Как работает транзистор: простым языком для чайников, схемы

Из истории применения

Первые транзисторы могли работать только при низких напряжениях в десятки вольт и частотах до сотен МГц. Позже появились маломощные экземпляры — более 1 ГГц. Во время первого полета в космос космической станции «Восток-1» на борту было более 600 транзисторов.

Тем не менее основные функции выполняли электронные радиолампы. Промышленность выпускала их до 80-х и 90-х годов. Но со временем электронные лампы были заменены использованием микроволновых, мощных высоковольтных транзисторов, IGBT, MOSFET и других транзисторов.

Классификация

В настоящее время существуют уже десятки типов транзисторов, и их число растет. Давайте посмотрим на некоторые из них.

Биполярные транзисторы

Это наиболее распространенные усилители с 3 электродами:

• собирает;

• эмиттер;

• база.

При экранировании кристалла иногда используют четвертый электрод — корпус. Для включения транзистора с двумя цепями (управляемой и управляемой) в одну цепь необходимо общее соединение одного из выводов. Есть аранжировки:

• OK — усилитель только с питанием;

• ОЭ — усилитель тока и напряжения;

• ОМ — напряжение усиливается.

Кристалл биполярных приборов изготавливается из кремния, реже из германия. Последний имеет более низкое напряжение смещения, около 0,45 В. Оно подается на базу для нормальной работы устройства.

В полупроводниковых структурах на эмиттере используются pnp — плюс и npn — минус. Есть и другие типы, относящиеся к биполярным транзисторам.

Отключить торговые объявления

Однопереходные транзисторы имеют эмиттер на одной стороне перехода и 2 базы на другой стороне, прикрепленные к противоположным сторонам другого перехода. Для этих устройств дифференциальное сопротивление имеет отрицательную часть ВАХ.

Многоэмиттерные транзисторы в основном используются как интегральные компоненты в логических элементах. Однако существуют сборки, содержащие биполярные транзисторы с несколькими эмиттерами для эффективного отключения ряда входных или выходных цепей.

Микроволновые транзисторы также используются в интегральных схемах. Однако существуют дискретные элементы, усиливающие свойства которых прекращаются при приближении к частоте 100 ГГц.

Полевых транзисторов

Выходы полевых транзисторов:

• хранилище;

• источник;

• закрывается.

И биполярные, и полевые транзисторы имеют 3 вида включения, где схема:

• с ОС (общий сток) только усиливает ток;

• OI — ток и напряжение;

• ОЗ — напряжение.

Работа полевого транзистора основана на сужении/расширении проводящего участка, влиянии электрического поля, создаваемого при подаче определенного напряжения на управляющий электрод (затвор.

Устройства этого класса могут иметь затвор в виде p-n перехода, а сам электрод присоединен к n-каналу (- на стоке) или p-каналу (+ на стоке). Разработаны также полевые транзисторы с изолированным затвором, которые бывают со встроенным или индукционным каналом. Кроме того, все они разделены по полярности и имеют канал n- или p-типа.

МОП-транзисторы содержат сложную так называемую МОП-структуру. Из-за этого устройства имеют сопротивление основного перехода в диапазоне от единиц Ом до нескольких мОм. Сила тока может составлять десятки и даже сотни ампер.

IGBT-транзисторы представляют собой составные устройства, где на входе мощного биполярного транзистора установлен полевой эффект. При этом составное устройство имеет высокий коэффициент усиления и входное сопротивление.

Структура IGBT может быть образована высоковольтным высоковольтным биполярным транзистором, маломощным биполярным полевым транзистором. Такое устройство используется в выходных каскадах мощных преобразователей напряжения, коммутирующих источники питания.

В современной электронике важную роль играют транзисторы, они используются практически во всех каскадах. В каталоге ZUM-SMD представлены практически все транзисторы известных брендов, используемые в электронике.

Что такое транзистор?

В современном понимании транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. Обычный полупроводниковый триод имеет три вывода: базу, на которую подаются управляющие сигналы, эмиттер и коллектор. Существуют также мощные составные транзисторы.

Поражает масштаб размеров полупроводниковых приборов — от нескольких нанометров (некорпусные элементы, используемые в микросхемах) до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для силовых установок и промышленного оборудования. Обратное напряжение промышленных триодов может достигать 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключенных в корпус. Полупроводники — это материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов.

Сегодня ведутся исследования, подготавливающие некоторые виды полимеров и даже углеродные нанотрубки на роль полупроводниковых материалов. Судя по всему, в ближайшее время мы узнаем о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.

Ранее полупроводниковые кристаллы размещались в металлических корпусах в виде шляп с тремя ножками. Такая конструкция была характерна для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских, в том числе кремниевых, полупроводниковых приборов выполняются на основе монокристалла, легированного в определенных частях. Они запрессовываются в пластиковые, стеклометаллические или металлокерамические корпуса. Некоторые из них имеют выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторы.

Электроды современных транзисторов расположены в ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки досок. Терминалы не обозначены на домах. Тип электрода определяют по справочникам или измерениям.

Для транзисторов используются полупроводниковые кристаллы с разной структурой, например pnp или npn. Отличаются они полярностью напряжения на электродах.

Схематически структуру транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделенных дополнительным слоем. (См рис. 1). Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью полупроводникового триода.

Рис. 1. Строение транзисторов

На рис. 1 схематически изображена структура биполярных триодов. Есть еще один класс полевых транзисторов, о котором пойдет речь ниже.

Базовый принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не течет. Сопротивление эмиттерного перехода, возникающее в результате взаимодействия между слоями, препятствует прохождению электрического тока. Для включения транзистора необходимо подать на базу небольшое напряжение.

На рис. 2 показана схема, поясняющая принцип работы триода.

Рис. 2. Принцип работы

Управляя базовыми токами, можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, он изменит амплитуду выходных токов. В этом случае выходной сигнал будет в точности повторять частоту колебаний на основном электроде. Другими словами, будет происходить усиление электрического сигнала, поступившего на вход.

Таким образом, полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

Работу устройства в режиме электронного ключа можно понять из рисунка 3.

Рис. 3. Триод в ключевом режиме

Обозначение на схемах

Общепринятым обозначением является «VT» или «Q», за которым следует индекс положения. Например, ВТ 3. На более ранних схемах можно встретить устаревшие обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ». Транзистор изображается в виде символических линий, обозначающих соответствующие электроды, обведенные кружком или нет. Направление тока в эмиттере указано стрелкой.

На рис. 4 показана схема УНЧ, где транзисторы обозначены по-новому, а на рис. 5 приведены схематические изображения полевых транзисторов разных типов.

Рис. 4. Пример схемы УНЧ на триодах

Виды транзисторов

По принципу действия и конструкции полупроводниковые триоды различают:

• поле;
• биполярный;
• комбинированный.

Эти транзисторы выполняют одинаковые функции, но есть отличия в принципе их работы.

Читайте также: Сравнительный обзор различных видов солнечных батарей

Полевые

Этот тип триода еще называют однополярным, из-за электрических свойств — в них ток только одной полярности. По устройству и типу управления эти устройства делятся на 3 вида:

1. Транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 6).
2. С изолированным портом (то есть со встроенным или с наведенным каналом).
3. МДП, со структурой: металл-диэлектрик-проводник.

Отличительной особенностью изолированного затвора является наличие диэлектрика между ним и каналом.

Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать более года на небольшой батарейке или аккумуляторе. Поэтому они нашли широкое применение в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные гаджеты и т д.

Биполярные

Об этом типе транзисторов много сказано в подразделе «Основной принцип работы». Отметим только, что устройство получило название «Биполярный» из-за возможности посылать по каналу заряды противоположных знаков. Их функция – низкий выходной импеданс.

Транзисторы усиливают сигналы и действуют как переключающие устройства. В коллекторную цепь можно включить достаточно мощную нагрузку. Из-за большого тока коллектора сопротивление нагрузки может быть уменьшено.

Более подробно устройство и принцип работы мы рассмотрим ниже.

Комбинированные

Для достижения определенных электрических параметров с помощью одного дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них:

• биполярные транзисторы со встроенными резисторами и их схема;
• комбинации двух триодов (одинаковых или разных конструкций) в одном корпусе;
• лямбда-диоды — комбинация двух полевых триодов, образующих секцию с отрицательным сопротивлением;
• конструкции, в которых триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом (используемым для управления электродвигателями).

Комбинированные транзисторы фактически представляют собой элементарную микросхему в одном корпусе.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

Работа биполярных транзисторов основана на свойствах полупроводников и их комбинаций. Чтобы понять принцип работы триодов, разберемся с поведением полупроводников в электрических цепях.

Полупроводники.

Некоторые кристаллы, например кремний, германий и др., являются диэлектрическими веществами. Но у них есть функция — если добавить определенные примеси, они становятся проводниками с особыми свойствами.

Одни добавки (доноры) приводят к появлению свободных электронов, другие (акцепторы) образуют «дырки».

Если, например, кремний легировать фосфором (донором), то мы получим полупроводник с избытком электронов (структура n-Si). При добавлении бора (акцептора) легированный кремний станет дырочно-проводящим полупроводником (p-Si), то есть в структуре будут преобладать положительно заряженные ионы.

Односторонний провод.

Проведем мысленный эксперимент: подключим два разнородных полупроводника к источнику питания и подадим питание на нашу конструкцию. Произойдет что-то неожиданное. Если вы подключите отрицательный вывод к кристаллу n-типа, цепь замкнется. Но когда мы поменяем полярность, в цепи не будет электричества. Почему это происходит?

В результате соединения кристаллов с разным типом проводимости между ними образуется область с p-n переходом. Часть электронов (носителей заряда) из кристалла n-типа будет перетекать в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинировать дырки в зоне контакта.

В результате возникают некомпенсированные заряды: в области n-типа — от отрицательных ионов, а в области p-типа — от положительных. Разность потенциалов достигает значения от 0,3 до 0,6 В.

Связь между напряжением и концентрацией примеси можно выразить формулой:

φ= VT * ln (Nn * Np)/n2i, где

VT — значение термодинамического напряжения, Nn и Np — концентрации электронов и дырок соответственно, ni — внутренняя концентрация.

При подключении плюса к p-проводнику, а минуса к полупроводнику n-типа электрические заряды преодолеют барьер, так как их движение будет направлено навстречу электрическому полю внутри p-n-перехода. В этом случае переход открыт. Но если полюса поменялись местами, переход будет закрытым. Отсюда вывод: p-n переход образует односторонний проводник. Это свойство используется в конструкции диодов.

От диода к транзистору.

Усложним эксперимент. Добавим еще один слой между двумя полупроводниками с такой же структурой. Например, между пластинами кремния p-типа мы вставляем проводящий слой (n-Si). Нетрудно догадаться, что будет происходить в контактных зонах.

Аналогично описанному выше процессу формируются области p-n-переходов, блокирующие движение электрических зарядов между эмиттером и коллектором независимо от полярности тока.

Самое интересное происходит, когда мы подаем небольшое напряжение на средний слой (базу). В нашем случае мы используем ток с отрицательным знаком. Как и в случае с диодом, образуется цепь эмиттер-база, по которой будет протекать ток. При этом слой начнет насыщаться дырками, что приведет к дырочной проводимости между эмиттером и коллектором.

При обесточивании базы транзистор очень быстро возвращается в исходное состояние и коллекторный переход закрывается.

Устройство также может работать в режиме усилителя.

Ток коллектора прямо пропорционален току базы: Ic = β*IB, где β — коэффициент усиления по току, IB — ток базы.

При изменении значения управляющего тока изменится интенсивность образования отверстий на базе, что вызовет пропорциональное изменение амплитуды выходного напряжения при сохранении частоты сигнала. Этот принцип используется для усиления сигналов.

Подавая на базу слабые импульсы, мы получаем на выходе ту же частоту усиления, но с гораздо большей амплитудой (задаваемой напряжением, подаваемым на цепь коллектор-эмиттер).

Транзисторы NPN работают аналогичным образом. Меняется только полярность напряжения. Устройства со структурой npn имеют прямое подключение. Pnp-транзисторы имеют обратную проводимость.

Остается добавить, что полупроводниковый кристалл аналогично реагирует на ультрафиолетовый световой спектр. Включая и выключая поток фотонов или регулируя его интенсивность, можно управлять работой триода или изменять сопротивление полупроводникового резистора.

Схемы включения биполярного транзистора

Для усилителей с общей базой характерно:

• низкое входное сопротивление, не превышающее 100 Ом;
• хорошие температурные характеристики и частотные характеристики триода;
• высокое допустимое напряжение;
• требуется два разных блока питания.

Схемы с общим эмиттером имеют:

• высокий коэффициент усиления по току и напряжению;
• низкий коэффициент усиления мощности;
• инверсия выходного напряжения относительно входного.

При таком подключении достаточно одного блока питания.

Схема подключения по принципу «общий коллектор» обеспечивает:

• высокое входное и низкое выходное сопротивление;
• низкий коэффициент усиления по напряжению (< 1).

Как работает полевой транзистор? Пояснение для чайников

Структура полевого транзистора отличается от биполярного тем, что ток в нем не проходит через зоны p-n перехода. Заряды перемещаются по регулируемой площади, называемой воротами. Пропускная способность порта регулируется напряжением.

Площадь рп в зоне уменьшается или увеличивается под действием электрического поля (см рис. 9). Следовательно, количество свободных носителей заряда изменяется — от полного разрушения до окончательного насыщения. В результате такого воздействия на затвор регулируется ток на электродах стока (контактах, выводящих обрабатываемый ток). Входящий ток протекает через контакты источника.

Схемы включения полевого транзистора

На практике используются схемы подключения, аналогичные двухполюсному триоду:

• с общим источником — обеспечивает большое усиление тока и мощности;
• схемы с общим затвором, обеспечивающие низкий входной импеданс и низкий коэффициент усиления (ограниченного использования);
• схемы с общим стоком, которые работают так же, как схемы с общим эмиттером.

Почти каждая схема способна работать при очень низком входном напряжении.