзистор

Отличие полевого транзистора от биполярного в том, что в нём за прохождение тока отвечает величина напряжения, приложенная к управляемому контакту.

Основное назначение мосфетов связывают с их хорошей скоростью переключения при весьма небольшой мощности, приложенной к выводу управления. Полевой элемент имеет три вывода: затвор, сток, исток. При работе мосфета с управляющим n-p переходом потенциал на затворе либо равен нулю (прибор открыт), или имеет определённое значение, превышающее ноль (прибор закрыт). Когда обратное напряжения достигает определённого уровня, то открывается запирающий слой, и устройство переходит в режим отсечки.

В мосфете с p-n переходом управляющим электродом (затвором) служит слой полупроводника, имеющий проводимость р-типа, а противоположной проводимости — канал n-типа.

Изображение его на схеме сходно биполярному устройству, только все линии выполняются прямыми, а стрелка внутри подчёркивает разновидность прибора. В основе принципа действия МОП приборов лежит эффект изменения проводимости полупроводника на границе области с диэлектриком при воздействии электрического поля. Полевые устройства в зависимости от управляемого p-n перехода могут быть:

  1. Со встроенным каналом. Работают в двух режимах: обеднения и обогащения. В первом режиме величина потенциала на затворе превышает значение на истоке, что приводит к снижению значения тока на нём. Если приложенный потенциал больше напряжения отсечки, то ток между выводами стока и истока отсутствует. При обогащении, наоборот, чем больше величина потенциала между выводами затвор-исток, тем больше ток стока.
  2. С индуцированным (наведённым) каналом. Для p-канального устройства при отсутствии потенциала на выводе затвор-исток ток стока близок к нулю. Такой тип работает только в режиме обогащения. При этом напряжение на выводах исток-затвор должно быть больше нуля. Когда это напряжение превысит значение порогового, то между стоком и истоком возникнет проводимость p-типа. Связано это с тем, что количество дырок под затвором увеличится. Это явление называется инверсией.

Каждый вид может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. В общем понимании принцип работы не зависит от проводимости, меняется только полярность источника напряжения.

Принцип действия для чайников

Транзистор — это сложный прибор, физические процессы проходящие в котором сложны для понимания начинающим радиолюбителям (чайникам). Как работает транзистор, можно объяснить следующим образом: транзистор — это электронный ключ, степень открывания которого зависит от уровня тока или напряжения, приложенного к его управляемому выводу (база или затвор).

Зачем нужен транзистор, можно описать в обобщённой форме. Например, база (затвор) прибора — это дверь. Она открывается внешним воздействием, т. е. напряжением той же полярности, что и коллектор (исток). Чем больше напряжение, тем дверь больше откроется. Перед дверью стоит очередь людей (носители заряда), которые хотят пробежать через неё (коллектор-эмиттер или исток-сток). Чем больше воздействие на дверь, тем больше она открыта, а значит, и больше пробежит людей.

Поэтому, представляя дверь в виде сопротивления перехода, можно сделать вывод: чем больше воздействие на базу (затвор), тем меньше сопротивление основным носителям заряда (людям) в случае прямой полярности. Если полярность поменяется (дверь закроется на замок), то никакого движения зарядов (людей) не будет.

Originally posted 2018-04-18 12:29:48.

транзисторов — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 73

Введение

Транзисторы вращают наш мир электроники. Они критически важны как источник управления практически в каждой современной цепи. Иногда вы их видите, но чаще всего они спрятаны глубоко внутри кристалла интегральной схемы. В этом уроке мы познакомим вас с основами самого распространенного транзистора: биполярного переходного транзистора (BJT).

В небольших дискретных количествах транзисторы могут использоваться для создания простых электронных переключателей, цифровой логики и схем усиления сигналов. В количествах тысяч, миллионов и даже миллиардов транзисторы соединены между собой и встроены в крошечные микросхемы для создания компьютерной памяти, микропроцессоров и других сложных ИС.

рассматривается в этом учебном пособии

После прочтения этого руководства мы хотим, чтобы вы получили широкое представление о том, как работают транзисторы.Мы не будем слишком углубляться в физику полупроводников или эквивалентные модели, но мы достаточно углубимся в предмет, чтобы вы поняли, как транзистор можно использовать в качестве переключателя или усилителя .

Это руководство разделено на несколько разделов, охватывающих:

Существует два типа базовых транзисторов: биполярный переход (BJT) и металлооксидный полевой транзистор (MOSFET). В этом уроке мы сосредоточимся на BJT , потому что его немного легче понять.Если копать еще глубже в типы транзисторов, на самом деле существует две версии BJT: NPN и PNP . Мы сфокусируемся еще больше, ограничив наше раннее обсуждение NPN. Если сузить наш фокус — получить твердое представление о NPN — будет легче понять PNP (или даже МОП-транзисторы), сравнив, чем он отличается от NPN.

и nbsp

и nbsp

Рекомендуемая литература

Перед тем, как углубиться в это руководство, мы настоятельно рекомендуем просмотреть эти уроки:

  • Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома — Введение в основы электроники.
  • Основы электричества — Мы немного поговорим об электричестве как потоке электронов. Узнайте, как текут эти электроны, в этом уроке.
  • Electric Power — Одно из основных применений транзисторов — усиление — увеличение мощности сигнала. Увеличение мощности означает, что мы можем увеличивать либо ток, либо напряжение, узнайте почему в этом руководстве.
  • Диоды — Транзистор — это полупроводниковый прибор, похожий на диод. В каком-то смысле это то, что вы получили бы, если бы сложили два диода вместе и связали их аноды вместе.Понимание того, как работает диод, будет иметь большое значение для раскрытия работы транзистора.

Хотите изучить транзисторы?

Мы вас прикрыли!

Комплект деталей SparkFun для начинающих

В наличии КОМПЛЕКТ-13973

Комплект деталей для начинающих SparkFun — это небольшой контейнер с часто используемыми деталями, который дает вам все основные компоненты, которые вы…

12

Символы, булавки и конструкция

Транзисторы в основном являются трехполюсными устройствами.На биполярном переходном транзисторе (BJT) эти контакты обозначены как коллектор (C), база (B) и эмиттер (E). Обозначения схем для NPN и PNP BJT ниже:

Единственное различие между NPN и PNP — это направление стрелки на эмиттере. Стрелка на NPN указывает, а на PNP указывает. Полезная мнемоника для запоминания:

NPN: N или P или N

Обратная логика, но работает!

Конструкция транзистора

Транзисторы полагаются на полупроводники, чтобы творить чудеса.Полупроводник — это не совсем чистый проводник (например, медный провод), но и не изолятор (например, воздух). Проводимость полупроводника — насколько легко он позволяет электронам течь — зависит от таких переменных, как температура или наличие большего или меньшего количества электронов. Заглянем вкратце под капот транзистора. Не волнуйтесь, мы не будем углубляться в квантовую физику.

Транзистор как два диода
Транзисторы

— это своего рода продолжение другого полупроводникового компонента: диодов.В некотором смысле транзисторы — это всего лишь два диода со связанными вместе катодами (или анодами):

Диод, соединяющий базу с эмиттером, здесь важен; он соответствует направлению стрелки на схематическом символе и показывает , в каком направлении должен течь ток через транзистор.

Изображение диодов — хорошее место для начала, но оно далеко не точное. Не основывайте свое понимание работы транзистора на этой модели (и определенно не пытайтесь воспроизвести ее на макете, это не сработает).Существует множество странных вещей уровня квантовой физики, управляющих взаимодействием между тремя терминалами.

(Эта модель полезна, если вам нужно проверить транзистор. Используя функцию проверки диодов (или сопротивления) на мультиметре, вы можете провести измерения на клеммах BE и BC, чтобы проверить наличие этих «диодов».)

Структура и работа транзистора
Транзисторы

состоят из трех разных слоев полупроводникового материала.В некоторые из этих слоев добавлены дополнительные электроны (процесс, называемый «легированием»), а в других электроны удалены (допирование «дырками» — отсутствие электронов). Полупроводниковый материал с дополнительными электронами называется n-типа ( n для отрицательного заряда, потому что электроны имеют отрицательный заряд), а материал с удаленными электронами называется p-типа (для положительного). Транзисторы создаются путем наложения n поверх p поверх n или p поверх n поверх p .

Упрощенная схема структуры NPN. Заметили происхождение акронимов?

Если немного помахать рукой, мы можем сказать, что электронов могут легко перетекать из областей n в области p , если у них есть небольшая сила (напряжение), толкающая их. Но переход из области p в область n действительно затруднен (требуется лот напряжения). Но особенность транзистора — та часть, которая делает нашу модель с двумя диодами устаревшей — это тот факт, что электронов могут легко перемещаться от базы p-типа к коллектору n-типа, пока база- эмиттерный переход имеет прямое смещение (что означает, что база находится под более высоким напряжением, чем эмиттер).

NPN-транзистор предназначен для передачи электронов от эмиттера к коллектору (поэтому обычный ток течет от коллектора к эмиттеру). Эмиттер «испускает» электроны в базу, которая контролирует количество электронов, испускаемых эмиттером. Большинство испускаемых электронов «собираются» коллектором, который отправляет их в следующую часть цепи.

PNP работает таким же, но противоположным образом. База по-прежнему контролирует ток, но этот ток течет в противоположном направлении — от эмиттера к коллектору.Вместо электронов эмиттер испускает «дырки» (концептуальное отсутствие электронов), которые собираются коллектором.

Транзистор похож на электронный клапан . Базовый штифт похож на ручку, которую вы можете отрегулировать, чтобы позволить большему или меньшему количеству электронов течь от эмиттера к коллектору. Давайте исследуем эту аналогию дальше …


Расширение аналогии с водой

Если вы в последнее время читали много руководств по концепциям электричества, вы, вероятно, привыкли к аналогиям с водой.Мы говорим, что ток аналогичен скорости потока воды, напряжение — это давление, проталкивающее воду по трубе, а сопротивление — это ширина трубы.

Неудивительно, что аналогию с водой можно распространить и на транзисторы: транзистор похож на водяной клапан — механизм, который мы можем использовать для управления скоростью потока .

Есть три состояния, в которых мы можем использовать клапан, каждое из которых по-разному влияет на скорость потока в системе.

1) Вкл — короткое замыкание

Клапан может быть полностью открыт, позволяя воде свободно течь в — проходить, как если бы клапана даже не было.

Аналогичным образом, при определенных обстоятельствах, транзистор может выглядеть как короткое замыкание между выводами коллектора и эмиттера. Ток может свободно течь через коллектор и выходить из эмиттера.

2) Выкл. — обрыв цепи

Когда он закрыт, клапан может полностью перекрыть поток воды.

Таким же образом можно использовать транзистор для создания разомкнутой цепи между выводами коллектора и эмиттера.

3) Линейное управление потоком

С некоторой точной настройкой клапан может быть отрегулирован для точного управления расходом до некоторой точки между полностью открытым и закрытым.

Транзистор может делать то же самое — линейно регулирует ток через цепь в какой-то момент между полностью выключенным (разомкнутая цепь) и полностью включенным (короткое замыкание).

Из нашей аналогии с водой, ширина трубы аналогична сопротивлению в цепи. Если клапан может точно регулировать ширину трубы, то транзистор может точно регулировать сопротивление между коллектором и эмиттером. Таким образом, в некотором смысле транзистор похож на переменный регулируемый резистор .

Усилительная мощность

Есть еще одна аналогия, которую мы можем провести здесь. Представьте себе, что с помощью легкого поворота клапана вы могли бы контролировать скорость потока затворов плотины Гувера. Ничтожное усилие, которое вы можете приложить, чтобы повернуть эту ручку, может создать усилие в тысячи раз сильнее. Мы расширяем аналогию до предела, но эта идея распространяется и на транзисторы. Транзисторы особенные, потому что они могут усиливать электрические сигналы , превращая сигнал малой мощности в аналогичный сигнал гораздо большей мощности.


Вид. Это еще не все, но это хорошее место для начала! В следующем разделе вы найдете более подробное объяснение работы транзистора.


Режимы работы

В отличие от резисторов, которые обеспечивают линейную зависимость между напряжением и током, транзисторы являются нелинейными устройствами. У них есть четыре различных режима работы, которые описывают протекающий через них ток. (Когда мы говорим о протекании тока через транзистор, мы обычно имеем в виду ток , протекающий от коллектора к эмиттеру NPN .)

Четыре режима работы транзистора:

  • Насыщение — Транзистор действует как короткое замыкание . Ток свободно течет от коллектора к эмиттеру.
  • Отсечка — Транзистор действует как разомкнутая цепь . Нет тока от коллектора к эмиттеру.
  • Активный — Ток от коллектора к эмиттеру пропорционален току, протекающему в базе.
  • Reverse-Active — Как и в активном режиме, ток пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении.Ток течет от эмиттера к коллектору (не совсем то, для чего были предназначены транзисторы).

Чтобы определить, в каком режиме находится транзистор, нам нужно посмотреть на напряжения на каждом из трех контактов и на то, как они соотносятся друг с другом. Напряжения от базы к эмиттеру (V BE ) и от базы к коллектору (V BC ) устанавливают режим транзистора:

Упрощенный квадрантный график выше показывает, как положительное и отрицательное напряжение на этих клеммах влияет на режим.На самом деле все немного сложнее.

Давайте рассмотрим все четыре режима транзистора по отдельности; мы исследуем, как перевести устройство в этот режим и как это влияет на ток.

Примечание: Большая часть этой страницы посвящена транзисторам NPN . Чтобы понять, как работает транзистор PNP, просто поменяйте полярность или знаки> и <.

Режим насыщенности

Насыщенность — это в режиме транзистора.Транзистор в режиме насыщения действует как короткое замыкание между коллектором и эмиттером.

В режиме насыщения оба «диода» в транзисторе смещены в прямом направлении. Это означает, что V BE должен быть больше 0, и , так же как и V BC . Другими словами, V B должен быть выше, чем V E и V C .

Поскольку переход от базы к эмиттеру выглядит точно так же, как диод, на самом деле V BE должно быть больше, чем пороговое напряжение , чтобы войти в насыщение.Есть много сокращений для этого падения напряжения — V th , V γ и V d несколько — и фактическое значение варьируется между транзисторами (и даже больше в зависимости от температуры). Для многих транзисторов (при комнатной температуре) мы можем оценить это падение примерно в 0,6 В.

Еще один облом реальности: между эмиттером и коллектором не будет идеальной проводимости. Между этими узлами образуется небольшое падение напряжения. В технических характеристиках транзисторов это напряжение будет определено как напряжение насыщения CE V CE (sat) — напряжение от коллектора к эмиттеру, необходимое для насыщения.Это значение обычно составляет 0,05-0,2 В. Это значение означает, что V C должно быть немного больше, чем V E (но оба все еще меньше, чем V B ), чтобы транзистор перешел в режим насыщения.

Режим отсечки

Режим отсечки противоположен насыщению. Транзистор в режиме отсечки — выключен, — нет тока коллектора и, следовательно, нет тока эмиттера. Это почти похоже на обрыв цепи.

Чтобы перевести транзистор в режим отсечки, базовое напряжение должно быть меньше, чем напряжение эмиттера и коллектора.Оба V BC и V BE должны быть отрицательными.

На самом деле, V BE может находиться в диапазоне от 0 до V и (~ 0,6 В) для достижения режима отсечки.

Активный режим

Для работы в активном режиме транзистор V BE должен быть больше нуля, а V BC должен быть отрицательным. Таким образом, базовое напряжение должно быть меньше, чем на коллекторе, но больше, чем на эмиттере. Это также означает, что коллектор должен быть больше эмиттера.

На самом деле нам нужно ненулевое прямое падение напряжения (сокращенно V th , V γ или V d ) от базы к эмиттеру (V BE ), чтобы «включить» транзистор. Обычно это напряжение обычно составляет около 0,6 В.

Усиление в активном режиме

Активный режим — это самый мощный режим транзистора, потому что он превращает устройство в усилитель . Ток, идущий на вывод базы, усиливает ток, идущий в коллектор и выходящий из эмиттера.

Наше сокращенное обозначение для коэффициента усиления (коэффициент усиления) транзистора — β (вы также можете увидеть его как β F или h FE ). β линейно связывает ток коллектора ( I C ) с базовым током ( I B ):

Фактическое значение β зависит от транзистора. Обычно это около 100 , но может варьироваться от 50 до 200 … даже 2000, в зависимости от того, какой транзистор вы используете и сколько тока проходит через него.Если, например, у вашего транзистора β = 100, это будет означать, что входной ток в 1 мА на базу может производить ток 100 мА через коллектор.

Модель с активным режимом. V BE = V th и I C = βI B .

А как насчет тока эмиттера, I E ? В активном режиме токи коллектора и базы идут в устройства, а выходит I E . Чтобы связать ток эмиттера с током коллектора, у нас есть другое постоянное значение: α .α — коэффициент усиления по току общей базы, он связывает эти токи как таковые:

α обычно очень близко к 1. Это означает, что I C очень близко, но меньше чем I E в активном режиме.

Вы можете использовать β для вычисления α, или наоборот:

Если, например, β равно 100, это означает, что α равно 0,99. Так, если, например, I C равен 100 мА, то I E равен 101 мА.

Реверс Активный

Так же, как насыщение противоположно отсечке, обратный активный режим противоположен активному режиму.Транзистор в обратном активном режиме проводит, даже усиливает, но ток течет в противоположном направлении, от эмиттера к коллектору. Обратной стороной активного режима является то, что β (β R в данном случае) на намного меньше на .

Чтобы перевести транзистор в обратный активный режим, напряжение на эмиттере должно быть больше, чем на базе, которая должна быть больше, чем на коллекторе (V BE <0 и V BC > 0).

Обратный активный режим обычно не является состоянием, в котором вы хотите управлять транзистором.Приятно знать, что он есть, но он редко превращается в приложение.

Относительно PNP

После всего, о чем мы говорили на этой странице, мы все еще покрыли только половину спектра BJT. А как насчет транзисторов PNP? PNP работает очень похоже на NPN — у них те же четыре режима, но все изменилось. Чтобы узнать, в каком режиме находится PNP-транзистор, поменяйте местами все знаки <и>.

Например, чтобы перевести PNP в режим насыщения, V C и V E должны быть выше, чем V B .Вы опускаете базу ниже, чтобы включить PNP, и поднимаете ее выше, чем коллектор и эмиттер, чтобы выключить его. И, чтобы перевести PNP в активный режим, V E должен иметь более высокое напряжение, чем V B , которое должно быть выше, чем V C .

Итого:

Соотношение напряжений Режим NPN Режим PNP
В E B C Активный Обратный
V E B > V C Насыщенность Отсечка
V E > V B C Отсечка Насыщенность
V E > V B > V C Задний ход Активный

Другой противоположной характеристикой NPN и PNP является направление тока.В активном режиме и режиме насыщения ток в PNP течет от эмиттера к коллектору . Это означает, что эмиттер обычно должен иметь более высокое напряжение, чем коллектор.


Если вы перегорели концептуальными вещами, перейдите к следующему разделу. Лучший способ узнать, как работает транзистор, — это изучить его в реальных схемах. Давайте посмотрим на некоторые приложения!


Приложения I: Коммутаторы

Одно из самых фундаментальных применений транзистора — использовать его для управления потоком энергии к другой части схемы — используя его в качестве электрического переключателя.Управляя им либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения, транзистор может создавать двоичный эффект включения / выключения переключателя.

Транзисторные переключатели являются важными блоками для построения схем; они используются для создания логических вентилей, которые используются для создания микроконтроллеров, микропроцессоров и других интегральных схем. Ниже приведены несколько примеров схем.

Транзисторный переключатель

Давайте посмотрим на самую фундаментальную схему транзисторного переключателя: переключатель NPN. Здесь мы используем NPN для управления мощным светодиодом:

Наш управляющий вход проходит в базу, выход связан с коллектором, а на эмиттере поддерживается фиксированное напряжение.

В то время как для обычного переключателя требуется физическое переключение исполнительного механизма, этот переключатель управляется напряжением на базовом выводе. Вывод микроконтроллера ввода / вывода, как и на Arduino, может быть запрограммирован на высокий или низкий уровень для включения или выключения светодиода.

Когда напряжение на базе превышает 0,6 В (или какое бы там значение у вашего транзистора V th ), транзистор начинает насыщаться и выглядит как короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Когда напряжение на базе меньше 0.6V транзистор находится в режиме отсечки — ток не течет, потому что это похоже на разрыв цепи между C и E.

Схема, приведенная выше, называется переключателем низкого уровня , потому что переключатель — наш транзистор — находится на стороне низкого (заземления) цепи. В качестве альтернативы мы можем использовать транзистор PNP для создания переключателя верхнего плеча:

Как и в схеме NPN, база — это наш вход, а эмиттер подключен к постоянному напряжению. Однако на этот раз эмиттер имеет высокий уровень, а нагрузка подключена к транзистору со стороны земли.

Эта схема работает так же хорошо, как и переключатель на основе NPN, но есть одно огромное различие: чтобы включить нагрузку, база должна быть низкой. Это может вызвать сложности, особенно если высокое напряжение нагрузки (V CC — 12 В, подключенное к эмиттеру V E на этом рисунке) выше, чем высокое напряжение нашего управляющего входа. Например, эта схема не будет работать, если вы попытаетесь использовать Arduino с напряжением 5 В для выключения двигателя 12 В. В этом случае было бы невозможно выключить выключатель , потому что V B (соединение с управляющим контактом) всегда будет меньше, чем V E .

Базовые резисторы!

Вы заметите, что каждая из этих схем использует последовательный резистор между управляющим входом и базой транзистора. Не забудьте добавить этот резистор! Транзистор без резистора на базе похож на светодиод без токоограничивающего резистора.

Напомним, что в некотором смысле транзистор — это просто пара соединенных между собой диодов. Мы смещаем в прямом направлении диод база-эмиттер, чтобы включить нагрузку. Для включения диоду требуется всего 0,6 В, большее напряжение означает больший ток.Некоторые транзисторы могут быть рассчитаны только на ток, протекающий через них не более 10–100 мА. Если вы подаете ток выше максимального номинала, транзистор может взорваться.

Последовательный резистор между нашим источником управления и базой ограничивает ток в базе . Узел база-эмиттер может получить свое счастливое падение напряжения 0,6 В, а резистор может снизить оставшееся напряжение. Значение резистора и напряжение на нем определяют ток.

Резистор должен быть достаточно большим, чтобы эффективно ограничивать ток , но достаточно маленьким, чтобы питать базу достаточным током .Обычно достаточно от 1 мА до 10 мА, но чтобы убедиться в этом, проверьте техническое описание транзистора.

Цифровая логика

Транзисторы

можно комбинировать для создания всех наших основных логических вентилей: И, ИЛИ, и НЕ

Транзистор с рабочим переходом

А

Электронов

Вакуум Трубы

Проводники

Квантовая механика

Полупроводники

Германий

Диоды

г. Точечный контакт
Транзистор

П-Н Развязка

Переходный
(сэндвич) Транзистор

г. Первый кремниевый транзистор

Современные транзисторы

Четырехслойный диод

Чип

Воссоздание Первый транзистор

На переходном транзисторе в сравнении с более сложным точечным контактом транзистор:
«Переходный транзистор, с другой стороны, был очень точно описано и относительно просто.И когда это было заставил это работать именно так. К тому же было тише. Это было просто лучшее устройство ».
— Морган Спаркс, интервью для« Transistorized! »

«Работа, которая велась на химическом факультете. было чрезвычайно важно. . . в первую очередь сделать кристаллы чистыми, как Вы должны это сделать, никогда раньше не делалось. Вы могли бы взять [a кристалл] аналитику, он просто сказал бы вам, что это чистый германий, например.И все же это было тоже на три или четыре порядка. грязный, чтобы иметь действие транзистора. Химики были теми, кто научились очищать материалы ».
— Морган Спаркс, интервью для« Transistorized! »


1948-1951

В этом не было сомнений, точечные транзисторы были суетливый.Транзисторы, сделанные Bell, просто не работали так же дважды, и вдобавок они были шумными. В то время как одна лаборатория в Bell была пытаясь улучшить эти первые транзисторы типа А, Уильям Шокли работал над совершенно другим дизайном, который в конечном итоге избавиться от этих проблем.

В начале 1948 года Шокли задумал транзистора, который выглядел как бутерброд, с двумя слоями одного Тип окружающего полупроводника второго рода. Это была совершенно другая установка, в которой не было шатких проводов. это сделало точечные транзисторы такими сложными для управления.

Нет Просто на поверхности

Для исправного многослойного транзистора потребуется электричество. путешествовать прямо по кристаллу, а не по поверхности. Но Бардин теория о том, как работает точечный транзистор, гласит, что электричество мог перемещаться только вокруг полупроводникового кристалла.В феврале 1948 г., некоторые предварительные результаты лаборатории Шокли показали, что может быть неправдой. Итак, первое, что нужно было сделать Шокли, — это определить просто то, что происходило.

Тщательные эксперименты под руководством физика из группы Ричарда Хейнс, помогло. Хейнс наложил электроды на обе стороны тонкого германия. кристалл и провел очень точные измерения размера и скорости электрический ток. Электричество определенно протекало прямо через кристалл.Это означало, что видение Шокли нового типа транзистора теоретически было возможный.

Растущие кристаллы

Но Хейнс также обнаружил, что слой посередине сэндвич должен быть очень тонким и очень чистым.

Человек, открывший путь для выращивания лучших кристаллов был Гордон Тил. Он не работал в группе Шокли, но следил за происходящим. Он бы иногда даже просили предоставить кристаллы команде Solid State.Тил считал, что транзисторы должны быть построены из монокристалла, а не из одного кристалла. вырезать ленту из большего слитка из множества кристаллов. Границы Между всеми маленькими кристаллами образовались колеи, рассеивающие ток, и Тил слышал о способе построить большой монокристалл, который не есть все эти скалы. Метод заключался в том, чтобы взять крошечный затравочный кристалл и окунуть в расплавленный германий. Затем его вытащили очень медленно, как кристалл, сформированный как сосулька под зерном.

Тил знал, как это сделать, но никого это не интересовало. Число учреждений в то время, включая Белла, имела дурную привычку не доверять методы, которые не были изобретены дома. Шокли не думал, что это монокристаллы вообще были необходимы. Джек Мортон, руководитель производства транзисторов группы, сказал Тил продолжить исследования, но не стал поддержите его путь.

К счастью, Тил продолжил исследования, работая с инженером. Джон Литтл.Три месяца спустя, в марте 1949 года, Шокли пришлось признать: он ошибался. Ток, протекающий через полупроводники Тила, может длиться долго. до 100 раз дольше, чем в кристаллах старой огранки.

Ровный рост Лучшие кристаллы

Хорошие кристаллы все хорошо, но сэндвич-транзистор нужен был сэндвич-кристалл. Внешние слои должны были быть полупроводниками. со слишком большим количеством электронов (известный как N-тип) или слишком низким (известный как П-тип), тогда как внутренний слой был противоположным.Под натиском Шокли, Тил и Морган Спаркс начали добавляя примеси в расплав, пока они вытаскивали кристалл из плавиться. Добавление примесей известно как «легирование», и именно так превращают полупроводник. в N- или P-тип.

Когда они вытащили затравочный кристалл из германия N-типа расплав, они быстро добавили немного галлия, чтобы превратить расплав в P-тип. Как слой P-типа, сформированного на удлиняющемся кристалле, добавляли сурьму, который компенсировал галлий и снова превратил расплав в N-тип.Когда процесс был завершен, остался один тонкий кристалл, сформированный в идеальный бутерброд.

Вытравливая поверхность внешних слоев, искры и Тил оставил крошечный кусочек кристалла P-типа торчащим. К этому они прикрепили прекрасный электрод, создающий схему, как и предполагал Шокли. На 12 апреля 1950 года они испытали то, что построили. Без сомнения, больше ток выходил из бутерброда, чем входил. Это был рабочий усилитель.

Первый переходный транзистор

Родился первый переходной транзистор.

Но этого не было очень хороший. . . Еще

Этот транзистор может усиливать электрические сигналы, но не особо сложные. Если сигнал изменился быстро, как голос проходя по телефонной линии, транзистор не успевал и искажать вывод.Проблема заключалась в середине бутерброда: он был слишком легко для распространения электрического тока и расфокусировки, так как он пересекли слой P-типа. Чтобы решить проблему, слой должен был быть ровным. тоньше.

В январе 1951 года Морган Спаркс придумал, как добиться что. Вытаскивая кристалл медленнее, чем когда-либо, постоянно помешивая расплав, ему удалось получить средний слой бутерброда тоньше листа бумаги.

Этот новый улучшенный бутерброд сделал все, что исследователи надеялся. Они все еще не дотягивали до возможностей точечных транзисторов. для обработки сигналов, которые колеблются очень быстро, но в каждом другом как они были выше. Они были намного эффективнее, использовались очень мало мощности для работы, и они были настолько тише, что могли справиться с более слабыми сигналов, чем когда-либо могли транзисторы типа А.

В июле 1951 года Белл провел еще одну пресс-конференцию — это время, объявляющее об изобретении работающего и эффективного переходного транзистора.

Ресурсы:

— История инженерии и науки в системе колокола: Физические науки (1925-1980). С. Миллман, редактор.
— Революция в миниатюре: история и влияние полупроводниковой электроники.
Crystal Fire Майкл Риордан и Лилиан Ходдесон
— Морган Спаркс, интервью для «Transistorized!»
— «Как мы построили транзистор» Уильяма Шокли. New Scientist декабрь 1972 г.

<ПРЕДЫДУЩИЙ Страница Quicktour <-> ДАЛЕЕ Страница Quicktour>


Авторские права 1999 г., ScienCentral, Inc. и Американский институт физики. Нет часть этого веб-сайта может воспроизводиться без письменного разрешения. Все права защищены.

Как работают биполярные переходные транзисторы.

  • Изучив этот раздел, вы должны уметь:
  • • Опишите основные операции кремниевого планарного транзистора.
  • • Понять работу переходов база / эмиттер и база / коллектор.
  • • Опишите влияние легирования на материалы транзисторов.

Рис. 3.3.1 Как легируется транзистор BJP.

Все дело в допинге

Принцип работы транзистора можно описать со ссылкой на рис. 3.3.1, на котором показаны основные элементы легирования переходного транзистора, и на рис.3.3.2, показывающий, как работает BJT.

Работа транзистора очень зависит от степени легирования различных частей полупроводникового кристалла. Эмиттер N-типа очень сильно легирован, чтобы обеспечить много свободных электронов в качестве основных носителей заряда. Слаболегированная базовая область P-типа чрезвычайно тонкая, а коллектор N-типа очень сильно легирован, чтобы придать ему низкое удельное сопротивление, за исключением слоя менее сильно легированного материала рядом с базовой областью.Это изменение удельного сопротивления коллектора обеспечивает наличие большого потенциала в материале коллектора рядом с основанием. Важность этого станет очевидной из следующего описания.

Рис. 3.3.2. Как транзистор усиливает ток.

Во время нормальной работы на переход база / эмиттер прикладывается потенциал, так что база примерно на 0,6 В положительнее, чем эмиттер, это делает переход база / эмиттер смещенным вперед.

К переходу база / коллектор прикладывается гораздо более высокий потенциал с относительно высоким положительным напряжением, приложенным к коллектору, так что переход база / коллектор имеет сильное обратное смещение. Это делает слой истощения между базой и коллектором довольно широким после подачи питания.

Как упоминалось выше, коллектор состоит в основном из сильно легированного материала с низким удельным сопротивлением и тонкого слоя легированного материала с высоким сопротивлением рядом с переходом база / коллектор.Это означает, что большая часть напряжения между коллектором и базой вырабатывается через этот тонкий слой с высоким удельным сопротивлением, создавая высокий градиент напряжения рядом с переходом коллектор-база.

Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, в базу будет течь небольшой ток. Поэтому в материале P-типа вводятся отверстия. Эти дырки притягивают электроны через смещенный вперед переход база / эмиттер для объединения с дырками. Однако, поскольку эмиттерная область очень сильно легирована, в базовую область P-типа пересекает гораздо больше электронов, чем может объединиться с имеющимися дырками.Это означает, что в области базы имеется большая концентрация электронов, и большая часть этих электронов проходит прямо через очень тонкую базу и попадает в обедненный слой база / коллектор. Попав сюда, они попадают под влияние сильного электрического поля на переходе база / коллектор. Это поле настолько велико из-за большого градиента потенциала в материале коллектора, упомянутого ранее, что электроны перемещаются через обедненный слой в материал коллектора и, таким образом, в сторону вывода коллектора.

Изменение тока, протекающего в базе, влияет на количество электронов, притягиваемых эмиттером. Таким образом, очень небольшие изменения тока базы вызывают очень большие изменения тока, протекающего от эмиттера к коллектору, поэтому происходит усиление тока.

Посмотрите наше видео о том, как делаются биполярные транзисторы и как они работают.

Начало страницы

Глава 9: Однотранзисторные усилители: [Analog Devices Wiki]

9.1 Базовые усилители

Термин «усилитель», используемый в этой главе, означает схему (или каскад), использующую одно активное устройство, а не полную систему, такую ​​как операционный усилитель на интегральной схеме. Усилитель — это устройство для увеличения мощности сигнала. Это достигается за счет получения энергии от источника питания и управления выходом для дублирования формы входного сигнала, но с большей амплитудой (напряжение или ток). В этом смысле усилитель можно рассматривать как модулирующий напряжение или ток источника питания для получения его выхода.

Базовый усилитель, показанный на рисунке 9.1, имеет два порта и характеризуется коэффициентом усиления, входным сопротивлением и выходным сопротивлением. Идеальный усилитель имеет бесконечное входное сопротивление (R на = ∞), нулевое выходное сопротивление (R на выходе = 0) и бесконечное усиление (A vo = ∞) и бесконечную полосу пропускания, если это необходимо.

Рисунок 9.1 Базовая модель усилителя

Транзистор, как мы видели в предыдущей главе, представляет собой трехполюсное устройство.Представляя базовый усилитель в виде двухпортовой сети, как показано на рисунке 9.1, потребуется два входа и два выхода, всего четыре. Это означает, что один из выводов транзистора должен быть общим для входных и выходных цепей. Это приводит к именам общего эмиттера и т. Д. Для трех основных типов усилителей. Самый простой способ определить, подключено ли устройство как общий эмиттер / исток, общий коллектор / сток или общая база / затвор, — это проверить, где входит входной сигнал и выходит выходной сигнал.Остающийся терминал является общим как для ввода, так и для вывода. В этой главе мы в основном будем использовать транзисторы n-типа (NPN, NMOS) в примерах схем. Те же самые базовые каскады усилителя могут быть легко реализованы с использованием транзисторов p-типа (PNP, PMOS). Когда собираются более крупные многокаскадные усилители, оба типа транзисторов часто перемежаются друг с другом.

Строительные блоки усилительных каскадов:

  1. Инвертирующий усилитель напряжения (также называемый усилителем с общим эмиттером или общим источником)

  2. Токовый повторитель (также называемый общей базой, общим затвором или каскодом)

  3. Повторитель напряжения (также называемый усилителем с общим коллектором или общим стоком)

  4. Обратная связь серии (чаще: вырождение эмиттера / источника)

  5. Шунтовая обратная связь

9.2 Инвертирующий усилитель напряжения или Общий эмиттер / источник

Усилитель с общим эмиттером / истоком является одной из трех основных топологий однокаскадных усилителей. Версии BJT и MOS работают как усилитель инвертирующего напряжения и показаны на рисунке 9.2. Клемма базы или затвора транзистора служит входом, коллектор или сток — выходом, а эмиттер или исток являются общими для входа и выхода (он может быть привязан к заземлению или шине источника питания), которые дает начало своему общему имени.

Рисунок 9.2: Базовая схема инвертирующего усилителя напряжения n-типа (без учета деталей смещения)

Усилитель с общим эмиттером или истоком может рассматриваться как усилитель крутизны (, т.е. напряжение на входе, ток на выходе) или как усилитель напряжения (напряжение на входе, напряжение на выходе). В качестве усилителя крутизны входное напряжение слабого сигнала, v будет для BJT или v gs для полевого транзистора, умноженное на крутизну устройства g m , модулирует количество тока, протекающего через транзистор, i c или i d .Пропуская этот переменный ток через выходное сопротивление нагрузки R L , он будет преобразован обратно в напряжение В, , , на выходе . Однако выходное сопротивление малого сигнала транзистора, r o , обычно недостаточно велико для приемлемого усилителя крутизны (в идеале — бесконечного). И выходная нагрузка R L не является достаточно низкой для приличного усилителя напряжения (в идеале — нулевой). Еще одним серьезным недостатком является ограниченная высокочастотная характеристика усилителя, отчасти из-за встроенной емкости коллекторной базы или затвора стока, присущей транзистору.Подробнее о том, как эта емкость влияет на частотную характеристику, читайте в следующем разделе этой главы. Поэтому на практике выход часто направляется либо через повторитель напряжения (каскад с общим коллектором или стоком), либо через повторитель тока (каскад с общей базой или затвором) для получения более благоприятных выходных и частотных характеристик. Эта последняя комбинация называется каскодным усилителем, как мы увидим позже в главе, посвященной многокаскадным усилителям.

По сравнению с усилителем с общим эмиттером BJT, усилитель с общим истоком на полевых транзисторах имеет более высокий входной импеданс.Обычно более низкое значение g m полевого транзистора по сравнению с BJT при равных уровнях тока приводит к более низкому усилению напряжения для версии MOS.

9.2.1 Методы смещения постоянного тока, общий эмиттер / источник

Чтобы усилитель с общим эмиттером или истоком обеспечивал наибольший размах выходного напряжения, напряжение на выводе базы или затвора транзистора смещается таким образом, что транзистор номинально работает на полпути между его точками отсечки и насыщения.Обратите внимание на характеристические кривые NMOS (a) и NPN (b) на рисунке 9.2.1. Это позволяет каскаду усилителя более точно воспроизводить положительную и отрицательную половины входного сигнала, наложенного на напряжение смещения постоянного тока. Без этого смещения напряжения смещения усиливается только положительная половина входного сигнала.

Рисунок 9.2.1 (a) I D в сравнении с V кривые DS и (b) I C в сравнении с V CE кривые

Красная линия, наложенная на два набора кривых, представляет линию нагрузки постоянного тока 400-омного R L .Чтобы максимизировать размах выходного сигнала, желательно установить рабочую точку транзистора с нулевым входным сигналом при напряжении стока или коллектора, равном половине напряжения питания, которое в данном случае составляет 4 В. Определение соответствующего тока стока или коллектора вдоль линии нагрузки дает нам целевой уровень тока. Это около 10 мА для R L , равное 400 Ом. Следующим шагом является определение соответствующего V GS или I B для 10 мА I D или I C .В примере NMOS каждая кривая представляет различный V GS от 0,9 до 1,5 вольт с шагом 0,1 вольт. Устройство NMOS, используемое в этом примере, имеет крутизну около 40 мА / В . I D , равный точке 10 мА на линии нагрузки, находится между кривыми 1,4 В и 1,3 В или В GS 1,32 В. В примере NPN каждая кривая представляет различный I B от 10 мкА до 100 мкА с шагом 10 мкА. Кривая 50 мкА пересекает линию нагрузки при I C = 10 мА.Следовательно, β транзистора должно быть около 200. Теперь задача состоит в том, чтобы каким-то образом обеспечить это смещение постоянного тока или смещение на затворе или базе транзистора.

Первый метод смещения, который мы рассмотрим, называется смещением делителя напряжения и показан на рисунке 9.2.2. Если мы выберем правильные значения резисторов для R 1 и R 2 , что приведет к такому току коллектора или стока, что половина напряжения питания, В + появится на R L , мы должны получить желаемое. значение В GS или В BE (I B ) для смещения без входного сигнала.В случае MOS мы знаем, что ток не течет в затвор, поэтому можно использовать простой коэффициент делителя напряжения для выбора R 1 и R 2 . Если V + = 8V и мы хотим, чтобы V GS равнялось 1,32 V , тогда:

Реальные значения R 1 и R 2 не так важны, как их соотношение. Однако выбранный нами коэффициент делителя будет правильным только для одного набора условий напряжения источника питания, порогового напряжения транзистора, крутизны и температуры.В реальных проектах часто используются более сложные схемы смещения.

Рисунок 9.2.2 Смещение делителя напряжения

Для случая NPN расчет несколько сложнее. Мы знаем, что хотим, чтобы I B был равен 50uA. Ток, протекающий в R 1 , является суммой тока в R 2 и I B , что устанавливает верхнюю границу для R 1 , когда R 2 бесконечно и ток в R 2 отсутствует. . Если принять номинальное значение В, , ВЕ, 0.65 В, тогда R 1 не должно превышать 7,35 В / 50 мкА или 147 кОм. Назначение делителя напряжения — ослабить колебания В + и, таким образом, сделать рабочую точку постоянного тока транзистора менее чувствительной к В +. Для этого нам нужно сделать ток в R 2 во много раз больше, чем в I B . Если мы, например, выберем сделать I R2 9 раз I B , тогда ток в R 1 будет 10 * I B или 500 мкА.R 1 будет составлять 1/10 от того, что мы только что рассчитали как верхнюю границу, или 14,7 кОм. R 2 будет составлять В BE , деленное на 450 мкА или 1,444 кОм, что составляет коэффициент делителя 0,8921. Если бы мы просто использовали 8V- V BE / 8V в качестве отношения (предположим, что V BE = 0,65 В), коэффициент делителя был бы 0,8125. С учетом I B смещено необходимое передаточное число. Эти значения необходимо немного изменить, если фактический V BE не был равным 0.65 вольт (или β не было 200) мы использовали в этом расчете. Это указывает на главное ограничение этой схемы смещения, как мы указали в примере MOS выше. Это чувствительность к конкретным характеристикам устройства, таким как В, , , BE, и β, а также к напряжению питания и температуре.

Следствием включения этой схемы смещения является снижение входного импеданса. Вход теперь включает параллельную комбинацию R 1 и R 2 на входе.Для случая MOS теперь устанавливается входное сопротивление. Для случая BJT у нас теперь есть R 1 || R 2 || r π как эффективное входное сопротивление.

Есть еще одна небольшая неудобная проблема с этой схемой смещения, когда она подключена к предшествующему каскаду в тракте прохождения сигнала. Эта конфигурация смещения размещает источник входного сигнала переменного тока непосредственно параллельно с R 2 делителя напряжения. Это может быть неприемлемо, поскольку входной источник может иметь тенденцию добавлять или вычитать из напряжения постоянного тока, падающего на R 2 .

Один из способов заставить эту схему работать, хотя может быть неочевидно, почему она будет работать, — это разместить разделительный конденсатор между источником входного напряжения и делителем напряжения, как показано на рисунке 9.2.3 ниже.

Рисунок 9.2.3 Конденсатор связи C C предотвращает протекание тока смещения делителя напряжения в источник входного сигнала.

Конденсатор образует фильтр верхних частот между источником входного сигнала и делителем постоянного напряжения, пропуская почти всю переменную часть входного сигнала на транзистор, блокируя при этом все напряжение смещения постоянного тока от короткого замыкания через источник входного сигнала.Это будет иметь больше смысла, если вы поймете теорему суперпозиции и то, как она работает. Согласно суперпозиции, любую линейную двустороннюю схему можно анализировать по частям, рассматривая только один источник питания за раз, а затем алгебраически складывая эффекты всех источников питания, чтобы найти окончательный результат. Если бы мы отделили конденсатор и схему делителя напряжения R 1 / R 2 от остальной части усилителя, было бы легче понять, как будет работать эта суперпозиция переменного и постоянного тока.

При действии только источника сигнала переменного тока и конденсатора с произвольно низким импедансом на частоте входного сигнала почти все напряжение переменного тока появляется на R 2 .

9.2.2 Коэффициент усиления по напряжению слабого сигнала, общий эмиттер или источник

Чтобы рассчитать коэффициент усиления по напряжению малого сигнала усилителя с общим эмиттером или истоком, нам нужно вставить в схему модель транзистора с малым сигналом. Модели малосигналов BJT и MOS FET на самом деле очень похожи, поэтому расчет усиления для обеих версий практически одинаков.Гибридные π-модели малого сигнала для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.2.4.

Рисунок 9.2.4 Модели слабого сигнала с обычным излучателем или источником.

Ниже приведены некоторые из ключевых уравнений модели, которые нам понадобятся для расчета коэффициента усиления по напряжению в каскаде усилителя. Эти уравнения используются для других конфигураций усилителей, которые мы также обсудим в следующих разделах.

(BJT) (MOS)

Коэффициент усиления напряжения малого сигнала A v представляет собой отношение входного напряжения к выходному напряжению:

Входное напряжение В в (v будет для BJT и v GS для MOS), умноженное на крутизну g m равно току на выходе слабого сигнала, i o в коллекторе или стоке. V out будет просто умножить этот ток на сопротивление нагрузки R L, , пренебрегая на данный момент сопротивлением выхода малого сигнала r o . Обратите внимание на знак минус из-за направления тока i o .

Переставляя на выигрыш, получаем:

Подставляя уравнения BJT и MOS g m , получаем:

(BJT) (MOS)

Сравнивая эти два уравнения усиления, мы видим, что они оба зависят от токов коллектора или стока постоянного тока.Коэффициент усиления BJT обратно пропорционален В T (тепловое напряжение), что составляет примерно 26 мВ при комнатной температуре. Тепловое напряжение, В T увеличивается с повышением температуры, поэтому из уравнения мы видим, что коэффициент усиления фактически уменьшается с увеличением температуры. Коэффициент усиления MOS обратно пропорционален перенапряжению, В ov ( V GS V th ), которое часто намного больше, чем V T при аналогичных опережающих токах стока. к более низкому усилению для ступени MOS vs.ступень BJT для примерно равных токов смещения.

Если R L относительно велико по сравнению с малым выходным сопротивлением сигнала, тогда усиление будет уменьшено, потому что фактическая выходная нагрузка представляет собой параллельную комбинацию R L и r o . Фактически r o устанавливает верхнюю границу возможного усиления, которое может быть достигнуто с помощью каскада усилителя с одним транзистором.

9.2.3 Входное сопротивление слабого сигнала, общий эмиттер или источник

Снова посмотрим на модели малых сигналов на рисунке 9.2.4 мы видим, что для случая BJT вход V в будет видеть r π как нагрузку. Для корпуса MOS V в увидит в основном обрыв цепи (в любом случае для низких частот). Конечно, это будет в случае отсутствия какой-либо схемы смещения затвора или базы.

9.2.4 Выходное сопротивление слабого сигнала, общий эмиттер или источник

Снова глядя на модели слабого сигнала на рисунке 9.2.4, мы видим, что как для случая BJT, так и для случая MOS выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R L и r o .Для большинства практических применений мы можем игнорировать r o , потому что он очень часто намного больше, чем R L . Ниже приведены уравнения BJT и MOS r o .

(BJT) (MOS)

9.2.5 Лабораторная деятельность с общим излучателем и источником

9.3 Последователь тока, также известный как усилитель с общей базой или затвор

Повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором имеет высокое усиление по напряжению, относительно низкий входной импеданс и высокий выходной импеданс по сравнению с повторителем напряжения или усилителем с общим коллектором / стоком.Версии BJT и MOS показаны на рисунке 9.3.

Рисунок 9.3: Базовый токовый повторитель n-типа или общая схема базы / затвора (без учета деталей смещения)

9.3.1 Методы смещения постоянного тока, повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором

В приложениях, где обеспечивается только положительное напряжение источника питания, требуются некоторые средства обеспечения необходимого уровня постоянного напряжения для общего вывода затвора или базы. Это может быть просто делитель напряжения между землей и источником питания.В приложениях, где доступны как положительное, так и отрицательное напряжение питания, заземление является удобным узлом для использования в качестве общего вывода затвора или базы.

Каскад с общим затвором или базой чаще всего используется в сочетании с усилителем с общим эмиттером или истоком в так называемой каскодной конфигурации. Каскод будет рассмотрен более подробно в следующей главе, посвященной многокаскадным усилителям.

9.3.2 Усиление по напряжению слабого сигнала, токовый повторитель или усилитель с общей базой / затвором

Для расчета коэффициента усиления по напряжению малого сигнала общей базы или затвора мы вставляем в схему модель транзистора с малым сигналом.Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.3.1.

Рисунок 9.3.1 Токовый повторитель или модели малого сигнала с общей базой / затвором.

Как и в каскаде усилителя с общим излучателем / истоком, входное напряжение малого сигнала, В в (v на для BJT и v gs для MOS), умноженное на крутизну g m равен выходному току малого сигнала, i o в коллекторе или стоке. V out будет просто умножить этот ток на сопротивление нагрузки R L, , пренебрегая на данный момент сопротивлением выхода малого сигнала r o .

Возможно, более полезно учитывать коэффициент усиления по току каскада повторителя тока, а не его коэффициент усиления по напряжению. В случае версии MOS мы знаем, что I S = I D , потому что I G = 0. Таким образом, усиление тока ступени MOS равно 1. В случае версии BJT мы знаем, что соотношение I C — I E равно α и, следовательно, будет немного меньше 1.

9.3.3 Входное сопротивление, повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором

Снова посмотрев на модели слабого сигнала на рисунке 9.3.1, мы видим, что для случая BJT вход V в будет видеть r π параллельно с последовательной комбинацией g m и R L в качестве груза. Для корпуса MOS V в в основном будет видна только комбинация серий g m и R L .Уравнение ниже (из модели T малого сигнала BJT) связывает g m и сопротивление, видимое на эмиттере r E . Мы также можем использовать это соотношение, чтобы получить сопротивление, наблюдаемое в источнике r S .

(также r S для MOS)

Здесь также важно отметить, что 100% (без учета I B в случае BJT) тока от входного источника протекает через транзистор и становится выходным током.Таким образом, имя текущего последователя.

9.3.4 Выходное сопротивление, повторитель тока или усилитель с общей базой / затвором

Снова глядя на модели слабого сигнала на рисунке 9.3.1, мы видим, что как для случая BJT, так и для случая MOS выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R L и r o . В целом можно предположить, что это правда, если учесть, что В в питается от источника напряжения с низким импедансом (почти идеальным). Если это не так, то конечный выходной импеданс должен быть добавлен последовательно с r o .Если вход токового повторителя управляется относительно высоким выходным сопротивлением усилителя крутизны, такого как общий эмиттер или усилитель-исток более ранней модели, то выходное сопротивление комбинированного усилителя может быть очень высоким. Для большинства практических применений мы можем игнорировать r o , потому что он очень часто намного больше, чем R L .

ADALM1000 Lab Activity, BJT-усилитель с общей базой
ADALM1000 Lab Activity, BJT Common Gate Amplifier
ADALM1000 Lab Activity, сложенный каскодный усилитель

9.4 повторителя напряжения (также называемые повторителем эмиттера или истока или усилителями с общим коллектором или стоком)

Эмиттерный или истоковый повторитель часто называют общим коллекторным или стокным усилителем, потому что коллектор или сток являются общими как для входа, так и для выхода. Эта конфигурация усилителя, показанная на рисунке 9.4, имеет выходной сигнал, полученный от резистора эмиттер / исток, и полезна в качестве устройства согласования импеданса, поскольку его входное сопротивление намного выше, чем его выходное сопротивление. По этой причине повторитель напряжения также называют «буфером».

Рисунок 9.4: Базовый повторитель напряжения n-типа или общая цепь коллектора / стока (без учета деталей смещения)

Коэффициент усиления повторителя напряжения всегда меньше единицы, поскольку r E и R L или r S и R L образуют делитель напряжения. Смещение между входом и выходом устанавливается падением В, , BE, примерно на 0,65 В ниже базы для BJT и В, , GS , ниже затвора для MOS.Функция этой конфигурации заключается не в усилении напряжения, а в согласовании усиления по току или мощности и импеданса. Входное сопротивление намного выше, чем его выходное сопротивление, поэтому источник сигнала не должен подавать на вход столько энергии. Это видно из того факта, что ток базы примерно в 100 раз (β) меньше тока эмиттера. Низкое выходное сопротивление эмиттерного повторителя соответствует низкоомной нагрузке и буферизует источник сигнала от этого низкого импеданса.

9.4.1 Методы смещения постоянного тока, повторитель напряжения или усилитель с общим коллектором / стоком

Ток коллектора / источника в основном определяется резистором эмиттер / исток, поэтому основными переменными конструкции в этом случае являются просто R L и напряжение источника питания.

9.4.2 Коэффициент усиления по напряжению, усилитель с общим коллектором или стоком

Чтобы вычислить усиление по напряжению при слабом сигнале конфигурации повторителя напряжения, мы вставляем в схему модель транзистора с малым сигналом.Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.4.1.

Рисунок 9.4.1 Модели с малым сигналом повторителя напряжения.

Пример 9.4.2 Расчет усиления напряжения

Для схемы на рисунке 9.4.2 рассчитайте коэффициент усиления по напряжению A В = В на выходе / В на .

Рисунок 9.4.2 Пример усиления напряжения BJT

Чтобы использовать формулу усиления по напряжению, которую мы только что получили с помощью моделей слабого сигнала, нам нужно сначала вычислить r E .В разделе 9.3.3 дано уравнение для r E :

Чтобы использовать эту формулу, нам необходимо знать I E . Мы знаем, что напряжение на R L составляет В, , из . Мы также знаем, что V out = V in V BE . Если мы используем оценку В BE как 0,6 вольт, мы получим В из = 5,6 — 0,6 или 5 вольт. Если R L составляет 1 кОм, то I E составляет 5 мА.Используя значение комнатной температуры для В T = 25 мВ, получаем r E равно 5 Ом. Подставляя эти значения в наше уравнение усиления, мы получаем:

9.4.3 Входное сопротивление, повторитель напряжения (общий коллектор или сток)

(BJT)

9.4.4 Выходное сопротивление, повторитель напряжения (общий коллектор или сток)

Выходное сопротивление представляет собой простую параллельную комбинацию резистора эмиттера (истока) R L и сопротивления эмиттера (истока) малого сигнала транзистора r E .Снова из раздела 9.3.3 уравнение для r E выглядит следующим образом:

Аналогично, сопротивление источника слабого сигнала, r S , для МОП-транзистора составляет 1/ g m .

Возвращаясь к нашему примеру усиления на рисунке 9.4.2, мы также можем рассчитать выходное сопротивление, которое будет параллельной комбинацией 1 кОм R L и 3 Ом r E или 2,99 Ом.

9.4.5 Повторитель напряжения (общий коллектор или сток) Лабораторные работы

9.Обратная связь серии 5: вырождение эмиттера / источника

Усилители с общим эмиттером / истоком дают усилителю инвертированный выходной сигнал и могут иметь очень высокий коэффициент усиления и могут широко варьироваться от одного транзистора к другому. Коэффициент усиления сильно зависит как от температуры, так и от тока смещения, поэтому фактическое усиление несколько непредсказуемо. Стабильность — еще одна проблема, связанная с цепями с таким высоким коэффициентом усиления из-за любой непреднамеренной положительной обратной связи, которая может присутствовать. Другие проблемы, связанные со схемой, включают низкий входной динамический диапазон, обусловленный пределом слабого сигнала; при превышении этого предела возникает сильное искажение, и транзистор перестает вести себя как его модель с малым сигналом.Когда вводится отрицательная обратная связь, многие из этих проблем уменьшаются, что приводит к повышению производительности. Есть несколько способов ввести обратную связь в этом простом каскаде усилителя, самый простой и надежный из которых достигается путем введения небольшого резистора в цепь эмиттера (R E ). Это также называется последовательной обратной связью. Величина обратной связи зависит от относительного уровня сигнала, падающего на этом резисторе. Сигнал, видимый на R E , не в фазе с сигналом, наблюдаемым на V из и, таким образом, вычитается из V из , уменьшая его амплитуду.Когда значение резистора эмиттера приближается к значению резистора нагрузки коллектора (R L ), коэффициент усиления приближается к единице (A v ~ 1).

Рисунок 9.5: Добавление резистора эмиттер / исток уменьшает усиление. Однако с повышенной линейностью и стабильностью

Гораздо реже включать резистор дегенерации в конструкции МОП. Это связано с тем, что в микроэлектронных интегральных схемах коэффициент усиления ( г м ) устройства можно регулировать путем изменения отношения W / L.Такая степень свободы проектирования обычно недоступна в биполярных (BJT) процессах.

Пример смещения постоянного тока с вырождением эмиттера

Есть несколько практических правил смещения BJT:

1. Установите I E , а не I B или V BE : меньшая зависимость от β и температуры ( V T )
2. Допускается 1/3 V CC через R C , V CE и R B2
3.Экономьте электроэнергию, допуская только 10% I E в R B

Для схемы на рисунке 9.5.1 дано следующее: В CC = 20 В; I E = 2 мА; β = 100. Исходя из наших практических правил, мы устанавливаем V B = 1/3 * V CC = 6,7 V .

Рисунок 9.5.1 Пример смещения постоянного тока

V B = (R B2 / (R B1 + R B2 )) * V CC ⇒ 6.7V = (R B2 / (R B1 + R B2 )) * 20 (1)

V CC / (R B1 + R B2 ) = 0,1 * I E ⇒ 20 / (R B1 + R B2 ) = 200 мкА (2)

Решая уравнения (1) и (2), получаем:

R B1 = 2R B2 , затем из (2)

3R B2 = 20/200 мкА = 100 кОм

Итак, R B2 = 33 кОм и R B1 = 66 кОм.

Теперь у нас V E = V B V BE = 6.7 — 0,7 = 6 В и I E составляет 2 мА : R E = В E / I E = 6/2 мА = 3 кОм.

I C = (β / (β + 1)) * I E = (100/101) * 2 мА = 1,98 мА и I B = I C / β = 1,98 мА / 100 = 19,8 мкА.

Из наших практических правил мы знаем, что В C = 2/3 * 20 В = 13,3 В

Итак, чтобы найти R L , мы имеем: R L = ( V CC V C ) / I C = (20-13.3) / 1,98 мА = 3,4 кОм

9.5.1 Коэффициент усиления слабого сигнала по напряжению с вырождением эмиттер / источник

Чтобы рассчитать усиление напряжения малого сигнала усилителя с общим эмиттером / истоком с добавлением вырождения эмиттер / исток, мы снова вставляем в схему модель транзистора с малым сигналом. Модели малых сигналов для усилителей BJT и MOS показаны на рисунке 9.5.1.

Рисунок 9.5.1 Общий излучатель / источник с вырождением

Импеданс R E уменьшает общую крутизну g m схемы в g m R E + 1, что дает усиление напряжения:

(когда г м R E »1)

Таким образом, усиление напряжения зависит почти исключительно от соотношения резисторов R L / R E , а не от внутренних и непредсказуемых характеристик транзистора.Таким образом, характеристики искажения и стабильности схемы улучшаются за счет уменьшения усиления.

Возвращаясь к нашему предыдущему примеру смещения, рисунок 9.5.1, значения для I C = 2 мА, R L = 3,4 кОм и R E = 3 кОм, чтобы вычислить усиление малого сигнала, мы сначала находим g m = I C / V T = 2 мА / 25 мВ = 0,08. Используя нашу формулу для A V :

9.5.2 Входное сопротивление слабого сигнала с вырождением излучатель / источник

Снова посмотрев на модели малых сигналов на рисунке 9.4.1, мы видим, что для случая BJT вход V в см. R  последовательно с резистором дегенерации R E в качестве нагрузки. Для корпуса МОП В в видим в основном обрыв цепи.

9.5.3 Выходное сопротивление слабого сигнала с вырождением эмиттер / источник

Снова посмотрим на модели малых сигналов на рисунке 9.5.1 мы видим, что и для случая BJT, и для случая MOS, как и в более раннем каскаде с общим эмиттером / истоком, выходное сопротивление представляет собой параллельную комбинацию R L и r o , но теперь резистор вырождения R E идет последовательно с r или . Для большинства практических применений мы можем игнорировать r o , потому что он очень часто намного больше, чем R L .

9.5.4 Методы смещения постоянного тока с дегенерацией эмиттера / источника

В основном те же методы, что и в простом каскаде усилителя с общим излучателем / истоком, которые обсуждались в разделе 9.2.1, может использоваться при добавлении резистора дегенерации эмиттера. Добавленное напряжение на R E (R E * I E ) должно быть добавлено к уровню смещения. Это дополнительное падение напряжения фактически делает рабочую точку (I C ) гораздо менее чувствительной к уровню смещения.

Коэффициент усиления по напряжению малого сигнала усилителя с общим эмиттером и сопротивлением эмиттера составляет примерно R L / R E . Для случаев, когда требуется усиление более 5-10, R E может стать настолько малым, что необходимое условие хорошего смещения, V E = R E * I E > 10 * V T не может быть достигнуто.Способ восстановить небольшой коэффициент усиления напряжения сигнала при сохранении желаемого рабочего смещения постоянного тока состоит в использовании байпасного конденсатора, как показано на рисунке 9.5.4. Для слабого сигнала переменного тока сопротивление эмиттера составляет всего R E1 , в то время как для смещения постоянного тока сопротивление эмиттера представляет собой последовательную комбинацию R E = R E1 + R E2 . Здесь могут быть применены расчеты для усилителя с общим эмиттером с вырождением эмиттера, заменив R E на R E1 при определении коэффициента усиления усилителя, а также входного и выходного импедансов, поскольку достаточно большой байпасный конденсатор приводит к замыканию R E2 и эффективно удаляется из схемы для достаточно высокочастотных входов.

Рисунок 9.5.4 Добавление обводного конденсатора эмиттера

Используя наше предыдущее упражнение со смещением на рисунке 9.5.1 в качестве примера, но разделив 3 кОм R E на два резистора, как на рисунке 9.5.4, с R E1 = 1 кОм и R E2 = 2 кОм с C 1 = 1 мкФ мы можем пересчитать усиление слабого сигнала для высоких частот, где C 1 эффективно закорачивает R E2 , чтобы получить:

Однако добавление байпасного конденсатора C 1 изменяет низкочастотную характеристику схемы.Из наших двух вычислений коэффициента усиления мы знаем, что коэффициент усиления схемы по постоянному току составляет -1,13, а коэффициент усиления увеличивается до -3,36 для высоких частот. Поэтому мы можем предположить, что частотная характеристика состоит из относительно низкочастотного нуля, за которым следует несколько более высокочастотный полюс. Формулы для нуля и полюса следующие:

где R ’ E = R E2 || (R E1 + R E )

В нашем примере задачи с R E1 = 1K, R E2 = 2K и C 1 = 1uF мы получаем частоту для нуля, равную 80 Гц, и частоту для полюса, равную 237 Гц.Смоделированная частотная характеристика от 1 Гц до 100 кГц для примерной схемы показана на рисунке 9.5.5.

Рисунок 9.5.5 смоделированная частотная характеристика

9.5.5 Сводка — выполнение анализа слабого сигнала:

1. Найдите рабочую точку постоянного тока.
2. Рассчитайте параметры слабого сигнала: g m , r , r e и т. Д.
3. Замените источники постоянного напряжения заземлением переменного тока и источники постоянного тока с разомкнутыми цепями.
4. Замените транзистор на модель со слабым сигналом (гибридная модель π или модель T)

9.6 Теорема Миллера

На этом этапе мы собираемся отвлечься, чтобы обсудить теорему Миллера. Хотя методы, которые мы использовали до этого момента, являются полностью общими, существуют определенные конфигурации, которые поддаются более простому анализу с помощью теоремы Миллера. Теорема Миллера утверждает, что в линейной цепи, если есть ветвь с импедансом Z, соединяющая два узла с узловыми напряжениями В 1 и В 2 , эта ветвь может быть заменена двумя другими ветвями, соединяющими соответствующие узлы относительно земли импедансами соответственно Z / (1- K ) и KZ / ( K -1), где усиление от узла 1 к узлу 2 составляет K = В 2 / В 1 .

Рисунок 9.6.1 Теорема Миллера

На этом этапе мы рассмотрим шаги, которые покажут, как вычисляются импедансы Миллера. Мы можем использовать эквивалентную технику двухпортовой сети для замены двухпортовой сети, представленной на рисунке 9.6.1 (a), на его эквивалент на рисунке 9.6.2.

Заменив источники напряжения на рисунке 9.6.2 на их эквивалентные источники тока Norton, мы получим рисунок 9.6.3.

Используя теорему о поглощении источника (см. Приложение в конце этой главы), мы получаем рисунок 9.6.4.

Это дает нам рисунок 9.6.5 (который является рисунком 9.6.1 (b)), когда мы параллельно объединяем два импеданса.

9,7 Обратная связь по шунту:

Другой метод смещения для усилителя с общим эмиттером или истоком, называемый шунтирующей обратной связью, достигается путем подачи некоторой части сигнала коллектора или стока обратно на вход на базе или затворе. Это делается через резистор смещения (R F ), как показано на рисунке 9.7.1. Резистор R F подключается между двумя узлами, которые имеют коэффициент усиления, A V ( K ), между ними, и, таким образом, применение теоремы Миллера — лучший способ проанализировать характеристики слабого сигнала этой схемы.

Рисунок 9.7.1 Обратная связь между стоком и затвором (а) и коллектор-база (b)

9.7.1 MOS версия

На рисунке 9.7.1 (a) показан усилитель NMOS с общим истоком, использующий смещение обратной связи стока. Этот тип смещения часто используется с полевыми МОП-транзисторами в режиме улучшения и может быть полезен при работе от источника питания низкого напряжения ( В, , + ).Если Vin связан по переменному току, напряжение на затворе равно напряжению на стоке ( В GS = В DS ), поскольку ток затвора не течет через R F . Если Vin связан по постоянному току, то делитель напряжения формируется R F и R S и V GS будет меньше V DS . Полезно отметить, что транзистор всегда находится в насыщении, когда В GS = В DS .Если ток стока по какой-либо причине увеличивается, например, при изменении В, , + , напряжение затвора падает. Пониженное напряжение затвора, в свою очередь, вызывает уменьшение тока стока, что приводит к увеличению напряжения затвора. Контур отрицательной обратной связи достигает состояния равновесия, которое является точкой смещения схемы.

В некоторых таблицах данных для расширенных МОП-транзисторов указано значение I D (on), где V GS = V DS lf I D (on) известно, компонент схемы может быть легко вычислен. как показано в Примере 9.3. Входное сопротивление схемы, использующей смещение обратной связи по стоку, равно значению R F , деленному на коэффициент усиления по напряжению плюс один.

9.7.2 Версия BJT Методы смещения постоянного тока

В этой конфигурации используется отрицательная обратная связь для стабилизации рабочей точки. В этой форме смещения резистор обратной связи по базе R F подключен к коллектору, а не к источнику постоянного тока В, , + . Таким образом, любое большое увеличение тока коллектора вызовет падение напряжения на резисторе R L , что, в свою очередь, уменьшит ток базы транзистора.

Если мы предположим, что входной источник Vin связан по переменному току и в R S не течет постоянный ток смещения, из закона Кирхгофа напряжение В RF на базовом резисторе R F будет:

По модели Эберса – Молла I c = βI b , и поэтому:

По закону Ома базовый ток I b = В RF / R F , и поэтому:

Следовательно, базовый ток I b равен:

Если В BE поддерживается постоянным и температура увеличивается, то ток коллектора I c увеличивается.Однако большее значение I c вызывает увеличение падения напряжения на резисторе R L , что, в свою очередь, снижает напряжение В RF на базовом резисторе R F . Более низкое падение напряжения на базовом резисторе снижает базовый ток I b , что приводит к меньшему току коллектора I c . Поскольку увеличение тока коллектора с температурой противоположно, рабочая точка остается более стабильной.

Плюсы:

  1. Схема стабилизирует рабочую точку от изменений температуры и β (т.е.Варианты процесса транзистора)

Минусы:

  1. В этой схеме, чтобы I c не зависел от β, должно выполняться следующее условие:

что имеет место, когда:

  1. Поскольку β фиксировано (и, как правило, точно не известно) для данного транзистора, это соотношение может быть удовлетворено либо сохранением R L достаточно большим, либо очень низким R F .

  2. Если R L большой, необходим высокий V + , что увеличивает стоимость, а также меры предосторожности, необходимые при обращении.
  3. Если R F низкий, обратное смещение в области коллектор – база невелико, что ограничивает диапазон колебаний напряжения на коллекторе, при котором транзистор остается в активном режиме.

  4. Резистор R F вызывает обратную связь по переменному току, уменьшая коэффициент усиления по напряжению усилителя.Этот нежелательный эффект является компромиссом для большей стабильности рабочей точки покоя.

Использование: Обратная связь также снижает входное сопротивление усилителя, если смотреть со стороны базы, что может быть выгодным. Из-за уменьшения усиления от обратной связи эта форма смещения используется только тогда, когда требуется компромисс для стабильности.

Пример 9.7.2 Использование теоремы Миллера

Для усилителя, показанного на рисунке 9.7.2 (a), с входным источником со связью по постоянному току В в рассчитайте входное и выходное сопротивление и коэффициент усиления по напряжению A В .Сначала нам нужно начать с некоторого предварительного анализа постоянного тока, чтобы определить рабочую точку Q 1 . Для этого мы устанавливаем В в на ноль вольт, , т.е. замыкаем. Если предположить, что напряжение В BE составляет 0,65 вольт, мы получим ток 65 мкА в резисторе 10 кОм R S . Учитывая, что В + составляет 10 В, мы хотели бы, чтобы В из было 5 вольт. Ток в R L равен 500 мкА и будет делиться между коллектором Q 1 и резистором обратной связи R F .Напряжение на резисторе обратной связи 62,7 кОм составляет 5-0,65 или 4,35 В. Ток в R F делится между током в R S и I B . Базовый ток I B равен 4,35 / 62,7 кОм — 65 мкА или 4,3 мкА. У нас должен быть ток коллектора от 500 до 69,3 мкА или 430,3 мкА с β около 100.

Если мы воспользуемся теоремой Миллера и заменим резистор обратной связи R F двумя его эквивалентными сопротивлениями, мы получим рисунок 9.7.2 (b). Предполагая, что усиление напряжения от базы к коллектору A V значительно больше 1, мы можем сделать упрощение, что A V / (A V -1) близко к 1.Эффективное сопротивление нагрузки, R Leq , которое мы будем использовать для расчета коэффициента усиления, будет 10 кОм || 62,7 кОм или 8,62 кОм. Теперь мы можем использовать те же уравнения усиления слабого сигнала для обычного эмиттера или источника, которые мы использовали в разделе 9.2.2. Ток коллектора 430 мкА дает нам г м 430 мкА / 25 мВ или 0,0172. Мы знаем, что A V = — g m R Leq или A V = -0,0172 * 8,62K = -148, что равно »1.Входное сопротивление, видимое в основании Q 1 , будет равно r π  для Q 1 , что равно β / g м или 100 / 0,0172 = 5,814 кОм, параллельно с сопротивлением Миллера 62,7 кОм / 149 = 421 Ом, таким образом, эффективное входное сопротивление R с базой будет около 392,5 Ом.

Рисунок 9.7.2 Пример использования теоремы Миллера

Входное сопротивление источника R S и эквивалентное сопротивление на базе R base образуют делитель напряжения.Чтобы вычислить общий коэффициент усиления напряжения от источника напряжения В в до В из , мы умножаем это отношение делителя на усиление базы к коллектору, A В , которое мы только что рассчитали.

Из нашего исследования конфигурации инвертирующего операционного усилителя в главе 3 мы узнали, что для усилителей с менее чем бесконечным усилением фактическое усиление будет меньше, чем предсказывает идеальное уравнение усиления, Gain = -R F / R S .Если бы наш одиночный транзисторный усилитель имел бесконечное усиление, коэффициент усиления от В в до В на выходе был бы 62,7 кОм / 10 кОм или 6,27. В главе 3 мы получили оценку процентной ошибки ε из-за конечного коэффициента усиления A V (помните, что β в этом уравнении — это коэффициент обратной связи, а не коэффициент усиления по току транзистора):

Фактическое усиление 5,6 примерно на 10% меньше идеального усиления 6,27.

Упражнение 9.7

Часть 1 Рабочая точка постоянного тока:

Для схемы на рисунке 9.7.3 рассчитайте необходимое R F для смещения рабочей точки постоянного тока таким образом, чтобы В на выходе было равно 1/2 напряжения питания или + 5 В, когда Vin = 0. Предположим, В BE = 0,65 В и β = 200.

Часть 2 Усиление и сопротивление слабого сигнала:

Учитывая значение R F , вычисленное в части 1, вычислите коэффициент усиления по напряжению A В , входное сопротивление R базы и выходное сопротивление R на выходе .Также рассчитайте общий коэффициент усиления напряжения В на выходе / В в и объясните, почему это отличается от идеального значения –R F / R S .

9.7.5 Эффект Миллера

Эффект Миллера является ключом к прогнозированию частотной характеристики инвертирующего каскада усилителя, в который включена емкостная обратная связь. Обычно в каскаде усиления напряжения имеется полюс нижних частот, создаваемый R S источника сигнала и конденсатором обратной связи C C .Но отсечка низких частот определяется не просто R S и C C . Эффект Миллера создает эффективную емкость на базе / затворе транзистора, которая выглядит как C C , масштабированная на коэффициент усиления по напряжению усилителя.

Рисунок 9.7.3 Конденсатор обратной связи Миллера

Эффект Миллера особенно полезен, когда вы пытаетесь создать фильтр нижних частот на операционном усилителе IC с относительно низкой частотой среза. Трудность в том, что большие конденсаторы сложно изготовить, потому что они занимают много места на ИС.Решение состоит в том, чтобы сделать небольшой конденсатор, а затем масштабировать его поведение с помощью эффекта Миллера.

Эквивалентная схема

Вот упрощенная версия схемы выше.

Рисунок 9.7.4 Эквивалентная схема обратной связи Миллера

Миллер сказал, что вы можете приблизительно определить входную емкость, заменив C C другой емкостью C M на R IN . Насколько больше C M ? C C умножается на коэффициент усиления по напряжению (A V = g m R L ) усилителя.Теорема Миллера также утверждает, что конденсатор C ‘ C будет проходить через R L , что равно C C раз (A V +1) / A V , что для больших значений A V мы принимаем равным 1.

Как это работает? Что ж, мы знаем, что при приложении напряжения к конденсатору протекает ток. Насколько ток зависит от емкости: I = C C · ΔV / Δt. Однако в этой схеме усиление напряжения на R L вызывает гораздо большее ΔV через C C , в результате чего через C C протекает еще больший ток.Поэтому с точки зрения В, , В, , она выглядит намного большей емкостью.

Пример 9.7.3 Пример емкости Миллера

В этом примере мы будем использовать схему, показанную на рисунке 9.7.5, чтобы проиллюстрировать умножение Миллера конденсатора обратной связи C C . Резисторы смещения R 1 и R S выбраны для установки рабочей точки постоянного тока так, чтобы В на выходе было при значении постоянного тока приблизительно В, + / 2 или 5 В.Для данного резистора R L с сопротивлением 10 кОм усиление напряжения слабого сигнала низкой частоты A В составляет примерно 80.

Теперь мы можем рассчитать частоту -3 дБ и частоту единичного усиления (0 дБ) для конденсатора обратной связи C C , равным 0,001 мкФ. Частота, на которой усиление от В в до В из падает на -3 дБ от его значений постоянного тока, примерно равна:

Частота единичного усиления примерно равна:

Как транзисторы навсегда изменили электронику | EAGLE

Давным-давно в далекой-далекой галактике существовали компьютеры размером с целую комнату.На их изготовление уйдут годы, зачастую на миллионы, и все будет работать от мощной вакуумной лампы. Это была реальность, в которой мы жили в 1950-х годах, но все было готово измениться, когда транзистор повернулся. В конце концов, возможность разместить миллион транзисторов на квадратном сантиметре немного эффективнее, чем иметь дело с целой комнатой электронных ламп, верно?

Хотя в инженерном сообществе хорошо известно, насколько транзисторы изменили мир, то, что может быть не так хорошо известно, так это история и человечество за кулисами.В конце концов, транзистор не появился в одночасье. Потребовались годы проб и ошибок, пока мы медленно перешли от электронных ламп к германиевым транзисторам и, наконец, к кремниевым транзисторам сегодня. Итак, вот полная история, рассказ о битве технологических титанов и о том, как Texas Instruments и Bell Labs навсегда изменили мир электроники, который мы знаем сегодня.

Все начинается с телефонов

Наша история началась в 1906 году, и именно здесь мы находим существенный сдвиг в истории телекоммуникационной отрасли.Когда количество патентов на телефоны Александра Грэхема Белла стало постепенно истощаться, возникла огромная конкуренция, чтобы заполнить пробел чем-то новым и новым, чтобы продвинуть отрасль вперед. Решение AT&T? Создайте полноценную трансконтинентальную телефонную службу.

Классный джентльмен из AT&T во время первого трансконтинентального телефонного звонка. (Ирвинг Андерхилл — Bonham’s, общественное достояние)

Эта разветвленная телефонная сеть стала возможной благодаря американскому изобретателю Ли Де Форесту, который создал устройство на электронных лампах, которое могло усиливать сигналы на телефонной линии.Это позволяло передавать сообщения через весь континент с молниеносной скоростью, пока на пути были распределительные коробки.

Американский изобретатель Ли Де Форест. Интересно, знал ли он, как далеко продвинутся телефоны? (Источник изображения)

AT&T быстро сожрала все патенты на изобретение Де Фореста и привела в действие свои трансконтинентальные планы, позволив американцам разговаривать по телефону с одного побережья на другое.Но это решение было не без проблем. Вакуумные лампы потребляли слишком много энергии, выкачивали тонны тепла и были ненадежными. Так что пришло время найти замену, и Bell Labs как раз знала, с чего начать, с некоторыми недавно обнаруженными полупроводниковыми материалами.

1945 — Прибытие на замену вакуумной трубки

Исследования в области полупроводниковых материалов полностью активизировались после Второй мировой войны, когда Мервин Келли из Bell Labs собрал команду ученых для создания твердотельного полупроводникового переключателя, который заменит стареющую вакуумную лампу.Эта команда состояла из нескольких блестящих умов того времени, которые сыграли свою роль в создании первого транзистора, включая печально известную троицу теоретика Билла Шокли, физика-экспериментатора Уолтера Браттейна и физика-теоретика Джона Бардина.

Три вдохновителя создания современного транзистора — Билл Шокли (слева), Джон Бардин (в центре) и Уолтер Браттейн (справа). (Источник изображения)

Транзистор получает грубый запуск

Не все было радужно для трио Bell Labs.Сообщается, что Шокли был довольно грубым человеком, и большую часть своего времени он работал дома в одиночестве, изолировавшись от группы. Но в этой изоляции Шокли удалось разработать свою первую конструкцию полупроводникового усилителя, который послужит основой для транзистора, который вскоре должен появиться. И хотя устройство не сработало так, как планировалось, Шокли поставил Бардина и Браттейна на расследование, чтобы выяснить, почему.

Затем они двое начинают эксперимент с германием, чтобы продвинуть идею Шокли, которая станет основой их точечного транзистора.Рождество 1945 года, и Бардин понимает, что люди думали, что электроны ведут себя в кристаллах, совершенно неверно. Это был прорыв, в котором нуждалась команда, и именно здесь Бардин и Браттейн смогли создать первый точечный транзистор 16 декабря 1947 года.

Первый транзистор с точечным контактом во всей красе, созданный Джоном Бардином и Уолтером Уолтером Браттейном. (Источник изображения)

Это устройство было сделано из полосок золотой фольги на пластиковом треугольнике, все они были вдавлены в пластину германия.Он имел три точки, включая эмиттер, коллектор и базу. Положительный электрический заряд на эмиттере увеличит проводимость германия чуть ниже точки коллектора, что затем усилит выходной ток, протекающий от базы. Хотя это создание было огромной победой для команды, была одна проблема — Бардин и Браттейн никогда не рассказывали Шокли, что они делают, и оставили его вне поля зрения. Вупс.

Драма в трио

Бардин и Браттейн в конце концов позвонили Шокли, чтобы рассказать ему о том, что они обнаружили.И понятно, что Шокли был немного более чем расстроен, так как его исключили из всего процесса. И что он сделал? Он направил весь этот гнев и решил одолеть Бардина и Браттейна своим собственным изобретением.

В течение следующих четырех недель Шокли заперся в номере отеля в Чикаго с ручкой и бумагой в руке. Именно в этот период он разработал то, что сейчас известно как переходный транзистор. Изобретение Шокли было глубоким, обеспечив гораздо более прочную и практичную конструкцию, чем точечный транзистор Бардина и Браттейна, что упростило его производство.

Первый переходной транзистор, гораздо более эффективный и технологичный, чем точечный транзистор. (Источник изображения)

Итак, история была сделана, патент был зарегистрирован, и вскоре трио превратилось в кучку препирающихся детей, спорящих о том, чье имя должно быть указано на патентном устройстве и кто будет на рекламных фотографиях. Помимо этой драмы, Bell Labs воспользовалась моментом, чтобы продемонстрировать миру изобретение Шокли 30 июня 1948 года.

К большому разочарованию Шокли, это никого не волновало. Поэтому он сделал то, что сделал бы любой здравомыслящий инженер, когда их изобретение не получило той любви, которой оно заслуживает, — он основал свою собственную компанию Shockley Semiconductor и взял с собой группу талантливых ученых.

Но Shockley Semiconductor просуществовала недолго, отчасти благодаря суровому характеру Шокли, и восемь его самых талантливых сотрудников, которых называли «восьмеркой предателей», разошлись. Они сформировали то, что сейчас называется Fairchild Semiconductor и Intel, и так официально зародилась полупроводниковая промышленность.

1954 — Германий требует замены

Хотя германий в то время был основным материалом для создания транзисторов, у него были свои взлеты и падения. По сравнению с кремнием по качеству он был гораздо менее реактивным и имел более низкую температуру плавления. Это позволило электронам проходить через германий быстрее, чем кремний, и обеспечило более высокую частотную характеристику.

Однако, помимо этих двух преимуществ, необходимость найти подходящую замену германию была очевидна.Ток утечки слишком велик, и по мере увеличения температуры, очень хрупкий баланс между переходами в транзисторе. Это затрудняло контроль над свободными электронами.

Существует также проблема экстремальных температур. Как только германий нагревается до 75 ° C, он становится практически бесполезным, и транзистор перестает работать. Это было категорическим запретом для производителей радиостанций и военных, которым требовалось оборудование, которое надежно работало бы в экстремальных условиях. Пришло время сиять кремнию.

Пусть начнется силиконовая гонка

Исследования кремния велись с начала 1950-х годов в Bell Labs, где Гордон Тил и Эрни Бюлер выращивали кристаллы с добавленными примесями для изготовления первых твердотельных диодов. Но пребывание Тила в Bell Labs вскоре подошло к концу из-за его желания вернуться домой в Техас. Так он и поступил, получив работу в Texas Instruments Inc. в качестве директора по исследованиям, где снова будет твориться история.

Гордон Тил (справа) в своей лаборатории, где он выращивал кристаллы, которые должны были стать основой для современных кремниевых транзисторов.(Источник изображения)

У

Teal были некоторые проблемы с кремнием, он имел гораздо более высокие уровни примесей, чем германий, и попытка создать успешный переходный транзистор NPN или PNP представляла собой огромную проблему. Таким образом, Тил и его команда боролись с этой проблемой больше года, и в апреле 1954 года вся эта тяжелая работа, наконец, принесла свои плоды.

Получив от DuPont немного кремния высокой чистоты, команда Тила смогла вырастить подходящую структуру NPN-транзистора с эмиттерной областью, которая увеличила коэффициент усиления тока.И когда группа ученых прикрепила к кристаллу электрические контакты утром 14 апреля, чтобы проверить его, он ожил! Так родился первый кремниевый транзистор, и теперь Тилу просто нужно было рассказать о нем массам.

Первый кремниевый транзистор, готовый к массовому производству благодаря Тилу и его команде в Texas Instruments (источник изображения).

Непритязательное знакомство с миром

Сейчас 10 мая 1954 года, группа инженеров собралась в Институте радиоинженеров (IRE) на Национальную конференцию по бортовой электронике.В этот период истории совершенно очевидно, что все пытаются сделать кремний жизнеспособной и производимой альтернативой германию, но затем на сцену выходит Гордон Тил.

Что было у Тила? Почему у него в кармане лежало несколько кремниевых транзисторов! Толпа внезапно ожила, и Тил сообщил всем, что Texas Instruments производит три различных типа кремниевых транзисторов. Наконец-то это случилось.

Чтобы показать, что это реально, Тил начал играть на проигрывателе, усиленном германиевыми транзисторами, и вылил стакан с горячим маслом на устройство.Музыка затихла. Но затем Тил повторил демонстрацию, на этот раз с кремниевым транзистором. Когда он вылил горячее масло на проигрыватель, музыка продолжала играть без сучка и задоринки. Итак, это было официально, кремниевый транзистор прибыл.

Teal вел себя довольно странно и скромно во время всего открытия. Когда инженер Raytheon мчался по вестибюлю к телефону, сообщая своей компании, что «у них в Техасе отключили кремниевый транзистор!», Тил рассказал собравшимся о простой статье, опубликованной по его результатам: «Некоторые недавние разработки в кремнии и германии». Материалы и устройства.«Было ли это намеренно со стороны Тила, чтобы преуменьшить значение всего этого? Кто знает. Но забавно думать, насколько тонким было все это событие в свете его далеко идущих последствий.

Первая интегральная схема, изображенная выше Джеком Килби, была бы невозможна без изобретения транзистора. (Источник изображения)

Когда кремниевые транзисторы, наконец, стали жизнеспособными и доступными с точки зрения производства, началась гонка за тем, что мы можем создать.Что касается Texas Instruments, то имя компании стало нарицательным, поскольку она оседлала волну успеха с первым в мире транзисторным радиоприемником.

Предоставление кредита в срок

Итак, у вас есть полная история транзистора, от электронных ламп до германия и, наконец, кремния. Свидетельства этих открытий есть повсюду вокруг нас, в наших смартфонах, ноутбуках и многих других устройствах, на которые мы полагаемся сегодня. И хотя германиевый транзистор получил широкую огласку, мы считаем, что кремниевый транзистор заслуживает такой же высокой оценки.

Хотите творить историю сами? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня.

как работает транзистор, альтернативная точка зрения

Потоки заряда, управляемые напряжением

Прежде всего, вы должны отказаться от идеи, что ток проходит в транзисторы или потоки внутри проводов. Да, вы поняли меня правильно. Ток не течет. Электрический ток никогда не течет , поскольку электрический ток — это не материал. Электрический ток — это поток чего-то другого.(Спросите себя: что за вещество течет в реке, называется ли оно «течением»? Или это называется «вода?»)

Поскольку ток — это поток заряда, следует избегать распространенного выражения «поток тока», поскольку буквально оно означает «поток из потока заряда ». — СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА КОЛЛЕДЖА, Ричардс, Сирс, Вер, Земански
Так что же течет внутри проводов?

То, что движется по проводам, не называется электрическим током.Вместо он называется Electric Charge . Это заряд, который течет, а не ток. Движение зарядов может исчезнуть, а движение может появиться. Но Само движение не течет, текут заряды. И в реки (или в водопроводе) течет вода, а не «течение». Аналогия: мы не сможем понять сантехнику, пока не перестанем предполагать, что трубы пусты … при этом веря в волшебство, называемое «текущий.» Мы должны узнать, что трубы уже заполнены; эта «вода» течет внутри них.То же самое и со схемами. Провода не залиты «потоком Текущий », вместо этого они предварительно заполнены зарядом. Заряд, который может двигаться. Электрический заряд — это реально; его переносят физические частицы, и он может двигаться с реальной скоростью и в реальном направлении. Заряд ведет себя очень похоже на «вещество», например, на газ или жидкость. Но электрический ток отличается от заряда: заряд — это как материал, но ток — это не материал. (Если ток подобен ветру, то заряд подобен азоту!) Если мы экспериментируем с концепциями; если мы решим игнорировать «текущий», а вместо этого мы идем и внимательно исследуем поведение движущихся зарядов в отличная деталь, мы можем сжечь облака тумана, которые закрывают нашу понимание электроники.

Секунда: Заряды внутри проводников не проталкиваются сами собой вместе, но вместо этого их подталкивает «разность потенциалов»; они проталкивается полями напряжения в проводящем материале. Сборы не выскакивал из блока питания как будто блок питания какой-то резервуара для воды. Если представить, что заряды уходят через негатив клемма источника питания; и если вы думаете, что обвинения то распределить по полым трубам контура, то вы сделали фундаментальная ошибка.Если вы считаете, что сборы предусмотрены блок питания, значит, вы совершили фундаментальную ошибку. Провода не действуют вроде «пустых электронных трубок». Блок питания не дает никаких электроны. Источники питания обязательно создают токи , либо они вызывает токов, но помните, мы убираем слово «ток». Для создания потока зарядов блок питания не вводит никаких заряжает провода. Источник питания — только помпа. Насос может подавать давление накачки.Насосы никогда не подают перекачиваемую воду.

Третий: открыли ли вы большой «секрет» визуализации электрических схемы?

ВСЕ ПРОВОДНИКИ УЖЕ ЗАРЯДНЫ
Провода и кремний … оба ведут себя как предварительно заполненные водопроводные трубы или резервуары для воды. В «вода» — это огромная совокупность подвижных заряженных частиц дирижер. Электрические схемы построены по «полнотрубной аналогии». Этот простая идея обычно скрывается фразами «поток тока» или «блоки питания посылают ток.»Мы думаем, что провода похожи на полые трубы. В итоге мы визуализируем загадочную субстанцию ​​под названием Current. которая протекает через них. Неа. (Как только мы избавимся от слова «текущий», мы можем открыть для себя потрясающие идеи относительно простых схем, а?)
Если цепи похожи на водопровод, , то ни одна из «труб» цепи всегда пусты. Эта идея чрезвычайно важна, и без нее мы не может понять полупроводники … или даже проводники! Металлы содержат огромное количество подвижных электронов, образующих своего рода «электрическую жидкость» внутри металла.Простой кусок меди похож на резервуар для воды! Физики называют эту жидкость «электронным морем металлов» или океан заряда ». Полупроводники всегда полны этой подвижной «зарядка». Подвижный заряд присутствует, даже когда транзистор сидит на полке и отключен от всего. Когда напряжение нанесенный на кусок кремния, эти заряды уже в материал приводится в движение. Также обратите внимание, что заряд внутри проводов … незаряжен. Рядом с каждым подвижным электроном находится положительный протон, поэтому хотя металл содержит огромное море заряда, нет никакой сети заряд в среднем.Провода содержат «незаряженный» заряд. Лучше назови это «отмена платежа». Но даже несмотря на то, что электроны нейтрализуются рядом с протонами электроны все еще могут течь между протонами. Отменено заряд все еще может перемещаться, поэтому возможны потоки заряда в незаряженный металл.

Хорошо, так как «трубы» уже заполнены «жидкостью», то для того, чтобы понимать схему, мы НЕ должны прослеживать путь, начинающийся с клеммы источника питания. Вместо этого мы можем начать с любого компонента на схема.Если напряжение приложено к этому компоненту, то заряды внутри этого компонента начнут течь. Доработаем старую «объяснение с помощью фонарика», которому всех нас учили в начальной школе. Вот исправленная версия:

ТОЧНОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ ФОНАРА:
Провода полны огромных количества подвижного электрического заряда (все проводники есть!) Если подключить несколько проводов в сплошное кольцо, вы формируете «электрическую цепь», которая содержит подвижную конвейерную ленту из зарядов внутри металлического круга.Далее мы разрезаем это кольцо в паре мест и вставляем батарею и лампочку в разрезы. Аккумулятор действует как зарядный насос, в то время как лампочка предлагает трение. Аккумулятор проталкивает длинный ряд проводов заряжается вперед, затем все заряды текут, затем загорается лампочка. Давайте следовать за ними.

Заряды начинаются внутри нити накаливания лампочки. (Нет, не внутри аккумулятор. Начнем с лампочки .) Заряды вынуждены течь вдоль нити.Потом они вытекают в первую проволоку и двигайтесь к первой клемме аккумулятора. (В то же время более заряды попадают в нить через другой ее конец.) заряжается через себя и снова отступает. Обвинения уходят вторые клемма АКБ, потом по второму проводу стекают к лампочке. Oни намотать обратно внутрь нити накаливания лампочки. В то же время заряды в других частях цепи делают то же самое. Это как сплошной пояс , сделанный из зарядов.Аккумулятор действует как привод колесо, которое перемещает ремень. Провода ведут себя так, как будто они скрывают конвейерная лента внутри. Лампочка действует как «трение»; становится жарко когда его собственные естественные заряды вынуждены течь. Скорость батареи вверх по всему ремню, а трение лампочки замедляет его еще раз. А так ремень работает постоянно, а лампочка нагревается.



Правда освободит вас … но сначала это вас разозлит! -anon

Краткий обзор:

1.ВЕЩЕСТВО, ПРОТЕКАЮЩЕЕ ЧЕРЕЗ ПРОВОДНИКИ НАЗЫВАЕТСЯ ОПЛАТА. («ТОК» НЕ ПРОХОДИТ.)

2. ЗАРЯД ВНУТРИ ПРОВОДНИКИ УМЫВАЮТСЯ ПОЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ.

3. ВСЕ ПРОВОДА «ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ЗАПОЛНЕННЫЙ» ОБЪЕМ ПОДВИЖНОГО ЗАРЯДА

4. БАТАРЕИ И ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЯВЛЯЮТСЯ ЗАРЯДНЫМИ НАСОСАМИ.

5. ЛАМПОЧКИ И РЕЗИСТОРЫ ОБА АКТ «ФРИКЦИОННО».

И последнее: разница между проводником и изолятором в том, что просто: проводники похожи на предварительно залитые водопроводные трубы, а изоляторы — на как трубы, задушенные льдом.Оба содержат «электрический материал»; проводники и изоляторы заполнены электрически заряженными частицами. Но «вещество» внутри изолятора не может двигаться. Когда мы применяем перепад давления по водопроводу, вода течет. Но с труба пустая, там ничего нет, поэтому течения не происходит. И с трубка в замороженном состоянии, материал застрял и не сдвинется с места. (Другими словами, напряжение вызывает поток заряда в проводниках, но не может вызвать поток заряда в изоляторах, потому что заряды либо отсутствуют, либо иммобилизованы.) Многие вводные учебники ошибаются в своих определениях. Они определяют проводника как нечто, через которое могут течь заряды, а изоляторы предположительно блочные сборы. Неа. Воздух и вакуум не блокируют заряды, но воздух и вакуум — хорошие изоляторы! На самом деле дирижер — это то, что содержит подвижные заряды, а в изоляторе их нет. (Если в книге неверна эта основополагающая идея, то большая часть ее последующих объяснения подобны зданиям, построенным на куче мусора, и свернуть.)

Еще одно напоминание перед тем, как погрузиться в транзисторы. Кремний очень отличается от металла. Металлы полны подвижных зарядов … но также легированный кремний. Насколько они разные? Конечно, дело в «запрещенная зона» и разница между электронами и дырками, но это не главное. Важное отличие довольно простое: металлы имеют огромное количество подвижного заряда, но кремний гораздо меньше. За Например, в меди каждый атом меди отдает один подвижный электрон к «морю заряда».«Электрический флюид» меди очень плотный, это такой же плотный, как и медь. Но в легированном кремнии только по одному на каждый миллиард атомов передает подвижный заряд. Кремний похож на большое пустое пространство со случайным блуждающим зарядом. В кремнии можно смести все заряжается из материала, используя потенциал в несколько вольт, в то время как металл потребуются миллиарды вольт, чтобы сделать то же самое. Или в другими словами:

6. ЗАРЯД ВНУТРИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ КАК СЖИМАЕМЫЙ ГАЗ, В то время как ЗАРЯД ВНУТРИ МЕТАЛЛА КАК ПЛОТНЫЙ И Несжимаемая жидкость.
Сметание зарядов в материале — то же самое, что преобразование этого материал от проводника до изолятора. Если силикон похож на резину шланг, то это шланг, содержащий сжимаемый газ. Мы легко можем закройте его и остановите поток. Но если медь тоже похожа на резину шланг, то вместо этого он похож на шланг, полный железных слизней. Вы можете сжать и давить, но не разбить их с дороги. Но с воздушными шлангами а с кремниевыми проводниками даже небольшое боковое давление может защемить путь закройте и остановите поток.

Хорошо, давайте посмотрим, как обычно объясняют транзисторы.

Чтобы включить транзистор NPN, на базу подается напряжение и эмиттерные клеммы. Это приводит к тому, что электроны в основном проводе удаляются. от самого транзистора и вытекают в сторону блока питания. Это в Turn выдергивает электроны из базовой области P-типа, оставляя « дырки » позади, а «дыры» действуют как положительные заряды, которые проталкиваются в противоположном направлении от направления электронного тока.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *