Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Транзисторы: назначение, устройство и принципы работы

Что означает название “транзистор”

Первоначально все транзисторы называли полупроводниковыми триодами. Термин «транзистор» можно разделить на две составляющие: «трансфер» – передача, преобразование; «резистор» – электрическое сопротивление. Поэтому понятие «транзистор» определяется как преобразователь сопротивления. Такое объяснение совпадает и с принципом работы транзистора: транзистор открыт – сопротивление стремится к нулю, транзистор закрыт – сопротивление большое.

Применение транзисторов

Изначально транзисторы пришли на смену электрическим лампам в схемах усиления электрических сигналов в радиотехнике. Принцип действия любого усилителя достаточно прост: маломощный входной сигнал в электрической схеме с дополнительным источником питания получает усиление по амплитуде. Другими словами, транзистор позволяет управлять маломощным входным воздействием мощными потоками энергии.

В большинстве схем усиления сигналов транзисторы используются в качестве управляемого сопротивления с маломощным входным сигналом задания.

Схемы управления в радиоэлектронике строятся на базе источников постоянного напряжения. Входной управляющий сигнал изменяет внутреннее сопротивление транзистора, формируя переменный сигнал на выходе транзистора. В соответствии с этим формируется ток в цепи нагрузки транзистора.

Электропроводность и строение атома

Электропроводность любого материала определяется строением его атомов. В начале ХХ века Нильс Бор ввел понятие «планетарной модели атома», которая представлена на рисунке ниже.

Согласно этой модели атом состоит из ядра (протоны и нейтроны), вокруг которого по орбитам вращаются заряженные частицы (электроны). Ядро имеет общий положительный заряд за счет наличия протонов. Количество протонов и электронов в ядре уравновешено, что позволяет атому находиться в состоянии электрического равновесия. При потере электрона атом превращается в положительно заряженный ион; при присоединении атомом чужого электрона – атом превращается в отрицательный ион. Строение атома рассмотрим на примере кремния (Si).

По таблице Менделеева можно определить строение любого атома. Так для кремния распределение электронов по орбитам будет выглядеть как 2-8-4. В любом атоме орбиты имеют сферический характер, однако для упрощения примем все орбиты движения электронов как расположенные в одной плоскости.

Свойства материала определяют электроны, расположенные на внешней орбите (валентные электроны), которые принимают участие в образовании молекул из нескольких атомов. Валентные электроны способны отрываться от атома и создавать электрический ток. Именно эти носители заряда и определяют полупроводниковые свойства транзисторов.



Всего комментариев: 0


Устройство и принцип работы биполярного транзистора.

Всем доброго времени суток! В сегодняшней статье мы положим начало обсуждению очень важной и обширной темы, а именно транзисторам 🙂 Разберем теоретические аспекты работы, устройство, виды, рассмотрим принцип работы на практических примерах, методику расчета схем, в общем, постараемся затронуть абсолютно все!

Чтобы обсуждение было максимально структурированным и понятным, материал будет разбит на четкие разделы и разные статьи. А, поскольку транзисторы сразу же можно разделить на два крупных класса, а именно — биполярные и полевые, то так и поступим — начнем с подробного разбора биполярных и, изучив их полностью, перейдем к полевым.

Устройство биполярного транзистора.

И, первым делом, мы рассмотрим устройство биполярного транзистора и химические процессы, протекающие в нем. И в этом нам очень поможет статья о p-n переходе (ссылка), поскольку ключевые понятия мы будем использовать те же самые. Ведь транзистор есть ни что иное как три полупроводниковые области, которые формируют между собой два p-n перехода.

Кстати транзистор называется биполярным, потому что в переносе заряда участвуют и дырки, и электроны.

Итак, биполярный транзистор состоит из 3-х полупроводниковых областей. Причем тип примесной проводимости у этих областей чередуется:

То есть мы получаем два вида биполярных транзисторов — n-p-n и p-n-p. Давайте дальше все обсуждение строить на примере n-p-n транзисторов, суть для p-n-p будет такой же:

Называются эти три полупроводниковые области:

  • эмиттер
  • база
  • коллектор

Тип проводимости эмиттера и коллектора одинаковый, но технологически они отличаются довольно значительно. Во-первых, общая область перехода база-эмиттер намного меньше общей области перехода база-коллектор. Зачем так сделано мы разберемся чуть позже. И, во-вторых, область коллектора содержит намного меньше примесей, чем область эмиттера.

Принцип работы биполярного транзистора.

Итак, транзистор содержит два p-n перехода (эмиттер-база и база-коллектор). Если не прикладывать к выводам транзистора никаких внешних напряжений, то на каждом из p-n переходов формируются области, обедненные свободными носителями заряда. Все в точности так же как здесь 🙂

В активном же режиме переход эмиттер-база (эмиттерный переход) имеет прямое смещение, а коллекторный переход — обратное.

Так как переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, то внешнее электрическое поле будет перемещать электроны из области эмиттера в область базы. Там они частично будут вступать во взаимодействие с дырками и рекомбинировать.

Но большая часть электронов доберется до перехода база-коллектор (это связано с тем, что область базы конструктивно выполняется очень тонкой и содержит небольшой количество примесей), который смещен уже в обратном направлении. И в этом случае внешнее электрическое поле снова будет содействовать электронам, а именно помогать им проскочить в область коллектора.

В результате получается, что ток коллектора приблизительно равен току эмиттера:

I_к = \alpha I_э

Коэффициент \alpha численно равен 0.9…0.99. В то же время:

I_э = I_б + I_к

А что произойдет, если мы увеличим ток базы? Это приведет к тому, что переход эмиттер-база откроется еще сильнее, и большее количество электронов смогут попасть в область коллектора (все по тому же маршруту, который мы обсудили 🙂 ).

Давайте выразим ток эмиттера из первой формулы, подставим во вторую и получим:

I_э = \frac{I_к}{\alpha}

\frac{I_к}{\alpha} = I_б + I_к

Выражаем ток коллектора через ток базы:

I_к = \frac{\alpha}{1 — \alpha} I_б = \beta I_б

Коэффициент \beta обычно составляет 100-500. Таким образом, незначительный ток базы управляет гораздо большим током коллектора. В этом и заключается принцип работы биполярного транзистора!

Коэффициент, связывающий величину тока коллектора с величиной тока базы называют коэффициентом увеличения по току и обозначают h_{21}. Этот коэффициент является одной из основных характеристик биполярного транзистора. В следующих статьях мы будем рассматривать схемы включения транзисторов и подробнее разберем этот параметр и его зависимость от условий эксплуатации.

Режимы работы биполярного транзистора.

Итак, мы рассмотрели активный режим работы транзистора

(переход эмиттер-база открыт, переход коллектор-база закрыт), не обойдем вниманием и другие 🙂

Режим отсечки. Оба p-n перехода закрыты. Причем важно отметить, что переход эмиттер-база открывается начиная с некоторого значения приложенного прямого напряжения (не с нуля). Это напряжение обычно составляет около 0.6 В. То есть в режиме отсечки либо оба перехода смещены в обратном направлении, либо коллекторный переход — в обратном, а эмиттерный — в прямом, но величина напряжения не превышает 0.6 В.

В данном режиме переходы сильно обеднены свободными носителями заряда и протекание тока практически полностью прекращается. Исключение составляют только малые побочные токи переходов. В идеальном случае (без токов утечки) транзистор в режиме отсечки эквивалентен обрыву цепи.

Режим насыщения. Оба перехода открыты, и в результате основные носители заряда активно перемещаются из коллектора и эмиттера в базу. В базе возникает избыток носителей заряда, ее сопротивление и сопротивление p-n переходов уменьшается и между эмиттером и коллектором начинает течь ток. В идеальном случае транзистор в таком режиме эквивалентен замыканию цепи.

Барьерный режим. Его мы обязательно еще разберем подробнее, вкратце, идея заключается в том, что база напрямую или через небольшое сопротивление соединена с коллектором. Это эквивалентно использованию диода с последовательно подключенным сопротивлением.

Вот и все самые основные режимы работы биполярного транзистора!

Еще очень многое нам предстоит обсудить в рамках изучения транзисторов, а на сегодня, заканчиваем статью! Спасибо за внимание и ждем вас на нашем сайте снова!

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 Vout

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.

Устройство биполярного транзистора и принцип действия

Рис. 1. Устройство n-p-n транзистора и его условное обозначение.

Биполярные транзисторы, определение, вольт – амперные характеристики, принцип работы и классификация полупроводниковых приборов мы подробно рассматривали на странице http://www.xn--b1agveejs.su/radiotehnika/202-bipolyarnye-tranzistory.html. Для того чтобы усвоить материал, одной статьи мало, две хорошо, а сотни статей еще лучше.

В этой статье рассмотрим принцип действия биполярных транзисторов на простом, доступном языке.

Биполярный транзистор состоит из двух p-n переходов, образованных слоями полупроводников с примесями. На рис. 1. показана самая простая конструкция n-p-n транзистора. Тонкий слой слабо легированного полупроводника р-типа (база) расположен между двумя более толстыми слоями n-типа (эмиттер и коллектор). Толщина базы может быть меньше одного микрона.

Принцип действия биполярного транзистора

Рис. 2. Иллюстрация работы транзистора: (а) тока базы нет, (б) ток базы течет.

На рис. 2. показан транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером. В схеме, приведенной на рис. 2.(a), ток базы не течет, а в схеме на рис. 2.(б) переключатель S замкнут, позволяя току из батареи В1 течь в базу транзистора. Сначала рассмотрим схему на рис. 2.(a). Важно отметить, что переход коллектор-база смещен в обратном направлении и имеющийся потенциальный барьер препятствует потоку основных носителей. Таким образом, пренебрегая утечкой, можно считать, что при разомкнутом ключе S коллекторный ток равен нулю. Теперь рассмотрим, что произойдет, когда ключ S замкнут (рис. 2.(б)). Переход база-эмиттер становится смещенным в прямом направлении, а переход коллектор-база остается смещенным в обратном направлении. Благодаря смещению перехода база-эмиттер в прямом направлении электроны из эмиттера n-типа посредством диффузии проходят по базе р-типа по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, по потенциальному барьеру «как с горки» быстро скатываются в коллектор, создавая тем самым в транзисторе коллекторный ток. Действие смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер напоминает открывание ворот и позволяет току протекать по цепи эмиттер-коллектор. Таков принцип действия биполярного транзистора.

Следующий момент требует объяснения. Почему электроны не рекомбинируют с дырками в базе р-типа в процессе диффузии в сторону коллектора? Ответ состоит в том, что базу делают совсем слабо легированной, то есть с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой; следовательно, имеется лишь малая вероятность того, что электрон будет перехвачен дыркой и рекомбинирует. Когда электрон рекомбинирует в области базы, происходит кратковременное нарушение равновесия, поскольку база приобретает отрицательный заряд. Равновесие восстанавливается с приходом дырки из базовой батареи В1 Батарея В1 является источником дырок для компенсации рекомбинирующих в базе, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-эмиттер поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока. Таким образом, транзистор является прибором, управляемым током. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока (hFE). Он должен равняться числу электронов в секунду, успешно проследовавших от эмиттера к коллектору, деленному на число рекомбинировавших. В типичном маломощном кремниевом транзисторе приблизительно 1 из 100 электронов рекомбинирует в базе, так что усиление тока имеет значение порядка 100.

Фактически в работе транзистора принимают участие как электроны, так и дырки, что отличает его от униполярного или полевого транзистора.

Ранее упоминалось, что при смещении p-n перехода в прямом направлении текущий по нему ток образуют как электроны, так и дырки. Но при рассмотрении смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер мы пока учитывали только электроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан практически, поскольку область эмиттера n-типа специально легируется очень сильно, чтобы обеспечить большое число свободных электронов, в то время как область базы легируется совсем слабо, и это дает настолько мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока через переход база-эмиттер. Эмиттер так сильно легирован, что напряжение лавинного пробоя перехода база-эмиттер обычно всего лишь 6 В. Этот факт нужно иметь в виду при работе с некоторыми переключающими схемами, где необходимо позаботиться о том, чтобы обратные смещения не были слишком большими. Но это обстоятельство может быть и полезным, поскольку переход база-эмиттер маломощного транзистора ведет себя как 6-вольтовый стабилитрон и иногда используется в этом качестве.

Эффекты второго порядка. Зависимость коллекторного тока от тока базы

Рис. 3. Типичная зависимость коллекторного тока от тока базы в маломощном кремниевом транзисторе.

На рис. 3. показан график зависимости коллекторного тока от тока базы для маломощного кремниевого транзистора: наблюдается линейная зависимость IC от IB в широком диапазоне значений коллекторного тока. Однако при малом токе базы коэффициент усиления тока несколько уменьшается. Этот эффект можно объяснить, рассматривая поведение электронов в базе: при очень малом базовом токе ничто не способствует электронам, попавшим из эмиттера в базу, достичь коллектора; только приблизившись к обедненному слою коллектор-база, они затягиваются полем. До этого электроны, совершая случайные блуждания, просто диффундируют сквозь базу, и любой из них может стать жертвой рекомбинации с какой-нибудь встретившейся дыркой. При больших значениях базового тока условия для электронов благоприятнее. Дырки, инжектируемые в виде базового тока, создают небольшое электрическое поле в базе, которое помогает электронам в их движении к обедненному слою. Таким образом, при умеренных токах коллектора (порядка 1 мА) коэффициент усиления тока будет больше, чем при малых токах коллектора (порядка 10 мкА).

При очень больших токах коллектора, когда заселенность базы дырками становится слишком большой, усиление начинает падать. База ведет себя так, как будто она легирована сильнее, чем это есть в действительности, так что значительная часть тока, текущего через эмиттерный переход, состоит из дырок, движущихся из базы в эмиттер так же, как полезные электроны, двигающиеся в другом направлении, к коллектору. Таким образом, все большая и большая часть базового тока является «пустой породой» и поэтому коэффициент усиления тока падает. Этот эффект важен в мощных усилителях, где он может приводить к искажению формы сигнала при больших токах коллектора.

В связи с тем, что зависимость коллекторного тока от тока базы является нелинейной, существуют два определения для коэффициента усиления тока транзистора в схеме с общим эмиттером. Коэффициент усиления постоянного тока получается просто делением тока коллектора на ток базы; его обозначают hFE В или β и он важен для переключающих схем. Однако в большинстве случаев, когда речь идет об усилении, мы имеем дело только с небольшими приращениями коллекторного тока, и более подходящим способом определения коэффициента усиления тока является отношение приращения коллекторного тока к приращению тока базы, которое называется коэффициентом усиления тока hfe или β в режиме малого сигнала. Из рис. 3. следует, что

hfe=ΔIC/ΔIB.

Для большинства практических целей можно считать, что hFE и hfe равны.

Ток утечки между коллектором и базой

Хотя переход коллектор-база смещен в обратном направлении, все же существует очень небольшой ток утечки из коллектора в базу, обозначаемый ICBO поскольку он измеряется с разомкнутой цепью эмиттера. В кремниевом транзисторе при комнатной температуре ICBO очень мал, обычно менее 0,01 мкА. Однако в случае, когда транзистор включен в схему с общим эмиттером и цепь базы разорвана, как показано на рис. 2.(a), ток ICBO протекающий по переходу коллектор-база, должен течь в эмиттер, для которого он неотличим от внешнего тока базы. Таким образом, ICBO усиливается транзистором, и ток утечки между коллектором и эмиттером возрастает до значения ICEO = hFE/ICBO которое может доходить до 1 мкА. Поскольку ток ICBO в значительной степени является результатом теплового нарушения связей, он увеличивается приблизительно вдвое с ростом температуры на каждые 18 градусов Цельсия. Когда ICBO становится сравнимым с нормальным током коллекторной цепи, транзистор обычно считается слишком горячим. Кремниевые p-n переходы могут работать до 200 °С, а германиевые, имеющие много больший ток утечки, только до 85 °С.

Когда кремниевый транзистор работает при комнатной температуре, токами ICBO и ICEO можно практически полностью пренебречь. В германиевом транзисторе при комнатной температуре (20 °С) ток ICBO имеет значение порядка 2 мкА, так что при hFE = 100 ток ICEO будет равен 200 мкА. Этот относительно большой ток утечки является той причиной, по которой германиевые транзисторы вышли из употребления, за исключением специальных целей, когда требуется малая разность потенциалов на германиевом p-n переходе, смещенном в прямом направлении.

n-p-n и p-n-p транзисторы

Описание работы транзистора, данное выше, относится к наиболее распространенным n-р-n транзисторам; также легко доступны р-n-р транзисторы, очень полезные для целого ряда комплементарных схем, так как они обладают характеристиками, идентичными с n-р-n транзисторами, но требуют напряжения питания противоположной полярности. Тогда как в n-р-n транзисторе ток коллектора состоит из электронов, в р-n-р транзисторе он состоит из дырок. Аналогично, ток базы является электронным током, а не дырочным. На рис. 4. показана структура р-n-р транзистора и его условное обозначение.

Рис. 4. Устройство р-n-р транзистора и его условное обозначение.

 

Материалы по теме:
Усилитель напряжения на биполярном транзисторе
Транзисторы – режим насыщения

Биполярный транзистор. Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Лекция 8

Лекция №8
Биполярный транзистор. Устройство и
принцип действия биполярного
транзистора. Способы включения и ВАХ
биполярного транзистора.
Bipolar transistor. Device and principle of
operation of a bipolar transistor. Methods
for switching on and VAC of a bipolar
transistor.
• Биполярные были разработаны в 1948 г. американскими
учеными Бардиным, Шокле, Браттеном.
• Транзистор – это электронный прибор с двумя
взаимодействующими р-n переходами и с тремя выводами.
Они были разработаны с тремя выводами: эмиттер, база,
коллектор.
• Bipolar transistors were developed in 1948 by the American
scientists Bardin, Shokle, Bratten.
• A transistor is an electronic device with two interacting p-n
junctions and three terminals. They were developed by three
conclusions: emitter, base, collector.
2
Биполярный
транзистор

трехполюсный
полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами. Он
состоит из чередующихся областей полупроводника, имеющих
электропроводность различных типов.
Bipolar transistor is a three-pole semiconductor device with
two p-n-junctions. It consists of alternating regions of a
semiconductor having electrical conductivity of various types.
3
В зависимости от последовательности
чередования n- и p-областей различают
транзисторы n–p–n- и p–n–p-типов.
Depending on the sequence of alternation
of n – and p-regions distinguish transistors n-pn – and p-n-p-types.
Центральная
область
транзистора,
называемая базой (Б), заключена между
коллектором (К) и эмиттером (Э).
The central region of the transistor called
by base (B) is concluded between a collector
(K) and the emitter (E).
4
Каждый из p-n-переходов транзистора может быть смещен либо в
прямом, либо в обратном направлениях. В зависимости от этого
различают четыре режима работы транзистора:
Each of the p-n transitions of the transistor can be shifted either in the forward
or reverse directions. Depending on this, there are four modes of operation of the
transistor:
1
• Активный (усиления) режим. Эмиттерный переход смещен в
прямом направлении, а коллекторный – в обратном.
• Active (gain) mode. The emitter junction is shifted in the forward
direction, and the collector – in the opposite.
2
• Режим отсечки. Оба перехода смещены в обратном направлении.
• Cut-off mode. Both transitions are offset in the opposite direction.
3
• Режим насыщения. Оба перехода смещены в прямом направлении
• Saturation mode. Both transitions are offset in the forward direction.
4
• Инверсный режим. Эмиттерный переход смещён в обратном
направлении, а коллекторный – в прямом.
• The inverse mode. The emitter junction is shifted in the opposite
direction, and the collector – in the forward direction.
5

6. Принцип работы биполярного транзистора The principle of operation of a bipolar transistor

Полный ток коллектора:
Full header current:
I К I Э I К 0
Во многих случаях IЭ >> IК0, и можно считать, что ток коллектора
определяется выражением. Разность между эмиттерным и коллекторным
токами в соответствии с первым законом Кирхгофа представляет собой
ток базы:
In many cases IE >> IC0, and it can be assumed that the collector current
is determined by the expression. The difference between the emitter and
collector currents in accordance with the first Kirchhoff law is the current
base:
IБ IЭ IК



1

6

Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны
соотношениями:
Currents of the transistor operating in the active mode are
connected by relations:
I э Iк Iб
I к I э

1
I б I б
7
• При чрезмерном коллекторном токе может возникать
тепловой пробой без предварительного электрического
пробоя, то есть без повышения напряжения на коллекторном
переходе до пробивного. Это явление, связанное с
перегревом коллекторного перехода в какой-то его части,
называется вторичным пробоем.
• With excessive collector current, thermal breakdown can
occur without preliminary electrical breakdown, that is, without
increasing the voltage at the collector junction to the breakdown.
This phenomenon, associated with overheating of the collector
junction in some part of it, is called a secondary breakdown.
8
• Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном
переходах сопровождается изменением толщины этих переходов.
В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют
модуляцией толщины базы.
• При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания
(«прокол» базы) – соединение коллекторного перехода с
эмиттерным. В этом случае область базы исчезает, и транзистор
перестает нормально работать.
• The change in the voltages at the collector and emitter junctions is
accompanied by a change in the thickness of these transitions. As a
result, the thickness of the base changes. This phenomenon is called
the modulation of the thickness of the base.
• With a very thin base, the effect of closing (“puncturing” the base)
– the connection of the collector junction with the emitter one – can
occur. In this case, the base area disappears, and the transistor stops
working normally.
9

10. Схемы включения Switching circuits

Различают три возможные схемы включения: с общей
базой, общим эмиттером, общим коллектором.
There are three possible schemes of inclusion: with a common
base, a common emitter, a common collector.
10
Общая база
Common base
Общий эмиттер
Common emitter
Общий коллектор
Common collector
11

12. Схема с общей базой (ОБ) The scheme with a common base (СВ)

• В этом случае для токов:
• In this case, the currents:
I Вх I э
I Вых I К
I Вх I Вых
12

13. Схема с общим эмиттером (ОЭ) The circuit with common emitter (CE)

I Вых

KI
I Вх

13

14.

Схема с общим коллектором (ОК) The common collector circuit (CC) В данном случае входной сигнал подается на базу транзистора, а выходная
нагрузка находится в цепи эмиттера.
In this case, the input signal is fed to the transistor base, and the output load is in the
emitter circuit.
I Вх I Б
I Вых I Э
14

15. Построение ВАХ транзистора в динамическом режиме The construction of the VAH characteristics of transistor in dynamic mode

Что бы построить входную
динамическую характеристику, нужно
для
каждого
напряжения
на
коллекторе, для которого имеется
статическая входная характеристика,
определить
по
выходной
динамической характеристике ток
базы.
To construct the output dynamic
characteristic, it is necessary for each
voltage on the collector, for which there
is a static input characteristic, to
determine
the
output
dynamic
characteristic current base.
15
Затем на входных статических
характеристиках следует отметить
точки,
которые
соответствуют
найденным значениям токов базы (A′ P′
B′). Соединив эти точки плавной
кривой (штрихпунктирная красная
линия)
получим
входную
динамическую
характеристику
транзистора.
Then
on
the
input
static
characteristics it is necessary to mark the
points that correspond to the found values
of the base currents (A′ P′ B′). By
connecting these points of the smooth
curve (dash-dot red line) we obtain the
input dynamic characteristic of the
transistor.
16
Слово
Транскрипция
Перевод
переход
|ˈdʒʌŋkʃn|
junction
полупроводник
|ˈsemɪkəndʌktər|
semiconductor
проводимость
|kənˈdʌkʃn|
conduction
вольт-амперная
характеристика
|vəʊlt-ˈamˌpɪr
ˌkærəktəˈrɪstɪk|
volt-ampere characteristic
электрон
|ɪˈlektrɑːn|
electron
запирающий слой
|ˈbærɪər ˈleɪər|
barrier layer
область
|fiːld|
field
обратное напряжение
|rɪˈvɜːrs ˈvəʊltɪdʒ|
reverse voltage
прямое напряжение
|ˈfɔːrwərd ˈvəʊltɪdʒ|
forward voltage
дырки
|həʊls|
holes
направление
|ruːt|
route
замыкание
|ˈlɑːkɪŋ|
locking
интегральная микросхема
|ˈɪntɪɡreɪtɪd ˈsɜːrkɪt|
integrated circuit
цепь транзистора
|trænˈzɪstər tʃeɪn|
transistor chain
концентрация
|ˌkɑːnsnˈtreɪʃn|
concentration
17

Принцип действия транзистора, внутреннее устройство и основные характеристики транзисторов.

Как устроен транзистор

Транзистор – прибор, работающий на полупроводниках с электронной начинкой. Он предназначен для превращения и усиления электрических сигналов. Различают два вида приборов: и униполярный транзистор, или полевой.

Если в транзисторе одновременно работают два вида носителей заряда – дырки и электроны, то он называется биполярным. Если в транзисторе работает только один тип заряда, то он является униполярным.

Представьте себе работу обыкновенного водяного крана. Повернули задвижку – поток воды усилился, повернули в другую сторону – поток уменьшился или прекратился. Практически в этом и заключаются принципы работы транзистора. Только вместо воды через него течет поток электронов. Принцип действия транзистора биполярного типа характерен тем, что через этот электронный прибор идут два вида тока. Они подразделяются на большой, или основной и маленький, или управляющий. Причем мощность управляющего тока влияет на мощность основного. Рассмотрим Принцип работы его отличается от других. В нем проходит лишь один которого зависит от окружающего

Биполярный транзистор делают из 3-х слоев полупроводника, а также, самое главное, из двух PN-переходов. Следует отличать PNP и NPN переходы, а, значит, и транзисторы. В этих полупроводниках идет чередование электронной и дырочной проводимости.

Биполярный транзистор имеет три контакта. Это база, контакт, выходящий из центрального слоя, и два электрода по краям – эмиттер и коллектор. По сравнению с этими крайними электродами прослойка базы очень тонкая. По краям транзистора область полупроводников не является симметричной. Для правильной работы данного прибора полупроводниковый слой, расположенный со стороны коллектора, должен быть пусть немного, но толще по сравнению со стороной эмиттера.

Принципы работы транзистора основаны на физических процессах. Поработаем с моделью PNP. Работа модели NPN будет подобной, за исключением полярности напряжения между такими основными элементами, как коллектор и эмиттер. Она будет направлена в противоположную сторону.

Вещество Р-типа содержит дырки или же положительно заряженные ионы. Вещество N-типа состоит из отрицательно заряженных электронов. В рассматриваемом нами транзисторе количество дырок в области Р намного больше количества электронов в области N.

При подключении источника напряжения между такими частями, как эмиттер и коллектор принципы работы транзистора основаны на том, что дырки начинают притягиваться к полюсу и собираться возле эмиттера. Но ток не идет. Электрическое поле от источника напряжения не доходит до коллектора из-за толстой прослойки полупроводника эмиттера и прослойки полупроводника базы.
Тогда подключим источник напряжения уже с другой комбинацией элементов, а именно между базой и эмиттером. Теперь дырки направляются к базе и начинают взаимодействовать с электронами. Центральная часть базы насыщается дырками. В результате образуется два тока. Большой – от эмиттера к коллектору, маленький – от базы к эмиттеру.

При увеличении напряжения в базе в прослойке N будет еще больше дырок, увеличится ток базы, немного усилится ток эмиттера. Значит, при малом изменении тока базы достаточно серьезно усиливается ток эмиттера. В результате мы получаем рост сигнала в биполярном транзисторе.

Рассмотрим принципы работы транзистора в зависимости от режимов его работы. Различают нормальный активный режим, инверсный активный насыщения, режим отсечки.
При активном режиме работы эмиттерный переход открыт, а коллекторный переход закрыт. В инверсионном режиме все происходит наоборот.

Что означает название “транзистор”

Транзистор не сразу получил такое привычное название. Первоначально, по аналогии с ламповой техникой его называли полупроводниковым триодом . Современное название состоит из двух слов. Первое слово – «трансфер», (тут сразу вспоминается «трансформатор») означает передатчик, преобразователь, переносчик. А вторая половина слова напоминает слово «резистор», – деталь электрических схем, основное свойство которой электрическое сопротивление.

Именно это сопротивление встречается в законе Ома и многих других формулах электротехники. Поэтому слово «транзистор» можно растолковать, как преобразователь сопротивления. Примерно так же, как в гидравлике изменение потока жидкости регулируется задвижкой. У транзистора такая «задвижка» изменяет количество электрических зарядов, создающих электрический ток. Это изменение есть не что иное, как изменение внутреннего сопротивления полупроводникового прибора.

Усиление электрических сигналов

Наиболее распространенной операцией, которую выполняют транзисторы , является усиление электрических сигналов . Но это не совсем верное выражение, ведь слабый сигнал с микрофона таковым и остается.

Усиление также требуется в радиоприеме и телевидении: слабый сигнал с антенны мощностью в миллиардные доли ватта необходимо усилить до такой степени, чтобы получить звук или изображение на экране. А это уже мощности в несколько десятков, а в некоторых случаях и сотен ватт. Поэтому процесс усиления сводится к тому, чтобы с помощью дополнительных источников энергии, полученной от блока питания, получить мощную копию слабого входного сигнала. Другими словами маломощное входное воздействие управляет мощными потоками энергии.

Усиление в других областях техники и природе

Такие примеры можно найти не только в электрических схемах. Например, при нажатии педали газа увеличивается скорость автомобиля. При этом на педаль газа нажимать приходится не очень сильно – по сравнению с мощностью двигателя мощность нажатия на педаль ничтожна. Для уменьшения скорости педаль придется несколько отпустить, ослабить входное воздействие. В этой ситуации мощным источником энергии является бензин.

Такое же воздействие можно наблюдать и в гидравлике: на открытие электромагнитного клапана, например в станке, энергии, идет совсем немного. А давление масла на поршень механизма способно создать усилие в несколько тонн. Это усилие можно регулировать, если в маслопроводе предусмотреть регулируемую задвижку, как в обычном кухонном кране. Чуть прикрыл – давление упало, усилие снизилось. Если открыл побольше, то и нажим усилился.

На поворот задвижки тоже не требуется прилагать особых усилий. В данном случае внешним источником энергии является насосная станция станка. И подобных воздействий в природе и технике можно заметить великое множество. Но все-таки нас больше интересует транзистор, поэтому далее придется рассмотреть…

Усилители электрических сигналов

С каждым годом появляется все больше и больше электронных средств, а они часто ломаются. На ремонт уходит немало средств, порой, достигая до 50 процентов от стоимости аппарата. И что досадно, некоторые из этих поломок можно было устранить самому, имея начальные знания о том, как работает транзистор. Почему он? Именно транзисторы чаще всего выходят из строя.

Виды транзистора

Чтобы легче разобраться в работе транзистора, необходимо иметь представление о нем. Он является полупроводником, что указывает на его способность проводить ток в одном направлении и не пропускать в другом. Чтобы достичь таких характеристик используются разные способы изготовления. Все эти приборы по своему характеру работы делятся на две группы :

  1. биполярные
  2. полярные

Хотя и те и другие относятся к одному классу – транзисторы, происходящие в них процессы сильно отличаются.

Биполярный

Движение электронов по замкнутой цепи называется электрическим током. Грубо говоря, чем больше электронов, тем больше ток. Если атом отдает электроны, он становится положительно заряженным и, наоборот, притягивая лишние электроны, он становится отрицательно заряженным.

При добавлении в кремний и германий примесей они становятся необходимым материалом, из которых и изготавливаются биполярные транзисторы.

Биполярными называются электронные приборы, состоящие из двух, имеющие разные заряды слоев . Причем два крайних имеют одинаковый заряд. Тот слой, который имеет положительный заряд, называется «p», а отрицательный – «n». В связи с этим различают следующие типы:

Граница между этими слоями называется переход . Внутреннюю область, разделенную двумя переходами, называют базой. Две внешние области называют эмиттер и коллектор. Монокристалл изготовлен таким образом, что одна внешняя область передает в базу носители энергии и называется эмиттером. Другая внешняя область забирает эти носители и называется коллектором.

На электрической схеме биполярный транзистор обозначается в виде круга, внутри которого нарисована черточка, а к ней подходят три прямые. Одна подходит под углом в 90 градусов и обозначает базу, две другие под наклоном. Та из них что имеет стрелку обозначает эмиттер, другая – коллектор. Сам прибор, как правило, имеет три вывода, соответствующих этим областям.

Полевой

Другой вид называется полевой или униполярный. В отличие от биполярного p-n переход работает иначе. Его монокристалл имеет однородный состав. Канал, по которому движутся энергоносители, может быть дырочным или электронным. В дырочном носителем являются положительно заряженные неподвижные ионы, в электронном – отрицательно заряженные. Эти каналы также обозначаются буквами «p» и «n» соответственно.

Вокруг и почти по всей длине этого канала впрыскиваются, вживляются ионы противоположной полярности . Эта область называется затвором, она-то и регулирует проводимость канала. Тот край канала, через который заряженные частицы входят в кристалл, называется исток, а через который выходят – стоком.

Для улучшения электрических характеристик между металлическим каналом и затвором стали добавлять диэлектрик. Если классифицировать транзисторы по структуре, то можно выделить два семейства:

  • МДП (к ним можно отнести и МОП – металл-оксид-проводник)

МДП расшифровывается как металл-диэлектрик-проводник. Это полевой. Новый JGBT транзистор сочетает в себе достоинства биполярного, но имеет изолированный затвор.

Принцип действия

Один из сложных радиоэлементов – транзистор. Принцип работы его сводится к следующему :

  • регулировка
  • усиление
  • генерация

Биполярные обладают большей мощностью и могут работать с большими частотами. Однако, если нужен широкий спектр усиления, то без полевого не обойтись.

Работа полевого

Рассмотрим, как работает транзистор. Для начинающих радиолюбителей трудно разобраться во всех этих переходах. Чтобы показать принцип работы транзистора простым языком, обратим внимание на следующий пример .

Водопроводный кран вентильного типа способен очень плавно менять напор воды. Это достигается благодаря постепенному изменению пропускного отверстия. На этом же принципе основана работа и полевого транзистора.

Затвор окружает пропускной канал. При подаче на него запирающего напряжения, электрическое поле как бы сдавливает проход, тем самым уменьшая поток заряженных частиц. Как и при закрывании крана необходимо прилагать небольшое усилие, так и мощность затвора, по сравнению с основным каналом, очень мала. Сходство также и в том, что при небольших изменениях напряжения на затворе, сечение прохода также меняется незначительно.

Как работает биполярный

Работа биполярного прибора несколько отличается от работы полевого . В первую очередь отличается способ управления движением заряженных частиц. В полевом используется электрическое поле, в биполярном – ток между базой и эмиттером.

В зависимости от типа прибора стрелочка эмиттера на схеме будет либо направлена к базе, тогда это тип p-n-p, либо от базы, тогда это n-p-n. При подключении к этим зажимам одноименного напряжения («p» подключается к «+”, а «n» подключается к «-“) в цепи эмиттер – база возникает ток. В базе появляется больше носителей заряда и их становится тем больше, чем больше ток в этой цепи.

К коллектору подводится обратное напряжение, т. е. к «p» подключается «-“, а к «n» – «+”. Поскольку между эмиттером и коллектором возникает разность потенциалов, между этими выводами появляется ток. Он будет тем больше, чем больше носителей заряда имеется в базе.

Когда к эмиттеру и базе подключают источник питания противоположного знака, ток прекращается, транзистор закрывается. Что поможет лучше понять работу транзистора? Для чайников важно понять одну истину. Если открыт переход эмиттер – база (подается прямое напряжение), то открыт и сам прибор, в противном случае он закрыт .

Меры предосторожности

Полевые транзисторы очень чувствительны к повышенному напряжению. При работе с ними необходимо предотвратить возможность попадания на них статистического напряжения. Этого можно достичь надев заземленный браслет. При подборе аналога важно учитывать не только рабочее напряжение, но и допустимый ток. А если прибор работает в частотном режиме, то и его частоту.

Вне зависимости от принципа работы, полупроводниковый транзистор содержит в себе монокристалл из основного полупроводникового материала, чаще всего это – кремний, германий, арсенид галлия. В основной материал добавлены, легирующие добавки для формирования p-n перехода(переходов), металлические выводы.

Кристалл помещается в металлический, пластиковый или керамический корпус, для защиты от внешних воздействий. Однако, существуют также и бескорпусные транзисторы.

Принцип работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор может быть либо p-n-p, либо n-p-n в зависимости от чередования слоев полупроводника в кристалле. В любом случае выводы называются – база, коллектор и эмиттер. Слой полупроводника, соответствующий базе заключен между слоями эмиттера и коллектора. Он имеет принципиально очень малую ширину. Носители заряда движутся от эмиттера через базу – к коллектору. Условием возникновения тока между коллектором и эмиттером является наличие свободных носителей в области базы. Эти носители проникают туда при возникновении тока эмиттер-база. причиной которого может являться разность напряжения между этими электродами.

Т.е. – для нормальной работы биполярного транзистора в качестве усилителя сигнала всегда необходимо присутствие напряжения некого минимального уровня, для смещения перехода эмиттер-база в прямом направлении. Прямое смещение перехода база-эмиттер приоткрывая транзистор, задает так называемую – рабочую точку режима. Для гармоничного усиления сигнала по напряжению и току используют режим – А. В этом режиме напряжение между коллектором и нагрузкой, примерно равно половине питающего напряжения – т. е выходное сопротивление транзистора и нагрузки примерно равны. Если подавать теперь на переход база – эмиттер сигнал переменного тока, СОПРОТИВЛЕНИЕ эмиттер – коллектор будет изменяться, графически повторяя форму входного сигнала. Соответственно, то же будет происходить и с током через эмиттер к коллектору протекающим. Причем амплитуда тока будет большей, нежели амплитуда входного сигнала – будет происходить усиление сигнала.

Если увеличивать напряжение смещения база – эмиттер дальше, это приведет к росту тока в этой цепи, и как результат – еще большему росту тока эмиттер – коллектор. В конце, концов ток перестает расти – транзистор переходит в полностью открытое состояние(насыщения). Если затем убрать напряжение смещения – транзистор закроется, ток эмиттер – коллектор уменьшится, почти исчезнет. Так транзистор может работать в качестве электронного ключа . Этот режим наиболее эффективен в отношении управления мощностями, при протекании тока через полностью открытый транзистор величина падения напряжения минимальна. Соответственно малы потери тока и нагрев переходов транзистора.

Существует три вида подключения биполярного транзистора. С общим эмиттером (ОЭ) – осуществляется усиление как по току, так и по напряжению – наиболее часто применяемая схема.
Усилительные каскады построенные подобным образом, легче согласуются между собой, так как значения их входного и выходного сопротивления относительно близки, если сравнивать с двумя остальными видами включения (хотя иногда и отличаются в десятки раз).

С общим коллектором (ОК) осуществляется усиление только по току – применяется для согласования источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением(импендансом) и низкоомными сопротивлениями нагрузок. Например, в выходных каскадах усилителей и контроллеров.

С общей базой (ОБ) осуществляется усиление только по напряжению. Имеет низкое входное и высокое выходное сопротивление и более широкий частотный диапазон. Это позволяет использовать подобное включение для согласования источников сигнала с низким внутренним сопротивлением(импендансом) с последующим каскадом усиления. Например – в входных цепях радиоприемных устройств.

Принцип работы полевого транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный имеет три электрода. Они носят названия – сток, исток и затвор. Если на затворе отсутствует напряжение, а на сток подано положительное напряжение относительно истока, то между истоком и стоком через канал течет максимальный ток.

Т. е. – транзистор полностью открыт. Для того, что бы его изменить, на затвор подают отрицательное напряжение, относительно истока. Под действием электрического поля (отсюда и название транзистора) канал сужается, его сопротивление растет, а ток через него уменьшается. При определенном значении напряжения канал сужается до такой степени, что ток практически исчезает – транзистор закрывается.

На рисунке изображено устройство полевого транзистора с изолированным затвором(МДП).

Если на затвор этого прибора не подано положительное напряжение, то канал между истоком и стоком отсутствует и ток равен нулю. Транзистор полностью закрыт. Канал возникает при некотором минимальном напряжении на затворе(напряжение порога). Затем сопротивление канала уменьшается, до полного открывания транзистора.

Полевые транзисторы, как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) имеют следующие схемы включения: с общим истоком (ОИ) – аналог ОЭ биполярного транзистора; с общим стоком (ОС) – аналог ОК биполярного транзистора; с общим затвором (ОЗ) – аналог ОБ биполярного транзистора.

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
маломощные транзисторы – до 100 мВт;
транзисторы средней мощности – от 0,1 до 1 Вт;
мощные транзисторы – больше 1 Вт.

Важные параметры биполярных транзисторов.

1. Коэффициент передачи тока(коэффициент усиления) – от 1 до 1000 при постоянном токе. С увеличением частоты постепенно снижается.
2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером(при разомкнутой базе) У специальных высоковольтных транзисторов, достигает десятков тысяч вольт.
3.Предельная частота, до которой коэффициент передачи тока выше 1. До 100000 гц. у низкочастотных транзисторов, свыше 100000 гц. – у высокочастотных.
4.Напряжение насыщения эмиттер-коллектор – величина падения напряжения между этими электродами у полностью открытого транзистора.

Важные параметры полевых транзисторов.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются отношением приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения затвор – исток, т. е.

ΔI d /ΔU GS

Это отношение принято называть крутизной прибора, а по сути дела оно является передаточной проводимостью и измеряется в миллиамперах на вольт(мА /В).

Другие важнейшие параметры полевых транзисторов приведены ниже:
1. I Dmax – максимальный ток стока.

2.U DSmax – максимальное напряжение сток-исток.

3.U GSmax – максимальное напряжение затвор-исток.

4.Р Dmax – максимальна мощность, которая может выделяться на приборе.

5.t on – типовое время нарастания тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

6.t off – типовое время спада тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

7.R DS(on)max – максимальное значение сопротивления исток – сток в включенном(открытом) состоянии.

Использование каких – либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт

Транзистор относится к категории полупроводниковых приборов. В электротехнике он используется как генератор и усилитель электрических колебаний. Основой прибора является кристалл, расположенный в корпусе. Для изготовления кристалла используется специальный полупроводниковый материал, по своим свойствам находящийся в промежуточном положении между изолятором и проводником. Транзистор применяется в радио- и электронных схемах. Данные приборы могут быть . Каждый из них обладает собственными параметрами и характеристиками.

Особенности биполярных транзисторов

Электрический ток в биполярных транзисторах образуется электрическими зарядами, имеющими положительную и отрицательную полярность. Дырки переносят положительную полярность, а электроны – отрицательную. Для данного вида устройств используются германиевые или кремниевые кристаллы, обладающие индивидуальными особенностями, которые учитываются при создании электронных схем.

Основой кристалла служат сверхчистые материалы. К ним добавляются специальные примеси в точной дозировке. Именно они оказывают влияние на возникновение в кристалле электронной или дырочной проводимости. Они обозначаются соответственно, как n- или р-проводимость. Происходит формирование базы, являющейся одним из электродов. Специальные примеси, введенные в кристаллическую поверхность, изменяют проводимость базы на противоположное значение. В результате, образуются зоны n-р-n или р-n-р, к которым подключаются выводы. Таким образом, происходит создание транзистора.

Источник носителей заряда называется эмиттером, а собиратель носителей является коллектором. Между ними располагается зона, исполняющая роль базы. Выводы прибора называются в соответствии с подключенными электродами. При поступлении на эмиттер входного сигнала в виде небольшого электрического напряжения, в цепи между ним и коллектором будет протекать ток. Форма этого тока совпадает с входным сигналом, однако его значение существенно увеличивается. Именно в этом заключаются усиливающие свойства транзистора.

Работа полевого транзистора

В полевых транзисторах направленное движение электронов или дырок образуется под воздействием электрического поля, которое создается на третьем электроде приложенным напряжением. Из одного электрода выходят носители, поэтому он называется истоком. Второй электрод, на который поступают заряды, носит название стока. Третий электрод, управляющий движением частиц, называется затвором. Токопроводящий участок, ограниченный стоком и истоком, именуется каналом, поэтому данные устройства еще известны как канальные. Сопротивление канала изменяется под действием напряжения, образующегося на затворе. Этот фактор оказывает воздействие на протекающий по каналу электрический ток.

Тип носителей заряда влияет на характеристики . В n-канале происходит направленное движение электронов, а в р-канале перемещаются дырки. Таким образом, ток появляется под действием носителей лишь с каким-то одним знаком. В этом состоит основное отличие полевых и биполярных транзисторов.

Принцип работы каждого полевой транзистора заключается в однополярном токе, требует постоянного напряжения, чтобы обеспечить начальное смещение. Значение полярности зависит от типа канала, а напряжение связано с тем или иным типом устройства. В целом, они надежны в эксплуатации, могут работать в широком диапазоне частот, имеют большое входное сопротивление.

Биполярные транзисторы, их схемы включения

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов.

Транзистором называется полупроводниковый прибор, который может усиливать, преобразовывать и генерировать электрические сигналы. Первый работоспособный биполярный транзистор был изобретен в 1947 году. Материалом для его изготовления служил германий. А уже в 1956 году на свет появился кремниевый транзистор.

В биполярном транзисторе используются два типа носителей заряда – электроны и дырки, отчего такие транзисторы и называются биполярными. Кроме биполярных существуют униполярные (полевые) транзисторы, у которых используется лишь один тип носителей – электроны или дырки. В этой статье будут рассмотрены биполярные транзисторы.

Долгое время транзисторы в основном были германиевыми, и имели структуру p-n-p, что объяснялось возможностями технологий того времени. Но параметры германиевых транзисторов были нестабильны, их самым большим недостатком следует считать низкую рабочую температуру, – не более 60..70 градусов Цельсия. При более высоких температурах транзисторы становились неуправляемыми, а затем и вовсе выходили из строя.

Со временем кремниевые транзисторы начали вытеснять германиевых собратьев. В настоящее время в основном они, кремниевые, и применяются, и в этом нет ничего удивительного. Ведь кремниевые транзисторы и диоды (практически все типы) сохраняют работоспособность до 150…170 градусов. Кремниевые транзисторы также являются «начинкой» всех интегральных микросхем.

Транзисторы по праву считаются одним из великих открытий человечества. Придя на смену электронным лампам, они не просто заменили их, а совершили переворот в электронике, удивили и потрясли мир. Если бы не было транзисторов, то многие современные приборы и устройства, такие привычные и близкие, просто не появились на свет: представьте себе, например, мобильный телефон на электронных лампах!

Большинство кремниевых транзисторов имеют структуру n-p-n, что также объясняется технологией производства, хотя существуют и кремниевые транзисторы типа p-n-p, но их несколько меньше, нежели структуры n-p-n. Такие транзисторы используются в составе комплементарных пар (транзисторы разной проводимости с одинаковыми электрическими параметрами). Например, КТ315 и КТ361, КТ815 и КТ814, а в выходных каскадах транзисторных УМЗЧ КТ819 и КТ818. В импортных усилителях очень часто применяется мощная комплементарная пара 2SA1943 и 2SC5200.

Часто транзисторы структуры p-n-p называют транзисторами прямой проводимости, а структуры n-p-n обратной. В литературе такое название почему-то почти не встречается, а вот в кругу радиоинженеров и радиолюбителей используется повсеместно, всем сразу понятно, о чем идет речь. На рисунке 1 показано схематичное устройство транзисторов и их условные графические обозначения.

Рисунок 1.

Кроме различия по типу проводимости и материалу, биполярные транзисторы классифицируются по мощности и рабочей частоте. Если мощность рассеивания на транзисторе не превышает 0,3 Вт, такой транзистор считается маломощным. При мощности 0,3…3 Вт транзистор называют транзистором средней мощности, а при мощности свыше 3 Вт мощность считается большой. Современные транзисторы в состоянии рассеивать мощность в несколько десятков и даже сотен ватт.

Транзисторы усиливают электрические сигналы не одинаково хорошо: с увеличением частоты усиление транзисторного каскада падает, и на определенной частоте прекращается вовсе. Поэтому для работы в широком диапазоне частот транзисторы выпускаются с разными частотными свойствами.

По рабочей частоте транзисторы делятся на низкочастотные, – рабочая частота не свыше 3 МГц, среднечастотные – 3…30 МГц, высокочастотные – свыше 30 МГц. Если же рабочая частота превышает 300 МГц, то это уже сверхвысокочастотные транзисторы.

Вообще, в серьезных толстых справочниках приводится свыше 100 различных параметров транзисторов, что также говорит об огромном числе моделей. А количество современных транзисторов таково, что в полном объеме их уже невозможно поместить ни в один справочник. И модельный ряд постоянно увеличивается, позволяя решать практически все задачи, поставленные разработчиками.

Существует множество транзисторных схем (достаточно вспомнить количество хотя бы бытовой аппаратуры) для усиления и преобразования электрических сигналов, но, при всем разнообразии, схемы эти состоят из отдельных каскадов, основой которых служат транзисторы. Для достижения необходимого усиления сигнала, приходится использовать несколько каскадов усиления, включенных последовательно. Чтобы понять, как работают усилительные каскады, надо более подробно познакомиться со схемами включения транзисторов.

Сам по себе транзистор усилить ничего не сможет. Его усилительные свойства заключаются в том, что малые изменения входного сигнала (тока или напряжения) приводят к значительным изменениям напряжения или тока на выходе каскада за счет расходования энергии от внешнего источника. Именно это свойство широко используется в аналоговых схемах, – усилители, телевидение, радио, связь и т.д.

Для упрощения изложения здесь будут рассматриваться схемы на транзисторах структуры n-p-n. Все что будет сказано об этих транзисторах, в равной степени относится и к транзисторам p-n-p. Достаточно только поменять полярность источников питания, электролитических конденсаторов и диодов, если таковые имеются, чтобы получить работающую схему.

Схемы включения транзисторов

Всего таких схем применяется три: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ). Все эти схемы показаны на рисунке 2.

Рисунок 2.

Но прежде, чем перейти к рассмотрению этих схем, следует познакомиться с тем, как работает транзистор в ключевом режиме. Это знакомство должно упростить понимание работы транзистора в режиме усиления. В известном смысле ключевую схему можно рассматривать как разновидность схемы с ОЭ.

Работа транзистора в ключевом режиме

Прежде, чем изучать работу транзистора в режиме усиления сигнала, стоит вспомнить, что транзисторы часто используются в ключевом режиме.

Такой режим работы транзистора рассматривался уже давно. В августовском номере журнала «Радио» 1959 года была опубликована статья Г. Лаврова «Полупроводниковый триод в режиме ключа». Автор статьи предлагал регулировать частоту вращения коллекторного двигателя изменением длительности импульсов в обмотке управления (ОУ). Теперь подобный способ регулирования называется ШИМ и применяется достаточно часто. Схема из журнала того времени показана на рисунке 3.

Рисунок 3.

Но ключевой режим используется не только в системах ШИМ. Часто транзистор просто что-то включает и выключает.

В этом случае в качестве нагрузки можно использовать реле: подали входной сигнал – реле включилось, нет – сигнала реле выключилось. Вместо реле в ключевом режиме часто используются лампочки. Обычно это делается для индикации: лампочка либо светит, либо погашена. Схема такого ключевого каскада показана на рисунке 4. Ключевые каскады также применяются для работы со светодиодами или с оптронами.

Рисунок 4.

На рисунке каскад управляется обычным контактом, хотя вместо него может быть цифровая микросхема или микроконтроллер. Лампочка автомобильная, такая применяется для подсветки приборной доски в «Жигулях». Следует обратить внимание на тот факт, что для управления используется напряжение 5В, а коммутируемое коллекторное напряжение 12В.

Ничего странного в этом нет, поскольку напряжения в данной схеме никакой роли не играют, значение имеют только токи. Поэтому лампочка может быть хоть на 220В, если транзистор предназначен для работы на таких напряжениях. Напряжение коллекторного источника также должно соответствовать рабочему напряжению нагрузки. С помощью подобных каскадов выполняется подключение нагрузки к цифровым микросхемам или микроконтроллерам.

В этой схеме ток базы управляет током коллектора, который, за счет энергии источника питания, больше в несколько десятков, а то и сотен раз (зависит от коллекторной нагрузки), чем ток базы. Нетрудно заметить, что происходит усиление по току. При работе транзистора в ключевом режиме обычно для расчета каскада пользуются величиной, называемой в справочниках «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала», – в справочниках обозначается буквой β. Это есть отношение тока коллектора, определяемого нагрузкой, к минимально возможному току базы. В виде математической формулы это выглядит вот так: β = Iк/Iб.

Для большинства современных транзисторов коэффициент β достаточно велик, как правило, от 50 и выше, поэтому при расчете ключевого каскада его можно принять равным всего 10. Даже, если ток базы и получится больше расчетного, то транзистор от этого сильнее не откроется, на то он и ключевой режим.

Чтобы зажечь лампочку, показанную на рисунке 3, Iб = Iк/β = 100мА/10 = 10мА, это как минимум. При управляющем напряжении 5В на базовом резисторе Rб за вычетом падения напряжения на участке Б-Э останется 5В – 0,6В = 4,4В. Сопротивление базового резистора получится: 4,4В / 10мА = 440 Ом. Из стандартного ряда выбирается резистор с сопротивлением 430 Ом. Напряжение 0,6В это напряжение на переходе Б–Э, и при расчетах о нем не следует забывать!

Для того, чтобы база транзистора при размыкании управляющего контакта не осталась «висеть в воздухе», переход Б–Э обычно шунтируется резистором Rбэ, который надежно закрывает транзистор. Об этом резисторе не следует забывать, хотя в некоторых схемах его почему-то нет, что может привести к ложному срабатыванию каскада от помех. Собственно, все про этот резистор знали, но почему-то забыли, и лишний раз наступили на «грабли».

Номинал этого резистора должен быть таким, чтобы при размыкании контакта напряжение на базе не оказалось бы меньше 0,6В, иначе каскад будет неуправляемым, как будто участок Б–Э просто замкнули накоротко. Практически резистор Rбэ ставят номиналом примерно в десять раз больше, нежели Rб. Но даже если номинал Rб составит 10Ком, схема будет работать достаточно надежно: потенциалы базы и эмиттера будут равны, что приведет к закрыванию транзистора.

Такой ключевой каскад, если он исправен, может включить лампочку в полный накал, или выключить совсем. В этом случае транзистор может быть полностью открыт (состояние насыщения) или полностью закрыт (состояние отсечки). Тут же, сам собой, напрашивается вывод, что между этими «граничными» состояниями существует такое, когда лампочка светит вполнакала. В этом случае транзистор наполовину открыт или наполовину закрыт? Это как в задаче о наполнении стакана: оптимист видит стакан, наполовину налитый, в то время, как пессимист считает его наполовину пустым. Такой режим работы транзистора называется усилительным или линейным.

Работа транзистора в режиме усиления сигнала

Практически вся современная электронная аппаратура состоит из микросхем, в которых «спрятаны» транзисторы. Достаточно просто подобрать режим работы операционного усилителя, чтобы получить требуемый коэффициент усиления или полосу пропускания. Но, несмотря на это, достаточно часто применяются каскады на дискретных («рассыпных») транзисторах, и поэтому понимание работы усилительного каскада просто необходимо.

Самым распространенным включением транзистора по сравнению с ОК и ОБ является схема с общим эмиттером (ОЭ). Причина такой распространенности, прежде всего, высокий коэффициент усиления по напряжению и по току. Наиболее высокий коэффициент усиления каскада ОЭ обеспечивается когда на коллекторной нагрузке падает половина напряжения источника питания Eпит/2. Соответственно, вторая половина падает на участке К-Э транзистора. Это достигается настройкой каскада, о чем будет рассказано чуть ниже. Такой режим усиления называется классом А.

При включении транзистора с ОЭ выходной сигнал на коллекторе находится в противофазе с входным. Как недостатки можно отметить то, что входное сопротивление ОЭ невелико (не более нескольких сотен Ом), а выходное в пределах десятков КОм.

Если в ключевом режиме транзистор характеризуется коэффициентом усиления по току в режиме большого сигнала  β, то в режиме усиления используется «коэффициент усиления по току в режиме малого сигнала», обозначаемый, в справочниках h31э. Такое обозначение пришло из представления транзистора в виде четырехполюсника. Буква «э» говорит о том, что измерения производились при включении транзистора с общим эмиттером.

Коэффициент h31э, как правило, несколько больше, чем β, хотя при расчетах в первом приближении можно пользоваться и им. Все равно разброс параметров β и h31э настолько велик даже для одного типа транзистора, что расчеты получаются лишь приблизительными. После таких расчетов, как правило, требуется настройка схемы.

Коэффициент усиления транзистора зависит от толщины базы, поэтому изменить его нельзя. Отсюда и большой разброс коэффициента усиления у транзисторов взятых даже из одной коробки (читай одной партии). Для маломощных транзисторов этот коэффициент колеблется в пределах 100…1000, а у мощных 5…200. Чем тоньше база, тем выше коэффициент.

Простейшая схема включения транзистора ОЭ показана на рисунке 5. Это просто небольшой кусочек из рисунка 2, показанного во второй части статьи. Такая схема называется схемой с фиксированным током базы.

Рисунок 5.

Схема исключительно проста. Входной сигнал подается в базу транзистора через разделительный конденсатор C1, и, будучи усиленным, снимается с коллектора транзистора через конденсатор C2. Назначение конденсаторов, – защитить входные цепи от постоянной составляющей входного сигнала (достаточно вспомнить угольный или электретный микрофон) и обеспечить необходимую полосу пропускания каскада.

Резистор R2 является коллекторной нагрузкой каскада, а R1 подает постоянное смещение в базу. С помощью этого резистора стараются сделать так, чтобы напряжение на коллекторе было бы Eпит/2. Такое состояние называют рабочей точкой транзистора, в этом случае коэффициент усиления каскада максимален.

Приблизительно сопротивление резистора R1 можно определить по простой формуле R1 ≈ R2 * h31э / 1,5…1,8. Коэффициент 1,5…1,8 подставляется в зависимости от напряжения питания: при низком напряжении (не более 9В) значение коэффициента не более 1,5, а начиная с 50В, приближается к 1,8…2,0. Но, действительно, формула настолько приблизительна, что резистор R1 чаще всего приходится подбирать, иначе требуемая величина Eпит/2 на коллекторе получена не будет.

Коллекторный резистор R2 задается как условие задачи, поскольку от его величины зависит коллекторный ток и усиление каскада в целом: чем больше сопротивление резистора R2, тем выше усиление. Но с этим резистором надо быть осторожным, коллекторный ток должен быть меньше предельно допустимого для данного типа транзистора.

Схема очень проста, но эта простота придает ей и отрицательные свойства, и за эту простоту приходится расплачиваться. Во – первых усиление каскада зависит от конкретного экземпляра транзистора: заменил транзистор при ремонте, – подбирай заново смещение, выводи на рабочую точку.

Во-вторых, от температуры окружающей среды, – с повышением температуры возрастает обратный ток коллектора Iко, что приводит к увеличению тока коллектора. И где же тогда половина напряжения питания на коллекторе Eпит/2, та самая рабочая точка? В результате транзистор греется еще сильнее, после чего выходит из строя. Чтобы избавиться от этой зависимости, или, по крайней мере, свести ее к минимуму, в транзисторный каскад вводят дополнительные элементы отрицательной обратной связи – ООС.

На рисунке 6 показана схема с фиксированным напряжением смещения.

Рисунок 6.

Казалось бы, что делитель напряжения Rб-к, Rб-э обеспечит требуемое начальное смещение каскада, но на самом деле такому каскаду присущи все недостатки схемы с фиксированным током. Таким образом, приведенная схема является всего лишь разновидностью схемы с фиксированным током, показанной на рисунке 5.

Схемы с термостабилизацией

Несколько лучше обстоит дело в случае применения схем, показанных на рисунке 7.

Рисунок 7.

В схеме с коллекторной стабилизацией резистор смещения R1 подключен не к источнику питания, а к коллектору транзистора. В этом случае, если при увеличении температуры происходит увеличение обратного тока, транзистор открывается сильнее, напряжение на коллекторе уменьшается. Это уменьшение приводит к уменьшению напряжения смещения, подаваемого на базу через R1. Транзистор начинает закрываться, коллекторный ток уменьшается до приемлемой величины, положение рабочей точки восстанавливается.

Совершенно очевидно, что такая мера стабилизации приводит к некоторому снижению усиления каскада, но это не беда. Недостающее усиление, как правило, добавляют наращиванием количества усилительных каскадов. Зато подобная ООС позволяет значительно расширить диапазон рабочих температур каскада.

Несколько сложней схемотехника каскада с эмиттерной стабилизацией. Усилительные свойства подобных каскадов остаются неизменными в еще более широком диапазоне температур, чем у схемы с коллекторной стабилизацией. И еще одно неоспоримое преимущество, – при замене транзистора не приходится заново подбирать режимы работы каскада.

Эмиттерный резистор R4, обеспечивая температурную стабилизацию, также снижает усиление каскада. Это для постоянного тока. Для того, чтобы исключить влияние резистора R4 на усиление переменного тока, резистор R4 шунтирован конденсатором Cэ, который для переменного тока представляет незначительное сопротивление. Его величина определяется диапазоном частот усилителя. Если эти частоты лежат в звуковом диапазоне, то емкость конденсатора может быть от единиц до десятков и даже сотен микрофарад. Для радиочастот это уже сотые или тысячные доли, но в некоторых случаях схема прекрасно работает и без этого конденсатора.

Для того, чтобы лучше понять, как работает эмиттерная стабилизация, надо рассмотреть схему включения транзистора с общим коллектором ОК.

Схема с общим коллектором (ОК) Показана на рисунке 8. Эта схема является кусочком рисунка 2, из второй части статьи, где показаны все три схемы включения транзисторов.

Рисунок 8.

Нагрузкой каскада является эмиттерный резистор R2, входной сигнал подается через конденсатор C1, а выходной снимается через конденсатор C2. Вот тут можно спросить, почему же эта схема называется ОК? Ведь, если вспомнить схему ОЭ, то там явно видно, что эмиттер соединен с общим проводом схемы, относительно которого подается входной и снимается выходной сигнал.

В схеме же ОК коллектор просто соединен с источником питания, и на первый взгляд кажется, что к входному и выходному сигналу отношения не имеет. Но на самом деле источник ЭДС (батарея питания) имеет очень маленькое внутреннее сопротивление, для сигнала это практически одна точка, один и тот же контакт.

Более подробно работу схемы ОК можно рассмотреть на рисунке 9.

Рисунок 9.

Известно, что для кремниевых транзисторов напряжение перехода б-э находится в пределах 0,5…0,7В, поэтому можно принять его в среднем 0,6В, если не задаваться целью проводить расчеты с точностью до десятых долей процента. Поэтому, как видно на рисунке 9, выходное напряжение всегда будет меньше входного на величину Uб-э, а именно на те самые 0,6В. В отличие от схемы ОЭ эта схема не инвертирует входной сигнал, она просто повторяет его, да еще и снижает на 0,6В. Такую схему еще называют эмиттерным повторителем. Зачем же такая схема нужна, в чем ее польза?

Схема ОК усиливает сигнал по току в h31э раз, что говорит о том, что входное сопротивление схемы в h31э раз больше, чем сопротивление в цепи эмиттера. Другими словами можно не опасаясь спалить транзистор подавать непосредственно на базу (без ограничительного резистора) напряжение. Просто взять вывод базы и соединить его с шиной питания +U.

Высокое входное сопротивление позволяет подключать источник входного сигнала с высоким импедансом (комплексное сопротивление), например, пьезоэлектрический звукосниматель. Если такой звукосниматель подключить к каскаду по схеме ОЭ, то низкое входное сопротивление этого каскада просто «посадит» сигнал звукоснимателя, – «радио играть не будет».

Отличительной особенностью схемы ОК является то, что ее коллекторный ток Iк зависит только от сопротивления нагрузки и напряжения источника входного сигнала. При этом параметры транзистора тут вообще никакой роли не играют. Про такие схемы говорят, что они охвачены стопроцентной обратной связью по напряжению.

Как показано на рисунке 9 ток в эмиттерной нагрузке (он же ток эмиттера) Iн = Iк + Iб. Принимая во внимание, что ток базы Iб ничтожно мал по сравнению с током коллектора Iк, можно полагать, что ток нагрузки равен току коллектора Iн = Iк. Ток в нагрузке будет (Uвх – Uбэ)/Rн. При этом будем считать, что Uбэ известен и всегда равен 0,6В.

Отсюда следует, что ток коллектора Iк = (Uвх – Uбэ)/Rн зависит лишь от входного напряжения и сопротивления нагрузки. Сопротивление нагрузки можно изменять в широких пределах, правда, при этом особо усердствовать не надо. Ведь если вместо Rн поставить гвоздь – сотку, то никакой транзистор не выдержит!

Схема ОК позволяет достаточно легко измерить статический коэффициент передачи тока h31э. Как это сделать, показано на рисунке 10.

Рисунок 10.

Сначала следует измерить ток нагрузки, как показано на рисунке 10а. При этом базу транзистора никуда подключать не надо, как показано на рисунке. После этого измеряется ток базы в соответствии с рисунком 10б. Измерения должны в обоих случаях производиться в одних величинах: либо в амперах, либо в миллиамперах. Напряжение источника питания и нагрузка должны оставаться неизменными при обоих измерениях. Чтобы узнать статический коэффициент передачи тока достаточно ток нагрузки разделить на ток базы: h31э ≈ Iн/Iб.

Следует отметить, что при увеличении тока нагрузки h31э несколько уменьшается, а при увеличении напряжения питания увеличивается. Эмиттерные повторители часто строятся по двухтактной схеме с применением комплементарных пар транзисторов, что позволяет увеличить выходную мощность устройства. Такой эмиттерный повторитель показан на рисунке 11.

Рисунок 11.

Рисунок 12.

Включение транзисторов по схеме с общей базой ОБ

Такая схема дает только усиление по напряжению, но обладает лучшими частотными свойствами по сравнению со схемой ОЭ: те же транзисторы могут работать на более высоких частотах. Основное применение схемы ОБ это антенные усилители диапазонов ДМВ. Схема антенного усилителя показана на рисунке 12.

Ранее ЭлектроВести писали, что дожди могут стать новым источником возобновляемой и предельно дешевой энергии: ученые из Гонконга придумали новый тип электрогенератора с высоким КПД и удельной мощностью в тысячу раз большей, чем у существовавших до сих пор других подобных устройств. Их изобретение позволяет получать из падения одной капли воды с высоты 15 см напряжение свыше 140 вольт, а энергии этого падения хватит для питания 100 небольших светодиодных ламп.

По материалам: electrik.info.

Транзистор

| Определение и использование

Полная статья

Транзистор , полупроводниковый прибор для усиления, управления и генерации электрических сигналов. Транзисторы – это активные компоненты интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крохотных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. Транзисторы, глубоко встроенные почти во все электронное, стали нервными клетками информационного века.

Обычно в транзисторе три электрических вывода, называемых эмиттером, коллектором и базой, или, в современных коммутационных приложениях, истоком, стоком и затвором.Электрический сигнал, подаваемый на базу (или затвор), влияет на способность полупроводникового материала проводить электрический ток, который в большинстве случаев протекает между эмиттером (или истоком) и коллектором (или стоком). Источник напряжения, такой как батарея, управляет током, в то время как скорость тока, протекающего через транзистор в любой момент, регулируется входным сигналом на затворе – так же, как кран крана используется для регулирования потока воды через сад. шланг.

Британская викторина

Изобретатели и изобретения

Наши самые ранние человеческие предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение вращения? Позвольте колесам в вашей голове крутиться, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.

Первые коммерческие применения транзисторов были в слуховых аппаратах и ​​«карманных» радиоприемниках в 1950-х годах. Благодаря их небольшому размеру и низкому энергопотреблению, транзисторы были желанной заменой электронных ламп (известных как «клапаны» в Великобритании), которые затем использовались для усиления слабых электрических сигналов и создания слышимых звуков. Транзисторы также начали заменять электронные лампы в схемах генераторов, используемых для генерации радиосигналов, особенно после того, как были разработаны специализированные структуры для обработки более высоких частот и задействованных уровней мощности.Низкочастотные и мощные приложения, такие как инверторы источников питания, преобразующие переменный ток (AC) в постоянный (DC), также были транзисторными. Некоторые силовые транзисторы теперь могут выдерживать токи в сотни ампер при электрических потенциалах более тысячи вольт.

На сегодняшний день транзисторы наиболее часто применяются в микросхемах памяти компьютеров, включая твердотельные мультимедийные запоминающие устройства для электронных игр, камеры и MP3-плееры, а также в микропроцессорах, где миллионы компонентов встроены в единую интегральную схему.Здесь напряжение, приложенное к электроду затвора, обычно несколько вольт или меньше, определяет, может ли ток течь от истока транзистора к его стоку. В этом случае транзистор работает как переключатель: если ток течет, задействованная цепь включена, а если нет, то она выключена. Эти два различных состояния, единственные возможности в такой схеме, соответствуют соответственно двоичным единицам и нулям, используемым в цифровых компьютерах. Подобные применения транзисторов встречаются в сложных коммутационных схемах, используемых в современных телекоммуникационных системах.Потенциальные скорости переключения этих транзисторов сейчас составляют сотни гигагерц, или более 100 миллиардов включений и выключений в секунду.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Разработка транзисторов

Транзистор был изобретен в 1947–1948 годах тремя американскими физиками, Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли, в лабораториях Белла американской телефонной и телеграфной компании. Транзистор оказался жизнеспособной альтернативой электронной лампе и к концу 1950-х годов вытеснил последнюю во многих приложениях.Его небольшие размеры, низкое тепловыделение, высокая надежность и низкое энергопотребление сделали возможным прорыв в миниатюризации сложных схем. В течение 1960-х и 1970-х годов транзисторы были включены в интегральные схемы, в которых множество компонентов (например, диоды, резисторы и конденсаторы) сформированы на одной «микросхеме» из полупроводникового материала.

Мотивация и ранние радиолокационные исследования

Электронные лампы громоздкие и хрупкие, они потребляют большое количество энергии для нагрева своих катодных нитей и генерации потоков электронов; Кроме того, они часто сгорают после нескольких тысяч часов работы.Электромеханические переключатели или реле работают медленно и могут застревать во включенном или выключенном положении. Для приложений, требующих тысяч ламп или переключателей, таких как общенациональные телефонные системы, развивающиеся по всему миру в 1940-х годах, и первые электронные цифровые компьютеры, это означало, что требовалась постоянная бдительность, чтобы свести к минимуму неизбежные поломки.

Альтернатива была найдена в полупроводниках, материалах, таких как кремний или германий, электрическая проводимость которых находится посередине между изоляторами, такими как стекло, и проводниками, такими как алюминий.Проводящими свойствами полупроводников можно управлять, «допируя» их избранными примесями, и несколько провидцев увидели потенциал таких устройств для телекоммуникаций и компьютеров. Однако именно военное финансирование разработки радаров в 1940-х годах открыло двери для их реализации. Для «супергетеродинных» электронных схем, используемых для обнаружения радиолокационных волн, требовался диодный выпрямитель – устройство, позволяющее току течь только в одном направлении, – которое могло бы успешно работать на сверхвысоких частотах более одного гигагерца.Электронных ламп просто было недостаточно, и твердотельные диоды на основе существующих полупроводников из оксида меди также были слишком медленными для этой цели.

На помощь пришли

Кристаллические выпрямители на основе кремния и германия. В этих устройствах вольфрамовая проволока вставлялась в поверхность полупроводникового материала, который был легирован крошечными количествами примесей, таких как бор или фосфор. Примесные атомы заняли позиции в кристаллической решетке материала, вытесняя атомы кремния (или германия) и тем самым создавая крошечные популяции носителей заряда (таких как электроны), способных проводить полезный электрический ток.В зависимости от природы носителей заряда и приложенного напряжения ток может течь от провода к поверхности или наоборот, но не в обоих направлениях. Таким образом, эти устройства служили столь необходимыми выпрямителями, работающими на гигагерцовых частотах, необходимых для обнаружения отраженного микроволнового излучения в военных радиолокационных системах. К концу Второй мировой войны миллионы кристаллических выпрямителей ежегодно производились такими американскими производителями, как Sylvania и Western Electric.

транзистор | Определение и использование

Полная статья

Транзистор , полупроводниковый прибор для усиления, управления и генерации электрических сигналов.Транзисторы – это активные компоненты интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крохотных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. Транзисторы, глубоко встроенные почти во все электронное, стали нервными клетками информационного века.

Обычно в транзисторе три электрических вывода, называемых эмиттером, коллектором и базой, или, в современных коммутационных приложениях, истоком, стоком и затвором. Электрический сигнал, подаваемый на базу (или затвор), влияет на способность полупроводникового материала проводить электрический ток, который в большинстве случаев протекает между эмиттером (или истоком) и коллектором (или стоком).Источник напряжения, такой как батарея, управляет током, в то время как скорость тока, протекающего через транзистор в любой момент, регулируется входным сигналом на затворе – так же, как кран крана используется для регулирования потока воды через сад. шланг.

Британская викторина

Изобретатели и изобретения

Наши самые ранние человеческие предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение вращения? Позвольте колесам в вашей голове крутиться, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.

Первые коммерческие применения транзисторов были в слуховых аппаратах и ​​«карманных» радиоприемниках в 1950-х годах. Благодаря их небольшому размеру и низкому энергопотреблению, транзисторы были желанной заменой электронных ламп (известных как «клапаны» в Великобритании), которые затем использовались для усиления слабых электрических сигналов и создания слышимых звуков. Транзисторы также начали заменять электронные лампы в схемах генераторов, используемых для генерации радиосигналов, особенно после того, как были разработаны специализированные структуры для обработки более высоких частот и задействованных уровней мощности.Низкочастотные и мощные приложения, такие как инверторы источников питания, преобразующие переменный ток (AC) в постоянный (DC), также были транзисторными. Некоторые силовые транзисторы теперь могут выдерживать токи в сотни ампер при электрических потенциалах более тысячи вольт.

На сегодняшний день транзисторы наиболее часто применяются в микросхемах памяти компьютеров, включая твердотельные мультимедийные запоминающие устройства для электронных игр, камеры и MP3-плееры, а также в микропроцессорах, где миллионы компонентов встроены в единую интегральную схему.Здесь напряжение, приложенное к электроду затвора, обычно несколько вольт или меньше, определяет, может ли ток течь от истока транзистора к его стоку. В этом случае транзистор работает как переключатель: если ток течет, задействованная цепь включена, а если нет, то она выключена. Эти два различных состояния, единственные возможности в такой схеме, соответствуют соответственно двоичным единицам и нулям, используемым в цифровых компьютерах. Подобные применения транзисторов встречаются в сложных коммутационных схемах, используемых в современных телекоммуникационных системах.Потенциальные скорости переключения этих транзисторов сейчас составляют сотни гигагерц, или более 100 миллиардов включений и выключений в секунду.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Разработка транзисторов

Транзистор был изобретен в 1947–1948 годах тремя американскими физиками, Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли, в лабораториях Белла американской телефонной и телеграфной компании. Транзистор оказался жизнеспособной альтернативой электронной лампе и к концу 1950-х годов вытеснил последнюю во многих приложениях.Его небольшие размеры, низкое тепловыделение, высокая надежность и низкое энергопотребление сделали возможным прорыв в миниатюризации сложных схем. В течение 1960-х и 1970-х годов транзисторы были включены в интегральные схемы, в которых множество компонентов (например, диоды, резисторы и конденсаторы) сформированы на одной «микросхеме» из полупроводникового материала.

Мотивация и ранние радиолокационные исследования

Электронные лампы громоздкие и хрупкие, они потребляют большое количество энергии для нагрева своих катодных нитей и генерации потоков электронов; Кроме того, они часто сгорают после нескольких тысяч часов работы.Электромеханические переключатели или реле работают медленно и могут застревать во включенном или выключенном положении. Для приложений, требующих тысяч ламп или переключателей, таких как общенациональные телефонные системы, развивающиеся по всему миру в 1940-х годах, и первые электронные цифровые компьютеры, это означало, что требовалась постоянная бдительность, чтобы свести к минимуму неизбежные поломки.

Альтернатива была найдена в полупроводниках, материалах, таких как кремний или германий, электрическая проводимость которых находится посередине между изоляторами, такими как стекло, и проводниками, такими как алюминий.Проводящими свойствами полупроводников можно управлять, «допируя» их избранными примесями, и несколько провидцев увидели потенциал таких устройств для телекоммуникаций и компьютеров. Однако именно военное финансирование разработки радаров в 1940-х годах открыло двери для их реализации. Для «супергетеродинных» электронных схем, используемых для обнаружения радиолокационных волн, требовался диодный выпрямитель – устройство, позволяющее току течь только в одном направлении, – которое могло бы успешно работать на сверхвысоких частотах более одного гигагерца.Электронных ламп просто было недостаточно, и твердотельные диоды на основе существующих полупроводников из оксида меди также были слишком медленными для этой цели.

На помощь пришли

Кристаллические выпрямители на основе кремния и германия. В этих устройствах вольфрамовая проволока вставлялась в поверхность полупроводникового материала, который был легирован крошечными количествами примесей, таких как бор или фосфор. Примесные атомы заняли позиции в кристаллической решетке материала, вытесняя атомы кремния (или германия) и тем самым создавая крошечные популяции носителей заряда (таких как электроны), способных проводить полезный электрический ток.В зависимости от природы носителей заряда и приложенного напряжения ток может течь от провода к поверхности или наоборот, но не в обоих направлениях. Таким образом, эти устройства служили столь необходимыми выпрямителями, работающими на гигагерцовых частотах, необходимых для обнаружения отраженного микроволнового излучения в военных радиолокационных системах. К концу Второй мировой войны миллионы кристаллических выпрямителей ежегодно производились такими американскими производителями, как Sylvania и Western Electric.

транзистор | Определение и использование

Полная статья

Транзистор , полупроводниковый прибор для усиления, управления и генерации электрических сигналов.Транзисторы – это активные компоненты интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крохотных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. Транзисторы, глубоко встроенные почти во все электронное, стали нервными клетками информационного века.

Обычно в транзисторе три электрических вывода, называемых эмиттером, коллектором и базой, или, в современных коммутационных приложениях, истоком, стоком и затвором. Электрический сигнал, подаваемый на базу (или затвор), влияет на способность полупроводникового материала проводить электрический ток, который в большинстве случаев протекает между эмиттером (или истоком) и коллектором (или стоком).Источник напряжения, такой как батарея, управляет током, в то время как скорость тока, протекающего через транзистор в любой момент, регулируется входным сигналом на затворе – так же, как кран крана используется для регулирования потока воды через сад. шланг.

Британская викторина

Изобретатели и изобретения

Наши самые ранние человеческие предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение вращения? Позвольте колесам в вашей голове крутиться, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.

Первые коммерческие применения транзисторов были в слуховых аппаратах и ​​«карманных» радиоприемниках в 1950-х годах. Благодаря их небольшому размеру и низкому энергопотреблению, транзисторы были желанной заменой электронных ламп (известных как «клапаны» в Великобритании), которые затем использовались для усиления слабых электрических сигналов и создания слышимых звуков. Транзисторы также начали заменять электронные лампы в схемах генераторов, используемых для генерации радиосигналов, особенно после того, как были разработаны специализированные структуры для обработки более высоких частот и задействованных уровней мощности.Низкочастотные и мощные приложения, такие как инверторы источников питания, преобразующие переменный ток (AC) в постоянный (DC), также были транзисторными. Некоторые силовые транзисторы теперь могут выдерживать токи в сотни ампер при электрических потенциалах более тысячи вольт.

На сегодняшний день транзисторы наиболее часто применяются в микросхемах памяти компьютеров, включая твердотельные мультимедийные запоминающие устройства для электронных игр, камеры и MP3-плееры, а также в микропроцессорах, где миллионы компонентов встроены в единую интегральную схему.Здесь напряжение, приложенное к электроду затвора, обычно несколько вольт или меньше, определяет, может ли ток течь от истока транзистора к его стоку. В этом случае транзистор работает как переключатель: если ток течет, задействованная цепь включена, а если нет, то она выключена. Эти два различных состояния, единственные возможности в такой схеме, соответствуют соответственно двоичным единицам и нулям, используемым в цифровых компьютерах. Подобные применения транзисторов встречаются в сложных коммутационных схемах, используемых в современных телекоммуникационных системах.Потенциальные скорости переключения этих транзисторов сейчас составляют сотни гигагерц, или более 100 миллиардов включений и выключений в секунду.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Разработка транзисторов

Транзистор был изобретен в 1947–1948 годах тремя американскими физиками, Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли, в лабораториях Белла американской телефонной и телеграфной компании. Транзистор оказался жизнеспособной альтернативой электронной лампе и к концу 1950-х годов вытеснил последнюю во многих приложениях.Его небольшие размеры, низкое тепловыделение, высокая надежность и низкое энергопотребление сделали возможным прорыв в миниатюризации сложных схем. В течение 1960-х и 1970-х годов транзисторы были включены в интегральные схемы, в которых множество компонентов (например, диоды, резисторы и конденсаторы) сформированы на одной «микросхеме» из полупроводникового материала.

Мотивация и ранние радиолокационные исследования

Электронные лампы громоздкие и хрупкие, они потребляют большое количество энергии для нагрева своих катодных нитей и генерации потоков электронов; Кроме того, они часто сгорают после нескольких тысяч часов работы.Электромеханические переключатели или реле работают медленно и могут застревать во включенном или выключенном положении. Для приложений, требующих тысяч ламп или переключателей, таких как общенациональные телефонные системы, развивающиеся по всему миру в 1940-х годах, и первые электронные цифровые компьютеры, это означало, что требовалась постоянная бдительность, чтобы свести к минимуму неизбежные поломки.

Альтернатива была найдена в полупроводниках, материалах, таких как кремний или германий, электрическая проводимость которых находится посередине между изоляторами, такими как стекло, и проводниками, такими как алюминий.Проводящими свойствами полупроводников можно управлять, «допируя» их избранными примесями, и несколько провидцев увидели потенциал таких устройств для телекоммуникаций и компьютеров. Однако именно военное финансирование разработки радаров в 1940-х годах открыло двери для их реализации. Для «супергетеродинных» электронных схем, используемых для обнаружения радиолокационных волн, требовался диодный выпрямитель – устройство, позволяющее току течь только в одном направлении, – которое могло бы успешно работать на сверхвысоких частотах более одного гигагерца.Электронных ламп просто было недостаточно, и твердотельные диоды на основе существующих полупроводников из оксида меди также были слишком медленными для этой цели.

На помощь пришли

Кристаллические выпрямители на основе кремния и германия. В этих устройствах вольфрамовая проволока вставлялась в поверхность полупроводникового материала, который был легирован крошечными количествами примесей, таких как бор или фосфор. Примесные атомы заняли позиции в кристаллической решетке материала, вытесняя атомы кремния (или германия) и тем самым создавая крошечные популяции носителей заряда (таких как электроны), способных проводить полезный электрический ток.В зависимости от природы носителей заряда и приложенного напряжения ток может течь от провода к поверхности или наоборот, но не в обоих направлениях. Таким образом, эти устройства служили столь необходимыми выпрямителями, работающими на гигагерцовых частотах, необходимых для обнаружения отраженного микроволнового излучения в военных радиолокационных системах. К концу Второй мировой войны миллионы кристаллических выпрямителей ежегодно производились такими американскими производителями, как Sylvania и Western Electric.

Транзисторы – учимся.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 80

Введение

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

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

, описанные в этом учебном пособии

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

Это руководство разделено на несколько разделов, охватывающих:

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

и nbsp

и nbsp

Рекомендуемая литература

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

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

Хотите изучить транзисторы?

Символы, булавки и конструкция

Транзисторы – это в основном трехконтактные устройства. На биполярном переходном транзисторе (BJT) эти контакты обозначены как коллектор (C), база (B) и эмиттер (E). Обозначения схем как для NPN, так и для PNP BJT приведены ниже:

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

NPN:

N ot P ointing i N

Обратная логика, но работает!

Конструкция транзистора

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

Транзистор как два диода
Транзисторы

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

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

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

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

Структура и работа транзистора
Транзисторы

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

Упрощенная схема структуры NPN. Заметили происхождение аббревиатур?

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

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

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

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


Расширение аналогии с водой

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

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

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

1) Вкл – короткое замыкание

Клапан можно полностью открыть, позволяя воде свободно течь в – проходить, как если бы клапана даже не было.

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

2) Выкл. – обрыв цепи

Когда он закрыт, клапан может полностью перекрыть поток воды.

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

3) Линейное управление потоком

С некоторой точной настройкой можно точно настроить клапан для точного управления расходом до некоторой точки между полностью открытым и закрытым.

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

Из нашей аналогии с водой, ширина трубы аналогична сопротивлению в цепи. Если клапан может точно регулировать ширину трубы, то транзистор может точно регулировать сопротивление между коллектором и эмиттером. Таким образом, транзистор подобен переменному регулируемому резистору .

Усилительная мощность

Есть еще одна аналогия, которую мы можем провести здесь. Представьте себе, если бы с легким поворотом клапана вы могли контролировать скорость потока затворов плотины Гувера. Ничтожное количество силы, которое вы можете приложить для поворота этой ручки, может создать силу в тысячи раз сильнее. Мы расширяем аналогию до предела, но эта идея распространяется и на транзисторы. Транзисторы особенные, потому что они могут усилить электрических сигналов, превращая сигнал малой мощности в аналогичный сигнал гораздо большей мощности.


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


Режимы работы

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

Четыре режима работы транзистора:

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

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

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

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

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

Режим насыщенности

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

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

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

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

Режим отсечки

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

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

На самом деле, V BE может быть где угодно между 0 В и V th (~ 0,6 В) для достижения режима отсечки.

Активный режим

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

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

Усиление в активном режиме

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

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

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

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

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

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

Вы можете использовать β для вычисления α или наоборот:

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

Реверс Активный

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

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

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

Относительно PNP

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

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

Итого:

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

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


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


Приложения I: переключатели

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

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

Транзисторный переключатель

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

Наш управляющий вход проходит в базу, выход привязан к коллектору, а на эмиттере поддерживается фиксированное напряжение.

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

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

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

Подобно схеме NPN, база – это наш вход, а эмиттер подключен к постоянному напряжению. Однако на этот раз эмиттер подключен к высокому уровню, а нагрузка подключена к транзистору со стороны земли.

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

Базовые резисторы!

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

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

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

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

Цифровая логика

Транзисторы

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

(Примечание: в наши дни полевые МОП-транзисторы с большей вероятностью будут использоваться для создания логических вентилей, чем биполярные транзисторы. Полевые МОП-транзисторы более энергоэффективны, что делает их лучшим выбором.)

Инвертор

Вот схема транзистора, которая реализует инвертор , или НЕ вентиль:

Инвертор на транзисторах.

Здесь высокое напряжение на базе включает транзистор, который эффективно соединяет коллектор с эмиттером. Поскольку эмиттер напрямую подключен к земле, коллектор тоже будет (хотя он будет немного выше, где-то около V CE (sat) ~ 0,05-0,2 В). С другой стороны, если на входе низкий уровень, транзистор выглядит как разомкнутая цепь, а выход подтянут до VCC

.

(На самом деле это основная конфигурация транзистора, называемая с общим эмиттером .Подробнее об этом позже.)

И Ворота

Вот пара транзисторов, используемых для создания логического элемента И с 2 входами :

2-входной логический элемент И на транзисторах.

Если один из транзисторов выключен, то на выходе коллектора второго транзистора будет установлен низкий уровень. Если оба транзистора включены (на обоих базах высокий уровень), то выходной сигнал схемы также высокий.

OR Выход

И, наконец, логический элемент ИЛИ с двумя входами :

Затвор ИЛИ с 2 входами, построенный на транзисторах.

В этой схеме, если один (или оба) A или B имеют высокий уровень, соответствующий транзистор включается и подтягивает выходной сигнал к высокому уровню. Если оба транзистора выключены, то через резистор выводится низкий уровень.

Н-образный мост

H-мост – это транзисторная схема, способная управлять двигателями как по часовой, так и против часовой стрелки . Это невероятно популярная трасса – движущая сила бесчисленных роботов, которые должны уметь двигаться как вперед на , так и на назад.

По сути, H-мост представляет собой комбинацию из четырех транзисторов с двумя входными линиями и двумя выходами:

Вы можете догадаться, почему это называется Н-мостом?

(Примечание: обычно у хорошо спроектированного H-моста есть нечто большее, включая обратные диоды, базовые резисторы и триггеры Шмидта.)

Если оба входа имеют одинаковое напряжение, выходы двигателя будут иметь одинаковое напряжение, и двигатель не сможет вращаться. Но если два входа противоположны, двигатель будет вращаться в одном или другом направлении.

H-мост имеет таблицу истинности, которая выглядит примерно так:

905

Генераторы

Генератор – это схема, которая генерирует периодический сигнал, который колеблется между высоким и низким напряжением.Генераторы используются во всевозможных схемах: от простого мигания светодиода до генерации тактового сигнала для управления микроконтроллером. Есть много способов создать схему генератора, включая кварцевые кристаллы, операционные усилители и, конечно же, транзисторы.

Вот пример колебательного контура, который мы называем нестабильным мультивибратором . Используя обратную связь , мы можем использовать пару транзисторов для создания двух дополняющих осциллирующих сигналов.

Помимо двух транзисторов, конденсаторы являются настоящим ключом к этой схеме.Колпачки поочередно заряжаются и разряжаются, в результате чего два транзистора поочередно включаются и выключаются.

Анализ работы этой схемы – отличное исследование работы как конденсаторов, так и транзисторов. Для начала предположим, что C1 полностью заряжен (сохраняется напряжение около V CC ), C2 разряжен, Q1 включен, а Q2 выключен. Вот что происходит после этого:

  • Если Q1 включен, то левая пластина C1 (на схеме) подключена примерно к 0 В. Это позволит C1 разряжаться через коллектор Q1.
  • Пока C1 разряжается, C2 быстро заряжается через резистор меньшего номинала – R4.
  • Как только C1 полностью разрядится, его правая пластина будет подтянута примерно до 0,6 В, что включит Q2.
  • На этом этапе мы поменяли местами состояния: C1 разряжен, C2 заряжен, Q1 выключен, а Q2 включен. Теперь танцуем в другую сторону.
  • Q2 включен, позволяет C2 разряжаться через коллектор Q2.
  • Когда Q1 выключен, C1 может относительно быстро заряжаться через R1.
  • Как только C2 полностью разрядится, Q1 снова включится, и мы вернемся в состояние, в котором мы начали.

Может быть трудно с головой окунуться. Вы можете найти еще одну отличную демонстрацию этой схемы здесь.

Выбирая конкретные значения для C1, C2, R2 и R3 (и сохраняя R1 и R4 относительно низкими), мы можем установить скорость нашей схемы мультивибратора:

Итак, при значениях для конденсаторов и резисторов, установленных на 10 мкФ и 47 кОм соответственно, частота нашего генератора будет около 1.5 Гц. Это означает, что каждый светодиод будет мигать примерно 1,5 раза в секунду.


Как вы, наверное, уже заметили, существует тонн схем, в которых используются транзисторы. Но мы почти не коснулись поверхности. Эти примеры в основном показывают, как транзистор можно использовать в режимах насыщения и отсечки в качестве переключателя, но как насчет усиления? Пришло время увидеть больше примеров!


Applications II: Усилители

Некоторые из самых мощных транзисторных приложений включают усиление: преобразование сигнала малой мощности в сигнал большей мощности.Усилители могут увеличивать напряжение сигнала, беря что-то из диапазона мкВ и преобразовывая его в более полезный уровень в мВ или В. Или они могут усиливать ток, что полезно для превращения мкА тока, создаваемого фотодиодом, в ток гораздо большей величины. Существуют даже усилители, которые принимают ток и производят более высокое напряжение или наоборот (называемые транссопротивлением и крутизной соответственно).

Транзисторы являются ключевым компонентом многих усилительных схем. Существует бесконечное количество разнообразных транзисторных усилителей, но, к счастью, многие из них основаны на некоторых из этих более примитивных схем.Запомните эти схемы, и, надеюсь, с небольшим сопоставлением с образцом вы сможете понять более сложные усилители.

Общие конфигурации

Три основных транзисторных усилителя: общий эмиттер, общий коллектор и общая база. В каждой из трех конфигураций один из трех узлов постоянно связан с общим напряжением (обычно с землей), а два других узла являются либо входом, либо выходом усилителя.

Общий эмиттер

Общий эмиттер – одна из наиболее популярных схем транзисторов.В этой схеме эмиттер подключен к общему напряжению как для базы, так и для коллектора (обычно заземления). База становится входом сигнала, а коллектор – выходом.

Схема с общим эмиттером популярна, потому что она хорошо подходит для усиления напряжения , особенно на низких частотах. Например, они отлично подходят для усиления аудиосигналов. Если у вас небольшой входной сигнал с размахом 1,5 В, вы можете усилить его до гораздо более высокого напряжения, используя немного более сложную схему, например:

Одна особенность обычного эмиттера состоит в том, что он инвертирует входной сигнал (сравните его с инвертором с последней страницы!).

Общий коллектор (эмиттерный повторитель)

Если мы подключим коллектор к общему напряжению, используем базу как вход, а эмиттер как выход, то получится общий коллектор. Эта конфигурация также известна как эмиттерный повторитель .

Общий коллектор не усиливает напряжение (фактически, выходное напряжение будет на 0,6 В ниже входного). По этой причине эту схему иногда называют повторителем напряжения .

Эта схема имеет большой потенциал в качестве усилителя тока .В дополнение к этому, высокий коэффициент усиления по току в сочетании с коэффициентом усиления по напряжению, близким к единице, делает эту схему отличным буфером напряжения . Буфер напряжения предотвращает нежелательные помехи цепи нагрузки цепи, управляющей ею.

Например, если вы хотите подать 1 В на нагрузку, вы можете пойти простым путем и использовать делитель напряжения, или вы можете использовать эмиттерный повторитель.

По мере увеличения нагрузки (что, наоборот, означает уменьшение сопротивления) выход схемы делителя напряжения падает.Но выходное напряжение эмиттерного повторителя остается стабильным, независимо от нагрузки. Большие нагрузки не могут «нагружать» эмиттерный повторитель, как это могут быть цепи с большим выходным сопротивлением.

Общая база

Мы поговорим об общей базе, чтобы завершить этот раздел, но это наименее популярная из трех основных конфигураций. В усилителе с общей базой эмиттер является входом, а коллектор – выходом. База общая для обоих.

Общая база похожа на антиэмиттер-повторитель.Это приличный усилитель напряжения, и ток на входе примерно равен току на выходе (на самом деле ток на входе немного больше, чем на выходе).

Схема с общей базой лучше всего работает как токовый буфер . Он может принимать входной ток с низким входным сопротивлением и подавать почти такой же ток на выход с более высоким сопротивлением.

Резюме

Эти три конфигурации усилителей лежат в основе многих более сложных транзисторных усилителей. У каждого из них есть приложения, где они сияют, будь то усиление тока, напряжения или буферизация.

Вход A Вход B Выход A Выход B Направление двигателя
0 0 1 1 Остановлено (торможение) 9055 1 905 905 48 1 0 По часовой стрелке
1 0 0 1 Против часовой стрелки
1 1 0
Общий эмиттер Общий коллектор Общая база
Коэффициент усиления по напряжению Средний Низкий Высокий
Усиление тока Низкое сопротивление Низкое 9055 905 Среднее Высокое Низкое
Выходное сопротивление Среднее Низкое Высокое

Многокаскадные усилители

Мы можем продолжать говорить о большом разнообразии транзисторных усилителей.Вот несколько быстрых примеров, демонстрирующих, что происходит, когда вы комбинируете одноступенчатые усилители, указанные выше:

Дарлингтон

Усилитель Дарлингтона соединяет один общий коллектор с другим, создавая усилитель с высоким коэффициентом усиления по току .

Выходное напряжение составляет , что примерно соответствует входному напряжению (минус 1,2–1,4 В), но коэффициент усиления по току является произведением двух коэффициентов усиления транзистора . Это β 2 – более 10 000!

Пара Дарлингтона – отличный инструмент, если вам нужно управлять большой нагрузкой с очень малым входным током.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель вычитает два входных сигнала и усиливает эту разницу. Это важная часть цепей обратной связи, где вход сравнивается с выходом для получения будущего выхода.

Вот основа дифференциального усилителя:

Эта схема также называется длинной хвостовой парой . Это пара схем с общим эмиттером, которые сравниваются друг с другом для получения дифференциального выхода.Два входа подаются на базы транзисторов; выход представляет собой дифференциальное напряжение на двух коллекторах.

Двухтактный усилитель

Двухтактный усилитель является полезным «заключительным каскадом» многих многокаскадных усилителей. Это энергоэффективный усилитель мощности, часто используемый для управления громкоговорителями.

Основной двухтактный усилитель использует транзисторы NPN и PNP, оба сконфигурированы как общие коллекторы:

Двухтактный усилитель на самом деле не усиливает напряжение (выходное напряжение будет немного меньше входного), но усиливает ток.Это особенно полезно в биполярных цепях (с положительным и отрицательным питанием), потому что оно может как «проталкивать» ток в нагрузку от положительного источника питания, так и «вытягивать» ток и опускать его в отрицательный источник питания.

Если у вас есть биполярный источник питания (или даже если у вас его нет), двухтактный – отличный конечный каскад для усилителя, действующий как буфер для нагрузки.

Собираем их вместе (операционный усилитель)

Давайте рассмотрим классический пример многокаскадной транзисторной схемы: операционный усилитель.Умение распознавать общие транзисторные схемы и понимание их назначения может очень помочь! Вот схема внутри LM3558, действительно простого операционного усилителя:

Внутреннее устройство операционного усилителя LM358. Узнали какие-то усилители?

Здесь определенно больше сложности, чем вы можете быть готовы усвоить, однако вы можете увидеть некоторые знакомые топологии:

  • Q1, Q2, Q3 и Q4 образуют входной каскад. Выглядит очень похоже на общий коллектор (Q1 и Q4) в дифференциальный усилитель , верно? Он просто выглядит перевернутым, потому что использует PNP.Эти транзисторы образуют входной дифференциальный каскад усилителя.
  • Q11 и Q12 являются частью второго этапа. Q11 – это общий коллектор, а Q12 – это общий эмиттер . Эта пара транзисторов буферизует сигнал с коллектора Q3 и обеспечивает высокий коэффициент усиления, когда сигнал поступает на конечный каскад.
  • Q6 и Q13 являются частью финальной стадии, и они тоже должны выглядеть знакомо (особенно если не обращать внимания на R SC ) – это двухтактный ! Этот этап буферизует выходной сигнал, позволяя ему управлять большими нагрузками.
  • Есть множество других распространенных конфигураций, о которых мы не говорили. Q8 и Q9 сконфигурированы как токовое зеркало , которое просто копирует величину тока, проходящего через один транзистор, в другой.

После этого ускоренного курса по транзисторам мы не ожидаем, что вы поймете, что происходит в этой схеме, но если вы можете начать определять общие схемы транзисторов, вы на правильном пути!


Покупка транзисторов

Теперь, когда вы контролируете источник управления, мы рекомендуем SparkFun Inventor’s Kit, чтобы воплотить в жизнь полученные вами новые знания.Мы также предоставили ссылки на комплект полупроводников и одиночные транзисторы для использования в ваших собственных проектах.

Наши рекомендации:

N-канальный полевой МОП-транзистор 60 В, 30 А

В наличии COM-10213

Если вы когда-нибудь задумывались, как управлять фарами автомобиля с помощью микроконтроллера, MOSFET – это то, что вам нужно.Это ве…

4

Пакет дополнений SparkFun Inventor’s Kit – v4.0

В отставке КОМПЛЕКТ-14310

С помощью Add-On Pack вы сможете включить некоторые из старых частей, которые раньше были включены в SIK, которые были обновлены…

На пенсии

Ресурсы и дальнейшее развитие

Если вы хотите глубже изучить транзисторы, мы рекомендуем несколько ресурсов:

  • Начало работы в электронике Форрест Мимс – Мимс – мастер объяснения электроники простым для понимания и применимым образом.Обязательно посмотрите эту книгу, если вы хотите более подробно познакомиться с транзисторами.
  • LTSpice и Falstad Circuit – это бесплатные программные инструменты, которые вы можете использовать для моделирования цепей. Цифровые эксперименты со схемами – отличный способ научиться. Вы получаете все эксперименты, без боли макетирования или страха взорвать все. Попробуйте собрать воедино то, о чем мы говорили!
  • 2N3904 Техническое описание – Еще один способ узнать о транзисторах – это изучить их техническое описание.2N3904 – действительно распространенный транзистор, который мы используем постоянно (а 2N3906 – его брат по PNP). Ознакомьтесь с таблицей данных, чтобы узнать, узнаете ли вы какие-нибудь знакомые характеристики.

Кроме того, наш собственный технический директор Пит снял серию видеороликов «По словам Пита», в которых основное внимание уделяется транзисторам и транзисторным усилителям. Обязательно посмотрите его видео о диодах и транзисторах:

.

Затем вы можете перейти к: Конфигурации смещения транзисторов, часть 1 и часть 2, и, наконец, текущие зеркала.Отличный материал!

Идем дальше

Или, если вам не терпится узнать больше об электронике в целом, ознакомьтесь с некоторыми из этих руководств по SparkFun:

  • Интегральные схемы – Что вы получите, если объедините тысячи транзисторов и поместите их в черный ящик? IC!
  • Регистры сдвига
  • – регистры сдвига – одна из наиболее распространенных интегральных схем. Узнайте, как с помощью транзистора мигать десятки светодиодов всего за несколько входов.
  • Руководство по подключению мини-полевого транзистора
  • – это действительно простой экран Arduino, который использует 8 полевых МОП-транзисторов для управления 8 сильноточными выходами.Это хороший пример использования транзистора в качестве переключателя из реальной жизни.
  • Проектирование печатных плат с EAGLE – Выведите свои новые навыки работы с транзисторами на новый уровень. Сделайте из них печатную плату! В этом руководстве объясняется, как использовать бесплатное программное обеспечение (Eagle) для проектирования печатных плат.
  • Как паять. Если вы разрабатываете печатную плату, вам также нужно знать, как паять. Узнайте, как паять через отверстия в этом руководстве.

Или ознакомьтесь с некоторыми из этих сообщений в блогах, чтобы найти идеи:

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 рассмотрим, 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 на этой подложке p-типа сделаны сильно легированными примесью n-типа (обозначена как n +)
    • Выводы стока (исток и сток) затем выводятся из этих двух концевых областей
  • Вся поверхность подложки покрыта слоем диоксида кремния
    • Диоксид кремния действует как изоляция
  • Тонкий Затем поверх диоксида кремния помещается изолированная металлическая пластина, действующая как пластина конденсатора.
    • Затем вывод затвора выводится из тонкой металлической пластины. 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:

    МОП-транзистор BJT
    Определение Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор Биполярный аппаратный транзисторный источник 30007 946 955 905 5 , 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 , он 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. 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 слуховых аппаратах, радио и т.

    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

    Введение в вакуумный транзистор: устройство, сделанное из ничего

    В сентябре 1976 года , в разгар холодной войны, недовольный советский летчик Виктор Иванович Беленко отклонился от курса тренировочного полета над Сибирью на своем МиГ-25. Foxbat быстро и низко пролетел над Японским морем и посадил самолет в гражданском аэропорту на Хоккайдо, оставив всего 30 секунд топлива.Его драматическое бегство стало благом для американских военных аналитиков, которые впервые имели возможность вблизи рассмотреть этот высокоскоростной советский истребитель, который они считали одним из самых мощных самолетов в мире. То, что они обнаружили, поразило их.

    Во-первых, планер был построен более грубо, чем у современных американских истребителей, и в основном он был сделан из стали, а не из титана. Более того, они обнаружили, что отсеки авионики самолета заполнены оборудованием на основе электронных ламп, а не транзисторов.Очевидный вывод, не считая предыдущих опасений, заключался в том, что даже самые передовые технологии Советского Союза смехотворно отставали от западных.

    В конце концов, в Соединенных Штатах вакуумные лампы уступили место меньшим и менее энергоемким твердотельным устройствам двумя десятилетиями ранее, вскоре после того, как Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн сколотили первый транзистор в Bell Laboratories в 1947 году. К середине 1970-х единственные электронные лампы, которые можно было найти в западной электронике, были спрятаны в определенных видах специализированного оборудования, не считая вездесущих кинескопов телевизоров.Сегодня даже их больше нет, а за исключением нескольких ниш, электронные лампы – это вымершая технология. Поэтому было бы неожиданно узнать, что некоторые очень скромные изменения в технологиях изготовления, которые сейчас используются для создания интегральных схем, все же могут вдохнуть жизнь в вакуумную электронику.

    В исследовательском центре NASA Ames Research Center последние несколько лет мы работали над созданием транзисторов с вакуумным каналом. Наши исследования все еще находятся на начальной стадии, но созданные нами прототипы показывают, что это новое устройство имеет необычайные перспективы.Транзисторы с вакуумным каналом могут работать в 10 раз быстрее обычных кремниевых транзисторов и в конечном итоге могут работать на терагерцовых частотах, которые долгое время были недоступны для любых твердотельных устройств. И они значительно более терпимы к жаре и радиации. Чтобы понять почему, полезно немного узнать о конструкции и функционировании старых добрых электронных ламп.

    Фото: Грегори Максвелл Потомок лампочки: Вакуумные лампы появились на свет из обычных лампочек. Развитие было вызвано исследованиями Томаса Эдисона способности нагретых нитей испускать электроны.Этот образец 1906 года, ранняя лампа Audion, очень похожа на лампочку, хотя нить накала в этой конкретной лампе не видна, так как она давно перегорела. Эта нить накала когда-то действовала как катод, с которого электроны летели к аноду или пластине, расположенной в центре стеклянной трубки. Поток тока от катода к аноду можно было контролировать, изменяя напряжение, подаваемое на сетку, зигзагообразную проволоку, видимую под пластиной.

    Электронная лампа размером с большой палец s, которая усиливала сигналы в бесчисленных радио- и телевизионных приемниках в первой половине 20-го века, может показаться совсем не похожей на металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET), которые регулярно поражают нас своими возможностями. в современной цифровой электронике.Но во многом они очень похожи. Во-первых, оба они трехконтактные. Напряжение, приложенное к одному выводу – сетке для простой триодной вакуумной лампы и затвору для полевого МОП-транзистора – контролирует величину тока, протекающего между двумя другими: от катода к аноду в вакуумной лампе и от истока к стоку в полевом МОП-транзисторе. Эта способность позволяет каждому из этих устройств функционировать как усилитель или, при достаточно сильном управлении, как переключатель.

    Однако то, как электрический ток течет в электронной лампе, сильно отличается от того, как он течет в транзисторе.В работе вакуумных трубок используется процесс, называемый термоэлектронной эмиссией: нагрев катода заставляет его сбрасывать электроны в окружающий вакуум. С другой стороны, ток в транзисторах возникает из-за дрейфа и диффузии электронов (или «дырок», мест, где электроны отсутствуют) между истоком и стоком через твердый полупроводниковый материал, который их разделяет.

    Почему так много десятилетий назад электронные лампы уступили место твердотельной электронике? Преимущества полупроводников включают более низкую стоимость, гораздо меньший размер, превосходный срок службы, эффективность, прочность, надежность и стабильность.Несмотря на эти преимущества, если рассматривать его исключительно как среду для переноса заряда, вакуум побеждает полупроводники. Электроны свободно распространяются через пустоту вакуума, в то время как они страдают от столкновений с атомами в твердом теле (процесс, называемый рассеянием на кристаллической решетке). Более того, вакуум не подвержен радиационным повреждениям, присущим полупроводникам, и производит меньше шума и искажений, чем твердотельные материалы.

    Недостатки ламп не так досадны, когда вам просто нужна горстка ламп для работы радиоприемника или телевизора.Но с более сложными схемами они оказались действительно проблематичными. Например, компьютер ENIAC 1946 года, в котором использовалось 17 468 электронных ламп, потреблял 150 киловатт энергии, весил более 27 метрических тонн и занимал почти 200 квадратных метров площади. И он все время ломался, трубка выходила из строя каждый день или два.

    Чип в бутылке: Простейшей вакуумной лампой, способной к усилению, является триод, названный так потому, что он содержит три электрода: катод, анод и сетку.Обычно структура является цилиндрически-симметричной, с катодом, окруженным сеткой, и сеткой, окруженной анодом. Работа аналогична полевому транзистору, здесь напряжение, приложенное к сети, регулирует ток между двумя другими электродами. (Триодные лампы часто имеют пять контактов для подключения двух дополнительных электрических соединений для нагретой нити накала.) Иллюстрация: Джеймс Провост

    Революция транзисторов положила конец таким разочарованиям.Но последовавшие за этим кардинальные изменения в электронике произошли не столько из-за внутренних преимуществ полупроводников, сколько из-за того, что инженеры получили возможность массового производства и комбинирования транзисторов в интегральных схемах путем химической гравировки или травления кремниевой пластины с соответствующим рисунком. По мере развития технологии изготовления интегральных схем все больше и больше транзисторов можно было втиснуть в микрочипы, что позволило схемам становиться все более сложными от одного поколения к другому.Электроника также стала быстрее без лишних затрат.

    Это преимущество в скорости проистекает из того факта, что по мере того, как транзисторы становятся меньше, электроны, проходящие через них, должны проходить все более короткие расстояния между истоком и стоком, что позволяет быстрее включать и выключать каждый транзистор. С другой стороны, вакуумные лампы были большими и громоздкими, и их приходилось изготавливать индивидуально с помощью механической обработки. Несмотря на то, что с годами они совершенствовались, в лампах никогда не использовалось ничего, отдаленно напоминающего закон Мура.

    Но после четырех десятилетий уменьшения размеров транзистора оксидный слой, изолирующий электрод затвора типичного полевого МОП-транзистора, теперь имеет толщину всего несколько нанометров, а его исток и сток разделяют всего несколько десятков нанометров. Обычные транзисторы действительно не могут быть намного меньше. Тем не менее, поиск более быстрых и энергоэффективных чипов продолжается. Какой будет следующая транзисторная технология? Нанопроволоки, углеродные нанотрубки и графен интенсивно развиваются. Возможно, один из этих подходов изменит электронную промышленность.Или, может быть, они все выдохнутся.

    W Мы работали над , чтобы разработать еще один кандидат на замену полевого МОП-транзистора, над которым исследователи балуются много лет много лет: транзистор с вакуумным каналом. Это результат союза традиционной технологии изготовления электронных ламп и современных технологий производства полупроводников. Этот любопытный гибрид сочетает в себе лучшие качества электронных ламп и транзисторов и может быть таким же маленьким и дешевым, как любое твердотельное устройство.Действительно, их малые размеры – вот что устраняет хорошо известные недостатки электронных ламп.

    Создание транзисторов в вакуумной лампе: транзистор с вакуумным каналом очень похож на обычный металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор или полевой МОП-транзистор (слева). В полевом МОП-транзисторе напряжение, приложенное к затвору, создает электрическое поле в полупроводниковом материале ниже. Это поле, в свою очередь, втягивает носители заряда в канал между областями истока и стока, позволяя току течь. Ток не течет в затвор, который изолирован от подложки под ним тонким оксидным слоем.В транзисторе с вакуумным каналом, разработанном авторами (справа), аналогично используется тонкий слой оксида для изоляции затвора от катода и анода, которые резко заострены для усиления электрического поля на концах. Иллюстрация: Джеймс Провост; Изображение на врезке: Исследовательский центр NASA Ames

    В вакуумной лампе электрическая нить накала, подобная нити накаливания, используется для нагрева катода, достаточного для испускания электронов. Вот почему электронным лампам нужно время, чтобы нагреться, и поэтому они потребляют так много энергии.По этой же причине они часто перегорают (часто в результате незначительной утечки в стеклянной оболочке трубки). Но транзисторы с вакуумным каналом не нуждаются в нити накала или горячем катоде. Если устройство сделать достаточно маленьким, электрического поля на нем будет достаточно, чтобы вытягивать электроны из источника с помощью процесса, известного как автоэлектронная эмиссия. Отсутствие энергосберегающего нагревательного элемента уменьшает площадь, занимаемую каждым устройством на кристалле, и делает этот новый вид транзисторов энергоэффективным.

    Еще одним слабым местом трубок является то, что они должны поддерживать высокий вакуум, обычно тысячную или около того атмосферного давления, чтобы избежать столкновений между электронами и молекулами газа.При таком низком давлении электрическое поле заставляет положительные ионы, генерируемые из остаточного газа в трубке, ускоряться и бомбардировать катод, создавая острые выступы нанометрового размера, которые разрушают и, в конечном итоге, разрушают его.

    Эти давние проблемы вакуумной электроники не являются непреодолимыми. Что, если бы расстояние между катодом и анодом было меньше среднего расстояния, которое проходит электрон до столкновения с молекулой газа, расстояния, известного как длина свободного пробега? Тогда вам не придется беспокоиться о столкновениях электронов с молекулами газа.Например, длина свободного пробега электронов в воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет около 200 нанометров, что в масштабе современных транзисторов довольно велико. Используйте гелий вместо воздуха, и длина свободного пробега увеличивается примерно до 1 микрометра. Это означает, что электрон, перемещающийся, скажем, через зазор размером 100 нм, залитый гелием, будет иметь только 10% -ную вероятность столкновения с газом. Сделайте зазор еще меньше, и вероятность столкновения еще больше уменьшится.

    Но даже с малой вероятностью столкновения многие электроны все равно столкнутся с молекулами газа.Если удар выбивает связанный электрон из молекулы газа, он становится положительно заряженным ионом, а это означает, что электрическое поле отправит его в полет к катоду. Под бомбардировкой всех этих положительных ионов катоды деградируют. Так что вы действительно хотите избежать этого как можно больше.

    К счастью, если вы сохраните низкое напряжение, электроны никогда не получат достаточно энергии, чтобы ионизировать гелий. Таким образом, если размеры вакуумного транзистора существенно меньше, чем длина свободного пробега электронов (что нетрудно организовать), а рабочее напряжение достаточно низкое (что тоже несложно), устройство может нормально работать при атмосферном давлении.То есть вам вообще не нужно поддерживать какой-либо вакуум для того, что номинально является миниатюрным элементом «вакуумной» электроники!

    Но как включить и выключить этот новый тип транзистора? С помощью триодной вакуумной лампы вы управляете током, протекающим через нее, изменяя напряжение, подаваемое на сетку – сетчатый электрод, расположенный между катодом и анодом. Размещение сетки рядом с катодом усиливает электростатический контроль сетки, хотя такое близкое расположение имеет тенденцию к увеличению количества тока, протекающего в сетку.В идеале в сеть никогда не будет протекать ток, потому что это тратит впустую энергию и даже может привести к неисправности лампы. Но на практике всегда есть небольшой ток в сети.

    Чтобы избежать таких проблем, мы контролируем поток тока в нашем транзисторе с вакуумным каналом так же, как это делается в обычных полевых МОП-транзисторах, используя электрод затвора, который имеет изолирующий диэлектрический материал (диоксид кремния), отделяющий его от канала тока. Диэлектрический изолятор передает электрическое поле туда, где это необходимо, предотвращая прохождение тока в затвор.

    Итак, как видите, транзистор с вакуумным каналом совсем не сложен. Действительно, он работает намного проще, чем любой из предшествующих ему разновидностей транзисторов.

    Хотя мы все еще находимся на ранней стадии e с нашими исследованиями, мы считаем, что недавние улучшения, которые мы внесли в транзистор с вакуумным каналом, однажды могут оказать огромное влияние на электронную промышленность, особенно для приложений, где скорость имеет первостепенное значение. . Наша самая первая попытка создать прототип позволила создать устройство, которое могло работать на частоте 460 гигагерц – примерно в 10 раз быстрее, чем лучший кремниевый транзистор.Это делает транзистор с вакуумным каналом очень многообещающим для работы в так называемом терагерцовом промежутке, части электромагнитного спектра выше микроволн и ниже инфракрасного.

    Заполняя промежуток: транзисторы с вакуумным каналом обещают быть способными работать на частотах выше микроволн и ниже инфракрасного – области спектра, иногда известной как терагерцовый промежуток, из-за сложности, с которой большинство полупроводниковых устройств работают на этих частотах.Перспективными приложениями для терагерцового оборудования являются направленная высокоскоростная связь и обнаружение опасных материалов.

    Такие частоты, которые составляют примерно от 0,1 до 10 терагерц, полезны для обнаружения опасных материалов и для безопасной высокоскоростной связи, что дает лишь несколько возможных применений. Но терагерцовыми волнами трудно воспользоваться, потому что обычные полупроводники не способны генерировать или обнаруживать это излучение.Вакуумные транзисторы могут – простите за выражение – заполнить эту пустоту. Эти транзисторы могут также найти свое применение в будущих микропроцессорах, так как их метод производства полностью совместим с традиционным производством КМОП. Но прежде чем это произойдет, необходимо решить несколько проблем.

    Наш прототип вакуумного транзистора работает при напряжении 10 вольт, что на порядок выше, чем в современных КМОП-микросхемах. Но исследователи из Университета Питтсбурга смогли создать вакуумные транзисторы, которые работают при напряжении всего 1 или 2 В, хотя и со значительными компромиссами в гибкости конструкции.Мы уверены, что сможем снизить требования к напряжению нашего устройства до аналогичных уровней, сократив расстояние между его анодом и катодом. Кроме того, острота этих электродов определяет, насколько они концентрируют электрическое поле, а состав материала катода определяет, насколько большое поле необходимо для извлечения из него электронов. Таким образом, мы могли бы также снизить необходимое напряжение, сконструировав электроды с более острыми концами или с более выгодным химическим составом, который снижает барьер для выхода электронов из катода.Это, несомненно, будет своего рода балансирующим действием, потому что изменения, внесенные для снижения рабочего напряжения, могут поставить под угрозу долгосрочную стабильность электродов и, как следствие, срок службы транзистора.

    Следующим большим шагом для нас является создание большого количества транзисторов с вакуумным каналом в интегральной схеме. Для этого мы должны иметь возможность использовать многие из существующих средств автоматизированного проектирования и программного обеспечения для моделирования, разработанного для создания КМОП-микросхем. Однако, прежде чем мы попытаемся это сделать, нам нужно будет усовершенствовать наши компьютерные модели для этого нового транзистора и разработать подходящие правила проектирования для соединения большого количества из них вместе.И нам нужно будет разработать надлежащие методы упаковки для этих наполненных гелием устройств с атмосферой в одну атмосферу. Скорее всего, методы, используемые в настоящее время для упаковки различных микроэлектромеханических датчиков, таких как акселерометры и гироскопы, могут быть без особых проблем применены к транзисторам с вакуумным каналом.

    По общему признанию, еще предстоит проделать большую работу, прежде чем мы сможем представить себе появление коммерческих продуктов. Но когда они, в конце концов, это сделают, это новое поколение вакуумной электроники наверняка сможет похвастаться некоторыми удивительными возможностями.Ожидать что. В противном случае вы можете почувствовать себя немного похожими на тех военных аналитиков, которые исследовали этот советский МиГ-25 в Японии еще в 1976 году: позже они поняли, что его авионика на основе вакуума может выдержать электромагнитный импульс от ядерного взрыва лучше, чем все, что было на Западе. его самолеты. Только тогда они начали ценить маленькое ничто.

    Эта статья изначально была напечатана как «Устройство, сделанное из ничего».

    Об авторах

    Джин-Ву Хан и Мейя Мейяппан работают в исследовательском центре НАСА Эймс в Моффет-Филд, Калифорния., где Хан – ученый-исследователь, а Мейяппан – главный ученый по разведочным технологиям. Транзисторы с вакуумным каналом, которые они описывают, выросли из несвязанной попытки окислить одну тонкую нанопроволоку. «В итоге получилось два отдельных электрода», – говорит Хан, который затем понял, что неудачный эксперимент можно превратить в новый тип транзистора.

    Определение транзистора | PCMag

    В аналоговом мире непрерывно меняющихся сигналов транзистор – это устройство, используемое для усиления входного электрического сигнала.В цифровом мире транзистор – это двоичный ключ и фундаментальный строительный блок компьютерной схемы. Подобно выключателю на стене, транзистор либо предотвращает, либо пропускает ток. Один современный ЦП может иметь сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов.

    Изготовлен из полупроводникового материала
    Активная часть транзистора изготовлена ​​из кремния или другого полупроводникового материала, который может изменять свое электрическое состояние при импульсном воздействии. В нормальном состоянии материал может быть непроводящим или проводящим, препятствуя или пропуская ток.Когда на затвор подается напряжение, транзистор меняет свое состояние. Чтобы узнать больше о транзисторе, см. Понятие транзистора и микросхему. См. Активную область, фототранзистор и High-K / Metal Gate.


    От транзисторов к системам

    Транзисторы соединены схемами, составляющими логические вентили. Гейты составляют схемы, а схемы составляют электронные системы (подробности см. В разделе «Булевская логика и логические элементы»).

    Концептуальный вид транзистора

    В цифровой схеме транзистор представляет собой двухпозиционный переключатель, который является проводящим под действием электрического импульса.Транзисторы также используются в качестве усилителей, передавая низкое напряжение на базе высокому напряжению на коллекторе. В аудиоусилителях таким образом используются транзисторы.


    Создание транзистора

    Путем нескольких этапов маскировки, травления и диффузии создаются подслои на кристалле. На заключительном этапе располагается верхний металлический слой (обычно алюминий), который соединяет транзисторы друг с другом и с внешним миром.















    Одновременно

    Большинство транзисторов в каждом кристалле на пластине создаются одновременно.Такая 300-миллиметровая пластина может содержать сотни и тысячи кристаллов (чипов), что означает одновременное изготовление миллиардов и триллионов транзисторов. Смотрите вафлю. (Изображение любезно предоставлено Intel Corporation.)

    Первый кремниевый транзистор

    В 1954 году компания Texas Instruments первой начала производство дискретных транзисторов в промышленных масштабах. Сегодня это пространство размером примерно четверть дюйма может вместить триллионы транзисторов. См. Концепцию транзистора. (Изображение любезно предоставлено Texas Instruments, Inc.)

    IBM “Solid Logic”

    Вместо одного транзистора на корпус в 1964 году передовые инженерные разработки IBM разместили три транзистора в одном модуле для своего семейства System / 360.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *