Транзистор из чего состоит: простым языком для чайников, схемы

Содержание

Что такое транзистор — простым языком

Транзистор – это электронный компонент, который управляет высоким током с помощью низкого. Транзистор еще можно назвать полупроводниковым триодом. Это второе название пришло к нему от его «родителя» – электровакуумного триода, одной из разновидностей так называемых «ламп».

Из чего состоит транзистор?

Видимая часть транзистора состоит из корпуса и трех «ножек»-выводов (однако существуют и разновидности транзисторов, у которых количество выводов больше трех). Корпус транзистора изготовляют из керамики, металлических сплавов или пластмассы. Заглядывая наперед, отметим, что существует два вида транзисторов – биполярный и полевой.

Внутри корпуса биполярного транзистора размещается три слоя полупроводника, два из которых расположены по краям и имеют одинаковый тип проводимости (p либо n), это – коллектор и эмиттер. Третий слой расположен между первыми двумя и отличается типом проводимости от своих соседей. Это – база.

Расположение полупроводников определяет тип транзистора: p-n-p либо n-p-n. На каждый из полупроводников нанесен металлический слой. С помощью этого слоя и проволочных связей полупроводники соединены с выводами транзистора. Однако не стоит забывать, что расположение выводов транзистора может меняться, в зависимости от модели транзистора.

На изображении – биполярный транзистор n-p-n типа.

Полевой транзистор также имеет в своем арсенале полупроводники, но их расположение, количество и принцип работы отличается от биполярных транзисторов и зависит от вида полевого транзистора.

Где используются транзисторы?

Транзисторы используются в большинстве электронных схем. Это может быть как простой генератор частоты, так и материнская плата компьютера.

Заглянем под крышку усилителя – и тут транзисторы. Они аккуратно разместились на схеме радиоприемника, чтобы преобразовать радиосигнал в аналоговый. Если нужно собрать электронный стабилизатор или ключ – не обойдетесь без транзисторов.

Существует ряд сверхмощных транзисторов. Они могут работать с нагрузкой до 1.5 кВт и применяют их в промышленной сфере. Рабочая температура таких транзисторов может достигать 200-300 градусов Цельсия. Для их охлаждения используют радиаторы теплоотвода.

Группа транзисторов, в совокупности с дополнительными элементами, может совершать ряд логических операций и представляет собой своего рода процессор. Собственно, процессор на основе полупроводника и является группой транзисторов. Они заключены в общий корпус и связаны там между собой таким образом, как если бы располагались на монтажной плате. В мощных процессорах, благодаря миниатюрности кристаллов полупроводника, может быть заключено до нескольких десятков миллионов транзисторов.

Принцип работы транзистора

В биполярных транзисторах управление током коллектора происходит путем изменения управляющего тока базы. Ток, которым нужно управлять, направлен по цепи – «эмиттер-коллектор». Однако, в состоянии покоя транзистора этот ток не может проходить между ними. Это вызвано сопротивлением эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв полупроводника. Но стоит подать на базу транзистора незначительный ток, и сопротивление между эмиттером и коллектором упадет, тем самым даст возможность проходить току через эмиттер и коллектор, усиливая выходной сигнал. Изменяя ток базы, можно изменять ток на выходе транзистора.

В полевых транзисторах такое управление осуществляется благодаря созданию поперечного электрического поля, которое создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Это значительно уменьшает энергопотребление транзистора, так как сопротивление затвора велико, и для создания поля не нужно постоянно поддерживать управляющий ток. Если бы не полевой транзистор, мы меняли бы батарейки в пульте от телевизора в разы чаще, чем обычно.

Таким образом, транзисторы можно сравнить с водопроводным краном, где подача и слив воды – это эмиттер\исток и коллектор\сток транзистора, а рукоять вентиля – это его база\затвор.

Разновидности, обозначение транзисторов

На большинстве схем транзисторы могут обозначаться буквами «VT», «Q», «T», «ПТ», «ПП». К буквам может применяться приписка в виде цифры, например «VT 4», которая указывает номер детали на схеме. Или модель транзистора целиком, например «T KT-315Б».
Транзисторы делятся на два вида: биполярный и полевой.

Схематическое обозначение биполярного транзистора:

Как видно на рисунке, обозначение транзисторов разных типов отличается направлением стрелки эмиттера. Транзисторы n-p-n типа обозначаются со стрелкой эмиттера, направленной от базы. В случае p-n-p типа, стрелка будет направлена в сторону базы транзистора. На многих схемах эмиттер, коллектор и база отмечены буквами латинского языка: эмиттер – «E», база – «B» коллектор – «C».

Типовая схема подключения биполярных транзисторов:

Рекомендовано практически во всех схемах с биполярным транзистором давать дополнительное сопротивление ко входам коллектора и базы. Это продлит срок службы транзистора и стабилизирует его работу.

Обозначений полевых транзисторов есть больше, чем биполярных. Основные представлены на изображениях ниже.

Как вы видите, выводы транзистора обозначены буквами «З»-затвор, «С»-сток, «И»-исток. Функцию базы выполняет затвор, а коллектор и эмиттер, это – сток и исток, соответственно. Как биполярные транзисторы делятся на n-p-n и p-n-p, так полевые делятся на:

  • с управляющим p-n переходом с каналом n-типа;
  • с изолированным затвором с индуцированным каналом n-типа;
  • с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа;
  • с управляющим p-n переходом с каналом p-типа;
  • с изолированным затвором с индуцированным каналом p-типа;
  • с изолированным затвором со встроенным каналом p-типа.

Некоторые транзисторы с управляющим p-n-переходом предоставляют доступ к каналу с помощью четвертой «ножки»-вывода либо используется сам корпус транзистора.

На изображениях ниже – схемы включения полевых транзисторов:

С управляющим p-n-переходом с общим истоком

С управляющим p-n-переходом с общим стоком

С управляющим p-n-переходом с общим затвором

Маркировка транзисторов

Маркировка транзистора наносится на корпус, иногда нужно также обращать внимание на длину выводов. Современная маркировка транзисторов зависит от производителя. По причине этого, рекомендовано изучать спецификации от производителей, чтобы корректно читать маркировку.

Маркировка бывает цветовая, кодовая и смешанная. Есть случаи нестандартной маркировки, где могут использоваться различного рода символы.

Вольт амперная характеристика

На двух графиках представлены вольт амперные характеристики отдельно для биполярных и полевых транзисторов.

Биполярные транзисторы:

Полевые транзисторы:

ТРАНЗИСТОР — это… Что такое ТРАНЗИСТОР?

  • ТРАНЗИСТОР — (от англ. transfer перенос и resistor сопротивление) трёхэлектродный полупроводниковый прибор, способный усиливать электрич. сигналы. Изобретён Дж. Бардином (J. Bardeen), У. Браттейном (W. Brattain) и У. Шокли (W. Shockley) в 1948 (Нобелевская… …   Физическая энциклопедия

  • ТРАНЗИСТОР — (от англ. transfеr переносить и резистор) полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, выполненный на основе монокристаллического полупроводника (преимущественно Si или Ge), содержащего не менее… …   Большой Энциклопедический словарь

  • ТРАНЗИСТОР — ТРАНЗИСТОР, ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ электронное устройство, способное усиливать электрические сигналы. В основное вещество КРЕМНИЙ или ГЕРМАНИЙ добавляется очень малое количество присадки МЫШЬЯКА или СУРЬМЫ, чтобы образовался материал типа п, в котором …   Научно-технический энциклопедический словарь

  • транзистор — филдистор, радиоприемник Словарь русских синонимов. транзистор сущ., кол во синонимов: 8 • микротранзистор (1) • …   Словарь синонимов

  • ТРАНЗИСТОР — ТРАНЗИСТОР, а, муж. 1. Полупроводниковый прибор, усиливающий, генерирующий и преобразующий электрические колебания. 2. Портативный радиоприёмник с такими приборами. | прил. транзисторный, ая, ое (к 1 знач.). Т. приёмник. Толковый словарь Ожегова …   Толковый словарь Ожегова

  • транзистор — транзистор, мн. транзисторы, род. транзисторов (неправильно транзистора, транзисторов) …   Словарь трудностей произношения и ударения в современном русском языке

  • транзистор — Электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три или более вывода, предназначенный для генерирования и преобразования электрических колебаний. [РД 01.120.00 КТН 228 06] Тематики магистральный нефтепроводный транспорт EN… …   Справочник технического переводчика

  • ТРАНЗИСТОР — (1) полупроводниковый (см.), предназначенный для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических колебаний различных частот. Представляет собой монокристалл германия, кремния, арсенида галлия, фосфида галлия или др.… …   Большая политехническая энциклопедия

  • Транзистор — Дискретные транзисторы в различном конструктивном оформлении …   Википедия

  • Транзистор — (от англ. transfer переносить и resistor сопротивление)         электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или более) вывода, предназначенный для генерирования и преобразования электрических колебаний. Изобретён в… …   Большая советская энциклопедия

  • Биполярные транзисторы. For dummies / Хабр

    Предисловие


    Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

    Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

    Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

    Транзисторы. Определение и история


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

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

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

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

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

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

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

    Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики



    Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

    Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

    Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
    Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

    Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

    Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

    Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

    Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

    Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

    Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

    Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

    Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

    Также параметрами биполярного транзистора являются:

    • обратный ток коллектор-эмиттер
    • время включения
    • обратный ток колектора
    • максимально допустимый ток

    Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

    Режимы работы биполярного транзистора


    Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.
    1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
    2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
    3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
    4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

    Схемы включения биполярных транзисторов

    Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

    Схема включения с общим эмиттером


    Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

    Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

    Схема включения с общей базой


    Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

    В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

    Схема включения с общим коллектором


    Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

    Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

    Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

    В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

    Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

    Два слова о каскадах


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

    Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
    Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

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

    Другие области применения биполярных транзисторов


    Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

    Маркировка


    Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл .xls (35 кб) .

    Список источников:
    http://ru.wikipedia.org
    http://www.physics.ru
    http://radiocon-net.narod.ru
    http://radio.cybernet.name
    http://dvo.sut.ru

    Полезные комментарии:
    http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

    Принцип действия транзистора, внутреннее устройство и основные характеристики транзисторов

    Транзистором называется полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний. Так что же такое транзистор? — Он представляет собой кристалл, помещенный в корпус, снабженный выводами. Кристалл изготовляют из полупроводникового материала. По своим электрическим свойствам полупроводники занимают некоторое промежуточное положение между проводниками и непроводниками тока (изоляторами).

    Небольшой кристалл полупроводникового материала (полупроводника) после соответствующей технологической обработки становится способным менять свою электропроводность в очень широких пределах при подведении к нему слабых электрических колебаний и постоянного напряжения смещения.

    Кристалл помещают в металлический или пластмассовый корпус и снабжают тремя выводами, жесткими или мягкими, присоединенными к соответствующим зонам кристалла. Металлический корпус иногда имеет собственный вывод, но чаща с корпусом соединяют один из трех электродов транзистора.

    В настоящее время находят применение транзисторы двух видов — биполярные и полевые. Биполярные транзисторы появились первыми и получили наибольшее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Полевые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных.

    Быполярные транзисторы

    Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицательные заряды переносятся электронами. В биполярном транзисторе используют кристалл из германия или кремния — основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов.

    Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми, другие — германиевыми. Для обоих разновидностей биполярных транзисторов характерны свои особенности, которые обычно учитывают при проектировании устройств.

    Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появление в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость). Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой.

    Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близколежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзистор.

    Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей заряда, а вторую — коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмиттером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваивают названия, аналогичные его электродам.

    Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электрическое напряжение — входной сигнал, то в цепи коллектор — эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмиттером, но во много раз больший по значению.

    Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относительно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) должно быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера — несколько вольт.

    Включение в цепь n-р-n и р-n-р транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещения. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой лишь значением напряжения смещения. У кремниевых оно примерно на 0,45 В больше, чем у герма ниевых.

    Рис. 1. Напряжения смещения базы для кремниевых и германиевых транзисторов.

    На рис. 1 показаны условные графические обозначения транзисторов той и другой структуры, выполненных на основе германия и кремния, и типовое напряжение смещения. Электроды транзисторов обозначены первыми буквами слов: эмиттер — Э, база — Б, коллектор — К.

    Напряжение смещения (или, как принято говорить, режим) показано относительно эмиттера, но на практике напряжение на электродах транзистора указывают относительно общего провода устройства. Общим проводом в устройстве и на схеме называют провод, гальванически соединенный с входом, выходом и часто с источником питания, т. е. общий для входа, выхода и источника питания.

    Усилительные и другие свойства транзисторов характеризуются рядом электрических параметров, наиболее важные из которых рассмотрены ниже.

    Статический коэффициент передачи тока базы h21Э показывает, во сколько раз ток коллектора биполярного транзистора больше тока его базы, вызвавшего этот ток. У большинства типов транзисторов численное значение этого коэффициента от экземпляра к экземпляру может изменяться от 20 до 200. Есть транзисторы и с меньшим значением — 10…15, и с большим — до 50…800 (такие называют транзисторами со сверхусилением).

    Нередко считают, что хорошие результаты можно получить только с транзисторами, имеющими большое значение h21э. Однако практика показывает, что при умелом конструировании аппаратуры вполне можно обойтись транзисторами, имеющими h2lЭ, равный всего 12…20. Примером этого может служить большинство конструкций, описанных в этой книге.

    Частотными свойствами транзистора учитывается тот факт, что транзистор способен усиливать электрические сигналы с частотой, не превышающей определенного для каждого транзистора предела. Частоту, на которой транзистор теряет свои усилительные свойства, называют предельной частотой усиления транзистора.

    Для того, чтобы транзистор мог обеспечить значительное усиление сигнала, необходимо, чтобы максимальная рабочая частота сигнала была по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты fт транзистора. Например, для эффективного усиления сигналов низкой частоты (до 20 кГц) применяют низкочастотные транзисторы, предельная частота которых не менее 0,2…0,4 МГц.

    Для усиления сигналов радиостанций длинноволнового и средневолнового диапазонов волн (частота сигнала не выше 1,6 МГц) пригодны лишь высокочастотные транзисторы с предельной частотой не ниже 16…30 МГц.

    Максимальная допустимая рассеиваемая мощность — это наибольшая мощность, которую может рассеивать транзистор в течение длительного времени без опасности выхода из строя. В справочниках по транзисторам обычно указывают максимальную допустимую мощность коллектора Яктах, поскольку именно в цепи коллектор — эмиттер выделяется наибольшая мощность и действуют наибольшие ток и напряжение.

    Базовый и коллекторный токи, протекая по кристаллу транзистора, разогревают его. Германиевый кристалл может нормально работать при температуре не более 80, а кремниевый — не более 120°С. Тепло, которое выделяется в кристалле, отводится в окружающую, среду через корпус транзистора, а также и через дополнительный теплоотвод (радиатор), которым дополнительно снабжают транзисторы большой мощности.

    В зависимости от назначения выпускают транзисторы малой, средней и большой мощности. Маломощные используют главным образом для усиления и преобразования слабых сигналов низкой и высокой частот, мощные — в оконечных ступенях усиления и генерации электрических колебаний низкой и высокой частот.

    Усилительные возможности ступени на биполярном транзисторе зависят не только от того, какой он мощности, а сколько от того, какой конкретно выбран транзистор, в каком режиме работы по переменному и постоянному току он работает (в частности, каковы ток коллектора и напряжение между коллектором и эмиттером), каково соотношение рабочей частоты сигнала и предельной частоты транзистора.

    Что такое полевой транзистор

    Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током между двумя электродами, образованным направленным движением носителей заряда дырок или электронов, осуществляется электрическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде.

    Электроды, между Которыми протекает управляемый ток, иоСят название истока и стока, причем истоком считают тот электрод, из которого выходят (истекают) носители заряда.

    Третий, управляющий, электрод называют затвором. Токопроводящий участок полупроводникового материала между истоком и стоком принято называть каналом, отсюда еще одно название этих транзисторов — канальные. Под действием напряжения на затворе» относительно истока меняется сопротивление канала» а значит, и ток через него.

    В зависимости от типа носителей заряда различают транзисторы с n-каналом или р-каналом. В n-канальных ток канала обусловлен направленным движением электронов, а р-канальных — дырок. В связи с этой особенностью полевых транзисторов их иногда называют также униполярными. Это название подчеркивает, что ток в них образуют носители только одного знака, что и отличает полевые транзисторы от биполярных.

    Для изготовления полевых транзисторов используют главным образом кремний, что связано с особенностями технологии их производства.

    Основные параметры полевых транзисторов

    Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y21 указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение крутизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна характеристики радиоламп.

    Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала.

    Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, достигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая экономичность в расходе тока.

    Частотные свойства полевого транзистора, так же как и биполярного, характеризуются значением предельной частоты. Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты транзистора.

    Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

    Для нормальной работы полевого транзистора на его электродах должно действовать постоянное напряжение начального смещения. Полярность напряжения смещения определяется типом канала (n или р), а значение этого напряжения — конкретным типом транзистора.

    Здесь следует указать, что среди полевых транзисторов значительно больше разнообразие конструкций кристалла, чем среди биполярных. Наибольшее распространение в любительских конструкциях и в изделиях промышленного производства получили полевые транзисторы с так называемым встроенным каналом и р-n переходом.

    Они неприхотливы в эксплуатации, работают в широких частотных пределах, обладают высоким входным сопротивлением, достигающим на низкой частоте нескольких мегаом, а на средней и высокой частотах — нескольких десятков или сотен килоом в зависимости от серии.

    Для сравнения укажем, что биполярные транзисторы имеют значительно меньшее входное сопротивление, обычно близкое к 1…2 кОм, и лишь ступени на составном транзисторе могут иметь большее входное сопротивление. В этом со-состоит большое преимущество полевых транзисторов перед биполярными.

    Рис. 2. Напряжения питания для полевых транзисторов.

    На рис. 2 показаны условные обозначения полевых транзисторов со встроенным каналом и р-n переходом, а также указаны и типовые значения напряжения смещения. Выводы обозначены в соответствии с первыми буквами названий электродов.

    Характерно, что для транзисторов с р-каналом напряжение на стоке относительно истока должно быть отрицательным, а на затворе относительно истока — положительным, а для транзистора с n-каналом — наоборот.

    В промышленной аппаратуре и реже в радиолюбительской находят также применение полевые транзисторы с изолированным затвором. Такие транзисторы имеют еще более высокое входное сопротивление, могут работать на очень высоких частотах. Но у них есть существенный недостаток — низкая электрическая прочность изолированного затвора.

    Для его пробоя и выхода транзистора из строя вполне достаточно даже слабого заряда статического электричества, который всегда есть на теле человека, на одежде, на инструменте.

    По этой причине выводы полевых транзисторов с изолированным затвором при хранении следует связывать вместе мягкой голой проволокой, при монтаже транзисторов руки и инструменты нужно «заземлять», используют и другие защитные мероприятия.

    Литература: Васильев В.А. Приемники начинающего радиолюбителя (МРБ 1072).

    Биполярный транзистор

    Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

    Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

    Устройство биполярного транзистора.

    Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

    У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

    Работа биполярного транзистора.

    Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

    Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

    Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером VКЭ (VCE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

    Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE — 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

    В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

    В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру IBE, и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.

    Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы IB, сильно меняется ток коллектора IС. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

    β = IC / IB

    Простейший усилитель на биполярном транзисторе

    Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

    1.Описание основных элементов цепи

    Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

    2. Расчет входного тока базы I

    b

    Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.

    Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

    Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

    2. Расчет выходного тока коллектора I

    С

    Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).

    3. Расчет выходного напряжения V

    out

    Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.

    Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

    4. Анализ результатов

    Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

    Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

    Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

    Режимы работы биполярного транзистора

    В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

    • Режим отсечки (cut off mode).
    • Активный режим (active mode).
    • Режим насыщения (saturation mode).
    • Инверсный ражим (reverse mode ).

    Режим отсечки

    Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

    Активный режим

    В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

    Режим насыщения

    Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

    В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

    Инверсный режим

    В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

    Основные параметры биполярного транзистора.

    Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора IС к току базы IB. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

    β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

    Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается Rin (Rвх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

    Rвх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

    Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

    Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление Rout = 0 (Rвых = 0)).

    Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

    Принцип работы биполярного транзистора

    В свое время транзисторы пришли на смену электронным лампах. Это произошло благодаря тому, что они имеют меньшие габариты, высокую надежность и менее затратную стоимость производства. Сейчас, биполярные транзисторы являются основными элементами во всех усилительных схемах.

    Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода. Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода. В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.  

     

    База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.

    Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.

    Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.

    Как правило, эмиттер содержит намного большее количество основных зарядов, чем база. Это основное условие работы транзистора, потому что в этом случае, при прямом смещении эмиттерного перехода, ток будет обуславливаться основными носителями эмиттера. Эмиттер сможет осуществлять свою главную функцию – впрыск носителей в слой базы. Обратный ток эмиттера обычно стараются сделать как можно меньше. Увеличение основных носителей эмиттера достигается с помощью высокой концентрации примеси.

    Базу делают как можно более тонкой. Это связано с временем жизни зарядов. Носители зарядов должны пересекать базу и как можно меньше рекомбинировать с основными носителями базы, для того чтобы достигнуть коллектора.

    Для того чтобы коллектор мог наиболее полнее собирать носители прошедшие через базу его стараются сделать шире.

     

    Принцип работы транзистора

    Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.

     

    В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.

    Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора. Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника. Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом  к эмиттеру, а отрицательным к базе. Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ < Uк. 

    Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении. Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его.  Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки 1-5, а в базе электроны 7-8. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном ими.

    Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы. 

    Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции

    Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

    Дырки 1-5 перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода. Таким образом, создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода, в следствии чего начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу. Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.

    Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися там, например, как дырка 5 и электрон 6. А так как дырки  поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд, поэтому, должны поступать и электроны, которые втягиваются через вывод базы и образуют базовый ток Iбр. Это важное условие работы транзистора – концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов. Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.

    Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы. 

    Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1. 

    Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора. 

    Обратный ток коллектора возникает в результате  обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырки 9 и электрона 10. Именно потому, что обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током.

    От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.

    Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока

    Токи в транзисторе можно представить следующим образом

     

    Основное соотношение для токов транзистора 

    Ток коллектора можно выразить как 

    Из вышесказанного можно сделать вывод, что изменяя ток в цепи база – эмиттер, мы можем управлять выходным током коллектора. Причем незначительное изменение тока базы, вызывает значительное изменение тока коллектора.

     

  • Просмотров:
  • Биполярный транзистор автосигнализации

    Транзистор — это полупроводниковый прибор, который может усиливать слабые сигналы и управлять большой мощностью при помощи относительно слабых воздействий.

    Рисунок 48. Транзистор управляет большим током при помощи малого

    Транзистор, в отличие от диода, имеет 3 вывода. У биполярных транзисторов эти выводы называются база, эмиттер и коллектор.

    Рисунок 49. Виды корпусов биполярных транзисторов

    Состоит биполярный транзистор из кристалла полупроводника (в нем имеются границы сочетания полупроводников с разными типами проводимости), корпуса и металлических выводов, которыми транзистор впаивается в электрическую цепь.

    Биполярные транзисторы бывают двух типов — п-р-п и р-п-р.

    Рисунок 50. Типы биполярных транзисторов

    Р-п-р транзисторы пропускают ток от эмиттера к коллектору, п-р-п — наоборот. В п-р-п транзисторах основные носители заряда — электроны, а в р-п-р — так называемые «дырки», которые менее мобильны (в смысле скорости переноса мощности), соответственно п-р-п транзисторы быстрее переключаются в общем случае.

    В сигнализациях StarLine используются современные компактные транзисторы, предназначенные для поверхностного монтажа ( SMD-монтаж)

    Рисунок 51. SMD-транзистор

    Транзистор проявляет свои усилительные свойства в трех видах основных схем: схема с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

    Рисунок 52. Схема включения биполярного транзистора «общий эмиттер»

    При включении транзистора по схеме ОЭ входной сигнал поступает между базой и эмиттером, а нагрузка включена между коллектором и источником питания. Такая схема является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности (в тысячи раз).

    Достоинствами схемы с общим эмиттером являются: большой коэффициент усиления по току и большее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление.

    Кроме того, для питания схемы требуются два однополярных источника, то есть, на практике можно обойтись одним источником питания.

    Единственным серьезным недостатком является худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой.

    Рисунок 53. Схема включения биполярного транзистора «общая база»

    В схеме ОБ входной сигнал подается на эмиттер и базу, а нагрузка подключается между коллектором и источником питания. Входная цепь транзистора представляет собой открытый эмиттерный переход, поэтому входное сопротивление мало (десятки Ом).

    Недостатки схемы: не усиливает ток и для ее питания требуется два разных источника напряжения. Но схема с общей базой имеет хорошие температурные и частотные свойства.

    Рисунок 54. Схема включения биполярного транзистора «общий коллектор»

    В схеме О К входной сигнал поступает на переход эмиттер-база, проходит через нагрузку, а сама нагрузка подключается к эмиттеру и источнику питания. В этой схеме выходное напряжение равно входному, поэтому она получила название «эмиттерный повторитель». При включении общего коллектора напряжение сигнала не усиливается, а лишь повторяется. При этом эмиттерная нагрузка может быть очень небольшой, выходное сопротивление усилителя измеряется сотнями и даже десятками ом. В то же время входное сопротивление очень большое — сотни килоом и даже мегаомы.

    При монтаже автомобильных охранных систем биполярный транзистор чаще всего используется в качестве ключа, который либо заперт (не проводит ток), либо открыт (пропускает ток).

    на базу не поступает ток управления — транзистор закрыт, тока нет, лампа не горит

    на базу поступил ток управления — транзистор открылся, ток пошел, лампа зажглась

    Рисунок 55. Работа транзистора в качестве ключа

    Отпирание или запирание транзистора в режиме ключа происходит при подаче тока на его базу. Например, часто в описании сигнализации пишут «дополнительный канал выполнен по схеме «открытый коллектор». Это значит, что внутри блока сигнализации спрятан биполярный транзистор п-р-п типа, включенный по схеме ОЭ. При срабатывании этого канала на выходе будет появляться масса (через проводящую структуру транзистора), а в исходном состоянии выход ни к чему не подсоединен.

    Как правило, выходы, выполненные по схеме «открытый коллектор», допускают небольшой ток нагрузки (до 300 мА). То есть подключить к этому выходу напрямую мощную нагрузку нельзя — оборудование выйдет из строя. Для подключения к такому выходу необходимо использовать дополнительное реле.

    Рисунок 56. Схема-подсказка «Транзистор»


    Что такое транзистор? Определение, символ, клеммы и условия эксплуатации

    Определение: Транзистор — это полупроводниковый прибор, который передает слабый сигнал от цепи с низким сопротивлением к цепи с высоким сопротивлением. Слова trans означают свойство передачи , а istor означают свойство сопротивления , предлагаемое соединениям. Другими словами, это переключающее устройство, которое регулирует и усиливает электрический сигнал, например напряжение или ток.

    Транзистор состоит из двух диодов PN, соединенных спина к спине. Он имеет три вывода: эмиттер, базу и коллектор. Основа — это средняя часть, состоящая из тонких слоев. Правая часть диода называется эмиттерным диодом, а левая часть — коллекторно-базовым диодом. Эти имена даны по общему выводу транзистора. Эмиттерный переход транзистора подключен к прямому смещению, а переход коллектор-база подключен к обратному смещению, что обеспечивает высокое сопротивление.

    Символы транзисторов

    Существует два типа транзисторов, а именно транзистор NPN и транзистор PNP. Транзистор, который состоит из двух блоков из полупроводникового материала n-типа и одного блока из полупроводникового материала P-типа, известен как NPN-транзистор. Точно так же, если материал имеет один слой материала N-типа и два слоя материала P-типа, то он называется транзистором PNP. Символ NPN и PNP показан на рисунке ниже.

    Стрелка в символе указывает направление протекания обычного тока в эмиттере с прямым смещением, приложенным к переходу эмиттер-база.Единственная разница между транзисторами NPN и PNP заключается в направлении тока.

    Клеммы транзистора

    Транзистор имеет три вывода: эмиттер, коллектор и базу. Клеммы диода подробно описаны ниже.

    Эмиттер — Секция, которая снабжает большую часть основного носителя заряда, называется эмиттером. Эмиттер всегда подключен с прямым смещением относительно базы, так что он подает основной носитель заряда на базу.Переход эмиттер-база вводит большое количество основных носителей заряда в базу, потому что она сильно легирована и имеет умеренный размер.

    Коллектор — Секция, которая собирает большую часть основного носителя заряда, подаваемого эмиттером, называется коллектором. Коллектор-база всегда имеет обратное смещение. Его основная функция заключается в удалении большинства зарядов из соединения с базой. Коллекторная часть транзистора умеренно легирована, но больше по размеру, так что она может собирать большую часть носителей заряда, подаваемых эмиттером.

    База — Средняя часть транзистора известна как база. База образует две цепи: входную цепь с эмиттером и выходную цепь с коллектором. Цепь эмиттер-база смещена в прямом направлении и обеспечивает низкое сопротивление цепи. Коллектор-база имеет обратное смещение и обеспечивает более высокое сопротивление цепи. База транзистора слегка легирована и очень тонкая, из-за чего основной носитель заряда подается на базу.

    Работа транзистора

    Обычно для изготовления транзисторов используется кремний из-за их высокого напряжения, большего тока и меньшей температурной чувствительности. Участок эмиттер-база, смещенный в прямом направлении, составляет базовый ток, протекающий через базовую область. Величина базового тока очень мала. Ток базы заставляет электроны перемещаться в область коллектора или создавать дыру в области базы.

    База транзистора очень тонкая и слегка легированная, из-за чего в ней меньше электронов по сравнению с эмиттером.Несколько электронов эмиттера объединяются с отверстием в базовой области, а оставшиеся электроны перемещаются к области коллектора и составляют ток коллектора. Таким образом, можно сказать, что большой ток коллектора достигается за счет изменения базовой области.

    Условия эксплуатации транзистора

    Когда эмиттерный переход находится в прямом смещении, а коллекторный переход находится в обратном смещении, то говорят, что он находится в активной области. Транзистор имеет два перехода, которые могут быть смещены по-разному.Различная рабочая проводимость транзистора показана в таблице ниже.

    Состояние Эмиттерный переход (EB) Коллекторный переход (CB) Область действия
    FR С прямым смещением С обратным смещением Активно
    FF Прямое смещение Прямое смещение Насыщенность
    RR Обратное смещение Обратное смещение Отсечка
    RF с обратным смещением с прямым смещением с обратным смещением

    FR — В этом случае переход эмиттер-база подключен с прямым смещением, а переход коллектор-база подключен с обратным смещением.Транзистор находится в активной области, и ток коллектора зависит от тока эмиттера. Транзистор, который работает в этой области, используется для усиления.

    FF — В этом состоянии оба перехода находятся в прямом смещении. Транзистор находится в состоянии насыщения, и ток коллектора перестает зависеть от тока базы. Транзисторы действуют как замкнутый переключатель.

    RR Оба тока имеют обратное смещение. Эмиттер не подает основной носитель заряда на базу, и ток носителей не собирается коллектором.Таким образом, транзисторы действуют как замкнутый переключатель.

    RF — Переход эмиттер-база находится в обратном смещении, а переход коллектор-база остается в прямом смещении. Поскольку коллектор слабо легирован по сравнению с эмиттерным переходом, он не подает основной носитель заряда на базу. Таким образом достигается плохая работа транзистора.

    Что такое транзистор? — Определение с сайта WhatIs.com

    От

    Транзистор — это устройство, которое регулирует ток или напряжение и действует как переключатель или затвор для электронных сигналов.Транзисторы состоят из трех слоев полупроводникового материала, каждый из которых может пропускать ток.

    Транзистор был изобретен тремя учеными из Bell Laboratories в 1947 году, и он быстро заменил вакуумную лампу в качестве электронного регулятора сигнала. Транзистор регулирует ток или напряжение и действует как переключатель или затвор для электронных сигналов. Транзистор состоит из трех слоев полупроводникового материала, каждый из которых может проводить ток. Полупроводник — это такой материал, как германий и кремний, который проводит электричество «полуинтузиазмом».Это что-то среднее между настоящим проводником, таким как медь, и изолятором (например, пластиком, обернутым вокруг проводов).

    Полупроводниковому материалу придаются особые свойства с помощью химического процесса, называемого легированием . Легирование приводит к получению материала, который либо добавляет дополнительные электроны к материалу (который затем называется N-типа, для дополнительных отрицательных носителей заряда), либо создает «дыры» в кристаллической структуре материала (которая затем называется P-типа. , потому что это приводит к большему количеству носителей положительного заряда).Трехслойная структура транзистора содержит полупроводниковый слой N-типа, зажатый между слоями P-типа (конфигурация PNP) или слой P-типа между слоями N-типа (конфигурация NPN).

    Небольшое изменение тока или напряжения на внутреннем полупроводниковом слое (который действует как управляющий электрод) вызывает большое и быстрое изменение тока, проходящего через весь компонент. Таким образом, компонент может действовать как переключатель, открывая и закрывая электронные ворота много раз в секунду.В современных компьютерах используются схемы, изготовленные с использованием технологии комплементарных металлооксидных полупроводников (CMOS). CMOS использует два дополнительных транзистора на затвор (один из материала N-типа, другой из материала P-типа). Когда один транзистор поддерживает логическое состояние, он почти не требует энергии.

    Транзисторы — это базовые элементы в интегральных схемах (ИС), которые состоят из очень большого количества транзисторов, связанных между собой схемами и запеченных в единую кремниевую микросхему.

    Последнее обновление: октябрь 2015 г.

    Продолжить чтение о транзисторе

    Как это работает »Электроника

    Описание того, что такое транзистор, как работает биполярный транзистор, а также сведения о транзисторах NPN и PNP.


    Transistor Tutorial:
    Transistor Basics Усиление: HFE, HFE и бета Характеристики транзистора Коды нумерации транзисторов и диодов Выбор транзисторов на замену


    Транзисторы лежат в основе современной электронной техники. Развитие биполярного транзистора или биполярного переходного транзистора, BJT, привело ко многим изменениям в мире.

    Введение биполярного транзистора позволило использовать многие технологии, которые мы сегодня воспринимаем как должное: от портативных транзисторных радиоприемников до мобильных телефонов и компьютеров, удаленного управления, функций, которые мы принимаем как должное в современных автомобилях, и т. Д.. . . Все эти и многие другие предметы повседневного обихода стали возможны благодаря изобретению транзистора.

    Сегодня биполярные транзисторы доступны во многих формах. Существует базовый транзистор с выводами или транзистор для поверхностного монтажа. Но транзисторы также широко используются в интегральных схемах. Большинство цифровых ИС используют технологию полевого эффекта, но многие аналоговые ИС используют биполярную технологию для обеспечения требуемой производительности.

    Вместе с их полевыми транзисторами, полевыми транзисторами, родственниками, использующими совершенно другой принцип, биполярный транзистор составляет основу большинства современного электронного оборудования, будь то дискретные устройства или интегральные схемы.

    Выбор транзисторов с пластиковыми выводами

    Разработка транзисторов

    Полупроводниковая технология хорошо известна, но используется уже более ста лет. Первые полупроводниковые эффекты были замечены еще в начале 1900-х годов, когда использовались первые беспроводные или радиоприемники. В качестве детекторов исследовались различные идеи.

    Термоэмиссионный клапан или технология вакуумных трубок была представлена ​​в 1904 году, но эти устройства были дорогими, а также требовали питания от батареи.Вскоре после этого был обнаружен детектор Cat’s Whisker. Он состоял из тонкой проволоки, помещенной на один из нескольких типов материала. Эти материалы известны сегодня как полупроводники и составляют основу современной электронной техники.

    Примечание к истории транзисторов:

    Биполярный транзистор был изобретен тремя исследователями, работающими в Bell Labroratories: Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли. Они работали над идеей, в которой для управления током в полупроводнике использовался эффект поля, но они не смогли реализовать эту идею.Они обратили свое внимание на другую возможность и создали трехконтактное устройство, используя два близко расположенных точечных контакта на пластине из германия. Эта идея сработала, и в конце 1949 года они смогли продемонстрировать, что она принесла пользу.

    Подробнее о История биполярных транзисторов

    Старый биполярный транзистор OC71

    После того, как основная идея была разработана, потребовалось некоторое время, прежде чем полупроводниковая технология была принята, но как только это произошло, она стала популярной, как мы знаем сегодня.

    Что такое биполярный транзистор

    стоит в двух словах определить, что такое биполярный транзистор:

    Определение биполярного транзистора:

    Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей P-типа или N-типа — область одного типа зажата между областями другого. Транзистор в основном усиливает ток, но его можно включать в схемы, предназначенные для усиления напряжения или мощности.

    Биполярный транзистор необходимо отличать от полевого транзистора.Биполярный транзистор, BJT, получил свое название от того факта, что в своей работе он использует как дырки, так и электроны. Полевые транзисторы — это униполярные устройства, использующие один или любой из типов носителей заряда.

    Биполярный транзистор, или точнее биполярный транзистор с переходным соединением, BJT, имеет два PN-диодных перехода, соединенных спиной друг к другу. Биполярный транзистор имеет три вывода, которые называются эмиттер, база и коллектор.

    Транзистор усиливает ток — биполярные транзисторы являются устройствами тока, в отличие от вакуумных ламп с термоэлектронными лампами и полевых транзисторов, которые являются устройствами напряжения.Ток, протекающий в цепи базы, влияет на ток, протекающий между коллектором и эмиттером.

    Примечание по конструкции схемы транзистора:

    Транзистор представляет собой трехполюсное устройство, обеспечивающее усиление по току. Существует три конфигурации, которые можно использовать для транзистора: общий эмиттер, общий коллектор и общая база. Каждый из них имеет разные характеристики, и, спроектировав схему на основе одной из этих конфигураций, можно достичь требуемых характеристик.

    Подробнее о Схема схемы биполярного транзистора

    Структура транзистора базовая

    Транзистор представляет собой устройство с тремя выводами и состоит из трех отдельных слоев. Два из них легированы, чтобы дать один тип полупроводника, а есть противоположный тип, то есть два могут быть n-типа и один p-тип, или два могут быть p-типа, а один может быть n-типом. расположены так, что два одинаковых слоя транзистора смещают слой противоположного типа.В результате эти полупроводниковые устройства обозначаются как транзисторы PNP или транзисторы NPN в зависимости от способа их изготовления.

    Базовая структура и символы схем для транзисторов NPN и PNP

    Названия трех электродов широко используются, но их значения не всегда понятны:

    • База: База транзистора получила свое название от того факта, что в ранних транзисторах этот электрод служил основой для всего устройства.Самые ранние транзисторы с точечным контактом имели два точечных контакта, размещенных на основном материале. Этот базовый материал сформировал базовое соединение. . . и название прижилось.
    • Эмиттер: Эмиттер получил свое название от того факта, что он испускает носители заряда.
    • Коллектор: Коллектор получил свое название от того факта, что он собирает носители заряда.

    Для работы транзистора важно, чтобы область базы была очень тонкой.В современных транзисторах ширина базы обычно может составлять всего около 1 мкм. Тот факт, что базовая область транзистора тонкая, является ключом к работе устройства

    .

    Как работает транзистор: основы

    Транзистор можно рассматривать как два P-N перехода, соединенных спиной друг к другу. Один из них, а именно переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, в то время как другой переход с коллектором базы смещен в обратном направлении. Обнаружено, что когда ток течет в переходе база-эмиттер, больший ток течет в цепи коллектора, даже несмотря на то, что переход база-коллектор имеет обратное смещение.

    Для наглядности взят пример NPN-транзистора. Те же рассуждения можно использовать для устройства PNP, за исключением того, что дырки являются основными носителями вместо электронов.

    Когда ток течет через переход база-эмиттер, электроны покидают эмиттер и перетекают в базу. Однако легирование в этой области остается низким, и имеется сравнительно небольшое количество дырок, доступных для рекомбинации. В результате большая часть электронов может проходить прямо через базовую область и далее в область коллектора, притягиваясь положительным потенциалом.

    Базовый режим работы транзистора
    Показан режим работы транзистора NPN

    Лишь небольшая часть электронов эмиттера объединяется с дырками в области базы, что приводит к возникновению тока в цепи база-эмиттер. Это означает, что ток коллектора намного выше.

    Отношение между током коллектора и током базы обозначается греческим символом Β. Для большинства транзисторов с малым сигналом это значение может составлять от 50 до 500. В некоторых случаях оно может быть даже выше.Это означает, что ток коллектора обычно в 50-500 раз превышает ток в базе. Для транзистора большой мощности значение несколько меньше: 20 — довольно типичное значение.

    Почему транзисторы NPN используются чаще, чем транзисторы PNP

    Изучив схемы, а также таблицы данных и т. Д., Можно заметить, что транзисторы NPN намного популярнее, чем транзисторы PNP.

    На это есть несколько причин:

    • Подвижность носителей: Транзисторы NPN используют электроны в качестве основных носителей, а не дырки, которые являются основными носителями в транзисторах PNP.Поскольку дырки перемещаются внутри кристаллической решетки гораздо легче, чем электроны, т.е.они обладают большей подвижностью, они могут работать быстрее и обеспечивать гораздо лучший уровень производительности.
    • Отрицательное заземление: С годами отрицательное заземление стало стандартом, например в автомобилях и т. д., а полярность транзисторов NPN означает, что базовые конфигурации транзисторов работают с отрицательным заземлением.
    • Производственные затраты: Производство полупроводниковых компонентов на основе кремния наиболее экономично с использованием больших кремниевых пластин N-типа.Хотя изготовление транзисторов PNP возможно, требуется в 3 раза больше площади поверхности пластины, а это значительно увеличивает затраты. Поскольку стоимость полупроводниковых пластин составляет основную часть общей стоимости компонентов, это значительно увеличило производственные затраты на транзисторы PNP.

    Биполярные транзисторы, BJT, были первой формой изобретенного транзистора, и они до сих пор очень широко используются во многих областях. Они просты в использовании, дешевы и имеют спецификации, отвечающие большинству требований.Они идеально подходят для многих схем, хотя, естественно, спецификация биполярного транзистора должна соответствовать спецификации схемы.

    Другие электронные компоненты:
    Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
    Вернуться в меню «Компоненты».. .

    Как работают транзисторы? — Объясни, что это за штука

    Криса Вудфорда. Последнее изменение: 21 сентября 2020 г.

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

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

    Что на самом деле делает транзистор?

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

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

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

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

    Как делается транзистор?

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

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

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

    Кремниевые бутерброды

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

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

    Как работает переходной транзистор

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

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

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

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

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

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

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

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

    Как работает полевой транзистор (FET)

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

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

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

    Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?

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

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

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

    Кто изобрел транзистор?

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

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

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

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

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

    Типы транзисторов

    — переходные транзисторы и полевые транзисторы

    Транзистор стал важным компонентом современной электроники, и мы не можем представить мир без транзисторов. В этом уроке мы узнаем о классификации и различных типах транзисторов.Мы узнаем о BJT (NPN и PNP), JFET (N-Channel и P-Channel), MOSFET (Enhancement and Depletion), а также о транзисторах на основе их приложений (слабый сигнал, быстрое переключение, мощность и т. Д.).

    Введение

    Транзистор — это полупроводниковое устройство, которое используется либо для усиления сигналов, либо в качестве переключателя с электрическим управлением. Транзистор представляет собой устройство с тремя выводами, и небольшой ток / напряжение на одном выводе (или выводе) будет управлять большим потоком тока между двумя другими выводами (выводами).

    С давних пор электронные лампы заменяются транзисторами, потому что транзисторы имеют больше преимуществ перед электронными лампами. Транзисторы малы по размеру и требуют для работы небольшого количества энергии, а также имеют низкую рассеиваемую мощность. Транзистор является одним из важных активных компонентов (устройство, которое может производить выходной сигнал большей мощности, чем входной).

    Транзистор является важным компонентом почти каждой электронной схемы, такой как усилители, переключатели, генераторы, регуляторы напряжения, источники питания и, что наиболее важно, микросхемы цифровой логики.

    Со времени изобретения первого транзистора до наших дней транзисторы подразделяются на разные типы в зависимости от их конструкции или работы. Следующая древовидная диаграмма объясняет базовую классификацию различных типов транзисторов.

    Древовидная диаграмма транзисторов

    Классификацию транзисторов можно легко понять, наблюдая за приведенной выше древовидной диаграммой. Транзисторы в основном делятся на два типа. Это биполярные переходные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET).BJT снова подразделяются на транзисторы NPN и PNP. Полевые транзисторы подразделяются на JFET и MOSFET.

    Junction FET транзисторы подразделяются на полевые транзисторы с N-каналом и P-каналом JFET в зависимости от их конструкции. МОП-транзисторы подразделяются на режим истощения и режим улучшения. Опять же, транзисторы режима обеднения и улучшения дополнительно классифицируются на соответствующие N-канал и P-канал.

    Типы транзисторов

    Как упоминалось ранее, в более широком смысле, основные семейства транзисторов — это биполярные и полевые транзисторы.Независимо от того, к какому семейству они принадлежат, все транзисторы имеют правильное / специфическое расположение различных полупроводниковых материалов. Обычно используемые полупроводниковые материалы для изготовления транзисторов — это кремний, германий и арсенид галлия.

    В основном транзисторы классифицируются в зависимости от их конструкции. У каждого типа транзисторов есть свои особенности, достоинства и недостатки.

    Говоря физически и структурно, разница между BJT и FET заключается в том, что в BJT для работы требуются как основные, так и неосновные носители заряда, тогда как в случае полевых транзисторов требуются только основные носители заряда.

    Исходя из своих свойств и характеристик, некоторые транзисторы в основном используются для целей переключения (MOSFET), а с другой стороны, некоторые транзисторы используются для целей усиления (BJT). Некоторые транзисторы предназначены как для усиления, так и для переключения.

    Переходные транзисторы

    Переходные транзисторы обычно называют биполярными переходными транзисторами (BJT). Термин «биполярный» означает, что для проведения тока требуются и электроны, и дырки, а термин «переход» означает, что он содержит PN-переход (фактически, два перехода).

    BJT имеют три терминала с именами эмиттер (E), база (B) и коллектор (C). Транзисторы BJT подразделяются на транзисторы NPN и PNP в зависимости от конструкции.

    BJT — это, по сути, устройства с управлением по току. Если через базу BJT-транзистора протекает небольшой ток, это вызывает протекание большого тока от эмиттера к коллектору. Биполярные переходные транзисторы имеют низкий входной импеданс, что приводит к протеканию через транзистор большого тока.

    Биполярные переходные транзисторы включаются только входным током, который подается на клемму базы. БЮТ могут работать в трех регионах. Это:

    • Область отсечки: здесь транзистор находится в состоянии «ВЫКЛ», то есть ток, протекающий через транзистор, равен нулю. По сути, это открытый переключатель.
    • Активная область: здесь транзистор действует как усилитель.
    • Область насыщения: здесь транзистор находится в полностью «ВКЛЮЧЕННОМ» состоянии, а также работает как замкнутый переключатель.
    Транзистор NPN

    NPN — это один из двух типов транзисторов с биполярным переходом (BJT). Транзистор NPN состоит из двух полупроводниковых материалов n-типа, разделенных тонким слоем полупроводника p-типа. Здесь основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями заряда являются дырки. Поток электронов от эмиттера к коллектору контролируется током в клемме базы.

    Небольшой ток на выводе базы вызывает протекание большого тока от эмиттера к коллектору.В настоящее время наиболее часто используемым биполярным транзистором является транзистор NPN, поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок. Стандартное уравнение для токов, протекающих в транзисторе:

    I E = I B + I C

    Символы и структура для транзисторов NPN приведены ниже.

    PNP-транзистор

    PNP — это еще один тип биполярных переходных транзисторов (BJT). Транзисторы PNP содержат два полупроводниковых материала p-типа и разделены тонким слоем полупроводника n-типа.Основными носителями заряда в транзисторах PNP являются дырки, а электроны — неосновные носители заряда. Стрелка на выводе эмиттера транзистора указывает протекание обычного тока. В транзисторе PNP ток течет от эмиттера к коллектору.

    Транзистор PNP включен, когда клемма базы подтянута к НИЗКОМУ по отношению к эмиттеру. Символ и структура транзистора PNP показаны ниже.

    FET (Полевой транзистор)

    Полевой транзистор (FET) — еще один основной тип транзисторов.По сути, у полевого транзистора также есть три терминала (как у BJT). Три терминала: ворота (G), слив (D) и источник (S). Полевые транзисторы подразделяются на полевые транзисторы с переходным эффектом (JFET) и полевые транзисторы с изолированным затвором (IG-FET) или полевые транзисторы с металлооксидным полупроводником (MOSFET).

    Для соединений в цепи мы также рассматриваем четвертую клемму под названием Base или Substrate. Полевые транзисторы контролируют размер и форму канала между источником и стоком, который создается напряжением, приложенным к затвору.

    Полевые транзисторы являются однополярными устройствами, поскольку для их работы требуется только большинство носителей заряда (в отличие от BJT, которые являются биполярными транзисторами).

    JFET (Переходно-полевой транзистор)

    Переходный полевой транзистор (JFET) — это самый ранний и простой тип полевого транзистора. Полевые транзисторы JFET используются в качестве переключателей, усилителей и резисторов. Этот транзистор представляет собой устройство, управляемое напряжением. Ему не нужен ток смещения.

    Напряжение, приложенное между затвором и истоком, управляет потоком электрического тока между истоком и стоком транзистора.Транзисторы JFET доступны как в N-канальном, так и в P-канальном исполнении.

    Полевой транзистор с N-каналом

    В полевом транзисторе с N-каналом протекание тока происходит за счет электронов. Когда между затвором и истоком подается напряжение, между истоком и стоком образуется канал для протекания тока. Этот канал называется N – Channel. В настоящее время JFET с N-каналом являются более предпочтительным типом, чем JFET с P-каналом. Обозначения для N-канального JFET-транзистора приведены ниже.

    P – Channel JFET

    В этом типе JFET ток протекает из-за дыр.Канал между истоком и стоком называется P-каналом. Обозначения для полевых транзисторов с P-каналом приведены ниже. Здесь стрелки указывают направление тока.

    MOSFET

    Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET) является наиболее часто используемым и самым популярным типом среди всех транзисторов. Название «Оксид металла» указывает на то, что область затвора и канал разделены тонким слоем оксида металла (обычно SiO 2 ).

    Следовательно, полевой МОП-транзистор также известен как полевой транзистор с изолированным затвором, поскольку область затвора полностью изолирована от области истока-стока.Существует дополнительный вывод, известный как подложка или тело, который является основным полупроводником (кремнием), в котором изготовлен полевой транзистор. Итак, полевой МОП-транзистор имеет четыре вывода: сток, исток, затвор и корпус или подложку.

    MOSFET имеет много преимуществ перед BJT и JFET, в основном он предлагает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. Он используется в коммутационных и силовых цепях и является основным компонентом технологий проектирования интегральных схем.

    MOSFET-транзисторы доступны в вариантах с истощением и расширением.Кроме того, типы истощения и улучшения подразделяются на типы с N-каналом и P-каналом.

    N-канальный MOSFET

    MOSFET, имеющий N-канальную область между истоком и стоком, называется N-канальным MOSFET. Здесь выводы истока и затвора сильно легированы материалами n-типа, расположенными в сильно легированном полупроводниковом материале p-типа (подложке).

    Ток между истоком и стоком возникает из-за электронов. Напряжение затвора контролирует протекание тока в цепи.MOSFET с N-каналом используется чаще, чем MOSFET с P-каналом, поскольку подвижность электронов выше, чем подвижность дырок.

    Символы и структуры для N-канальных MOSFET-транзисторов приведены ниже (как в режиме улучшения, так и в режиме истощения).

    MOSFET с P-каналом

    MOSFET, имеющий область P-канала между истоком и стоком, называется MOSFET с P-каналом. Здесь выводы истока и стока сильно легированы материалом P-типа, а подложка легирована материалом N-типа.Ток между истоком и стоком обусловлен концентрацией дырок. Приложенное напряжение на затворе будет управлять потоком тока через область канала.

    Символы и структуры для P-канальных MOSFET-транзисторов приведены ниже (как в режиме улучшения, так и в режиме истощения).

    Транзисторы в зависимости от функции

    Транзисторы также классифицируются в зависимости от выполняемых ими функций (операций или приложений). Ниже описаны различные типы транзисторов в зависимости от их функции.

    Малосигнальные транзисторы

    Основная функция малосигнальных транзисторов заключается в усилении слабых сигналов, но иногда эти транзисторы также используются для переключения. Малосигнальные транзисторы доступны на рынке в виде транзисторов NPN и PNP. Обычно мы можем увидеть какое-то значение, напечатанное на корпусе малосигнального транзистора, которое указывает на hFE транзистора.

    В зависимости от этого значения hFE мы можем понять способность транзистора усиливать сигнал.Обычно доступные значения hFE находятся в диапазоне от 10 до 500. Значение тока коллектора этих транзисторов составляет от 80 до 600 мА. Этот тип транзисторов работает в диапазоне частот от 1 до 300 МГц. Само название транзистора указывает на то, что эти транзисторы усиливают слабые сигналы, которые используют небольшие напряжения и токи, такие как несколько милливольт и миллиампер тока.

    Малосигнальные транзисторы используются почти во всех типах электронного оборудования, а также эти транзисторы используются в нескольких приложениях, некоторые из них являются переключателями ВКЛ или ВЫКЛ для общего использования, драйвером светодиодного диода, драйвером реле, функцией отключения звука, таймером схемы, инфракрасный диодный усилитель, цепи питания смещения и т. д.

    Малые переключающие транзисторы

    Малые переключающие транзисторы — это те транзисторы, которые в основном используются для переключения, но иногда и для усиления. Как и малосигнальные транзисторы, небольшие переключающие транзисторы также доступны в форме NPN и PNP, и эти типы транзисторов также имеют значения hFE.

    Диапазон значений hFE для этих транзисторов составляет от 10 до 200. При значении hFE 200 транзисторы не являются хорошими усилителями, но действуют как лучшие переключатели.Диапазон значений тока коллектора от 10 до 1000 мА. Эти транзисторы используются в основном в коммутационных устройствах.

     

    Силовые транзисторы

    Транзисторы, которые используются в мощных усилителях и источниках питания, называются силовыми транзисторами. Коллекторный вывод этого транзистора подключен к основанию металлического устройства, и эта структура действует как теплоотвод, который рассеивает избыточную мощность для приложений.

    Эти типы транзисторов доступны в виде транзисторов NPN, PNP и Дарлингтона.Здесь значения тока коллектора находятся в диапазоне от 1 до 100 А. Диапазон рабочих частот от 1 до 100 МГц. Значения мощности этих транзисторов находятся в диапазоне от 10 до 300 Вт. Само название транзистора указывает на то, что силовые транзисторы используются в приложениях, где требуются высокая мощность, высокое напряжение и большой ток.

     

    Высокочастотные транзисторы

    Высокочастотные транзисторы используются для небольших сигналов, которые работают на высоких частотах, и они используются в приложениях для высокоскоростной коммутации.Высокочастотные транзисторы также называют РЧ-транзисторами.

    Эти транзисторы имеют максимальные значения частоты около 2000 МГц. Значение тока коллектора (I C ) составляет от 10 до 600 мА. Эти типы транзисторов также доступны в форме NPN и PNP. Они в основном используются в приложениях с высокочастотными сигналами, а также эти транзисторы должны быть включены или выключены только на высоких скоростях. Эти транзисторы используются в схемах генераторов и усилителей HF, VHF, UHF, CATV и MATV.

    Фототранзистор

    Фототранзисторы — это транзисторы, которые работают в зависимости от света, то есть эти транзисторы светочувствительны. Простой фототранзистор — это не что иное, как биполярный транзистор, который содержит светочувствительную область вместо клеммы базы.

    Фототранзисторы имеют только 2 вывода вместо 3 (в BJT). Когда светочувствительная область темная, то в транзисторе не течет ток, то есть транзистор находится в выключенном состоянии.

    Когда светочувствительная область подвергается воздействию света, на выводе базы генерируется небольшой ток, который вызывает протекание большого тока от коллектора к эмиттеру. Фототранзисторы доступны как в типах транзисторов BJT, так и на полевых транзисторах. Они называются фото-BJT и фото-FET.

    В отличие от фото-BJT, фото-полевые транзисторы генерируют напряжение затвора с помощью света, который контролирует ток между выводами стока и истока. Фото-полевые транзисторы более чувствительны к свету, чем фото-полевые транзисторы.Символы фото-BJT и фото-полевых транзисторов показаны выше.

    Однопереходные транзисторы (UJT)

    Однопереходные транзисторы (UJT) используются только в качестве переключателей с электрическим управлением. Эти транзисторы не имеют каких-либо усилительных характеристик из-за своей конструкции. Обычно это трехпроводные транзисторы, в которых два называются базовыми клеммами, а третий — эмиттером.

    Теперь посмотрим на работу однопереходного транзистора.Если нет разницы потенциалов между эмиттером и любым из выводов базы (B1 или B2), то между B1 и B2 протекает небольшой ток.

    Если на вывод эмиттера подается достаточное количество напряжения, то на выводе эмиттера генерируется большой ток, который добавляется к небольшому току между B1 и B2, что затем вызывает протекание большого тока в транзисторе.

    Здесь ток эмиттера является основным источником тока для управления полным током в транзисторе.Ток между выводами B1 и B2 очень мал, и по этой причине эти транзисторы не подходят для целей усиления.

    Что такое транзистор? Типы, использование, принцип работы

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

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

    Типы транзисторов и условные обозначения их схем

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

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

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

    BJT: символы цепей NPN и PNP

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

    Как работает BJT?

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

    Ref

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

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

    Что такое полевой транзистор и как он работает?

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

    Как работает полевой транзистор

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

    Схема полевого МОП-транзистора
    • Блок, также известный как подложка полупроводника p-типа, действует как основа для полевого МОП-транзистора
    • Две стороны этой подложки p-типа сделаны сильно легированными примесью n-типа (обозначена как n +)
      • Выводы стока (исток и сток) затем выводятся из этих двух концевых областей
    • Вся поверхность подложки покрыта слоем диоксида кремния
      • Диоксид кремния действует как изоляция
    • Тонкая Затем поверх диоксида кремния помещается изолированная металлическая пластина, действующая как пластина конденсатора.
      • Вывод затвора затем выводится из тонкой металлической пластины
    • Затем формируется цепь постоянного тока путем подключения источника напряжения между этими двумя Области n-типа (отмечены красным)

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

    BJT против MOSFET транзистора

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

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

    Какой транзистор выбрать?

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

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

    Применения транзистора

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

    Транзисторы как переключатели

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

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

    Транзисторы в качестве усилителя

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

    Рекомендуемые транзисторы для использования

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

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

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

    Grove — МОП-транзистор Grove — MOSFET

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

    Особенности:

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

    Благодаря нашей системе Grove вы также сможете использовать наши кабели Grove в режиме Plug and Play, легко добавить или удалить этот транзистор в свой электронный проект!

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

    Сводка

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

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

    Следите за нами и ставьте лайки:

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

    Продолжить чтение

    Транзистор

    : Типы транзисторов | Infoplease

    Транзистор представляет собой набор полупроводниковых материалов, которые имеют общие физические границы.Чаще всего используются кремний, арсенид галлия и германий, в которые были введены примеси с помощью процесса, называемого легированием . В полупроводниках типа n примеси или легирующие примеси приводят к избытку электронов или отрицательным зарядам; в полупроводниках типа p легирующие примеси приводят к недостатку электронов и, следовательно, к избытку положительных носителей заряда или дырок.

    Переходный транзистор n-p-n состоит из двух полупроводников типа n (называемых эмиттером и коллектором), разделенных тонким слоем полупроводника типа p (называемым базой).Действие транзистора таково, что, если электрические потенциалы на сегментах определены правильно, небольшой ток между соединениями базы и эмиттера приводит к большому току между соединениями эмиттера и коллектора, что приводит к усилению тока. Некоторые схемы предназначены для использования транзистора в качестве переключающего устройства; Ток в переходе база-эмиттер создает путь с низким сопротивлением между коллектором и эмиттером. Переходный транзистор p-n-p , состоящий из тонкого слоя полупроводника типа n , лежащего между двумя полупроводниками типа p , работает таким же образом, за исключением того, что все полярности поменяны местами.

    Очень важным типом транзистора, разработанным после переходного транзистора, является полевой транзистор (FET). Он практически не потребляет мощность от входного сигнала, преодолевая главный недостаток переходного транзистора. Полевой транзистор с каналом n состоит из стержня (канала) из полупроводникового материала типа n , который проходит между двумя небольшими участками материала типа p рядом с его центром и контактирует с ними. Клеммы, прикрепленные к концам канала, называются истоком и стоком; те, которые присоединены к двум областям типа p , называются воротами.Напряжение, приложенное к затворам, направлено таким образом, чтобы не было тока на переходах между материалами типа p — и n ; по этой причине его называют обратным напряжением. Изменения величины обратного напряжения вызывают изменения сопротивления канала, позволяя обратному напряжению управлять током в канале. Устройство с каналом p работает таким же образом, но с обратной полярностью.

    Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET) представляет собой вариант, в котором одиночный затвор отделен от канала слоем оксида металла, который действует как изолятор или диэлектрик.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.