Что такое транзистор: его виды, назначение и принципы работы

Что такое транзистор?

В современном понимании транзистор — это полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. Обычный полупроводниковый триод имеет три вывода: база, на которую подаются управляющие сигналы, эмиттер и коллектор. Есть еще и мощные композитные транзисторы.

Размеры полупроводниковых устройств поражают воображение: от нескольких нанометров (развернутые элементы, используемые в микросхемах) до сантиметров в диаметре для мощных транзисторов, предназначенных для электростанций и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать 1000 В.

Зачем нужен транзистор?

У меня часто возникает вопрос: зачем нам транзистор? Почему бы не подключить светодиод и резистор напрямую к аккумулятору?

Преимущество транзистора заключается в том, что небольшой ток или напряжение могут использоваться для управления гораздо более высокими токами и напряжениями.

Это очень полезно, если вы хотите управлять такими вещами, как двигатели, светодиоды питания, динамики, реле и многое другое с помощью микроконтроллера / Raspberry Pi / Arduino. Выход микроконтроллера может выдавать только несколько миллиампер при 5 В. Поэтому, если вы хотите управлять, например, уличными фонарями 230 В, вы не можете делать это напрямую с микроконтроллера

Вместо этого вы можете использовать реле. Но даже реле обычно требует большего тока, чем может обеспечить выход микроконтроллера. Следовательно, для управления реле нужен транзистор

Общие сведения

Название «транзистор» произошло от слияния двух английских слов: transfer — переносной и resistor — сопротивление. В общепринятом понимании это полупроводниковый элемент с тремя выводами. В нем значение тока на двух выходах зависит от третьего, при изменении тока или напряжения на котором проверяется текущее значение выходной цепи. Биполярные устройства управляются изменением тока, а полевые устройства — напряжением.

Первые разработки транзистора начались в 20 веке. В Германии ученый Юлиус Эдгар Лилиенфельд описал принцип работы транзистора, а еще в 1934 году физик Оскар Хейл зарегистрировал устройство, впоследствии названное транзистором. Такой прибор работал на действии электростатического поля.

Физики Уильям Шокли, Уолтер Браттейн вместе с ученым Джоном Бардином в конце 1940-х сделали первый прототип точечного транзистора. С открытием np-перехода производство точечных транзисторов было прекращено, а вместо этого началась разработка планарных устройств из германия. Рабочий прототип транзистора был официально представлен в декабре 1947 года. В этот день появился первый биполярный транзистор. Летом 1948 года начались продажи устройств на транзисторной основе. С этого момента широко распространенные в то время электронные лампы (триоды) стали уходить в прошлое.

В середине 1950-х годов компания Texas Instruments начала массово выпускать первый переходной транзистор, в качестве материала для изготовления которого использовался кремний. На тот момент в производстве радиоэлемента было много недоработок, но это не помешало технологическому развитию устройства. В 1953 году была изготовлена ​​транзисторная схема, которая используется в слуховых аппаратах, а через год американские физики получили за свое открытие Нобелевскую премию.

Март 1959 года ознаменовался созданием первого кремниевого планарного устройства, разработчиком которого был швейцарский физик Жан Эрни. Пара транзисторов была успешно размещена на едином кремниевом кристалле. С этого момента началась разработка интегральных схем. Сегодня на одном кристалле размещается более миллиарда транзисторов. Например, на популярном 8-ядерном компьютерном процессоре Core i7-5960X их количество составляет 2,6 миллиарда.

Параллельно с усовершенствованиями биполярного транзистора в 1960-х годах началась разработка устройства, основанного на соединении металла с полупроводником. Этот радиоэлемент называется МОП-транзистором (металл-оксид-полупроводник), теперь более известным как «МОП-транзистор».

Первоначально термин «транзистор» относился к сопротивлению, величина которого контролировалась напряжением, поскольку транзистор можно рассматривать как своего рода резистор, регулируемый потенциалом, приложенным к клемме. Для полевых транзисторов, сравнение с которыми более верно, это потенциал на затворе, а для биполярных транзисторов — потенциал на базе или ток базы.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключенных в корпус. Полупроводники — это материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования по подготовке определенных типов полимеров и даже углеродных нанотрубок на роль полупроводниковых материалов. По всей видимости, в ближайшее время мы узнаем о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.

Ранее полупроводниковые кристаллы размещались в металлических корпусах в виде колпачков с тремя ножками. Такая конструкция типична для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских устройств, в том числе кремниевых полупроводников, изготавливаются на основе монокристалла, легированного по частям. Их прессуют в пластмассовые, металло-стеклянные или спеченные тела. Некоторые из них имеют выступающие металлические пластины радиатора, прикрепленные к радиаторам.

Электроды современных транзисторов расположены в один ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки доски. Штифты не имеют маркировки на корпусах. Тип электрода определяется по справочникам или замерам.

Для транзисторов используются полупроводниковые кристаллы с различной структурой, например pnp или npn. Они различаются полярностью напряжения на электродах.

Схематично структуру транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделенных дополнительным слоем. (См. Рисунок 1). Именно наличие этого слоя позволяет контролировать проводимость полупроводникового триода.

Применение

Сам транзистор не может усилить мощность блока питания, но он является основным элементом системы усиления. Это помогает контролировать выходную мощность, во много раз превышающую контрольное значение. Он включается в промежуток между нагрузкой и источником питания, и сопротивление можно быстро измерить.

Приложения:

• Схемы усиления (УНЧ). Устройства биполярного и полевого типов работают в основных регулировках цифровых импульсных регенераторов.
• Системы высокочастотного усиления (УВЧ). Транзисторы установлены на входных цепях приемников ДТП.
• Как генераторы импульсов. Они используются для возбуждения прямоугольных (ключевой режим) и произвольных (линейное регулирование) сигналов).
• Они также используются в электрических коммутационных и усилительных каскадах в виде активных устройств.

Базовый принцип работы

В состоянии покоя ток между коллектором и эмиттером биполярного триода не протекает. Электрический ток предотвращается за счет сопротивления эмиттерного перехода, которое возникает из-за взаимодействия слоев. Чтобы включить транзистор, нужно подать на его базу небольшое напряжение.

На рисунке 2 показана схема, поясняющая принцип работы триода.

Проверяя базовые токи, вы можете включать и выключать прибор. Если на базу подается аналоговый сигнал, амплитуда выходных токов изменится. В этом случае выходной сигнал будет точно повторять частоту колебаний на базовом электроде. Другими словами, полученный на входе электрический сигнал будет усилен.

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

О работе устройства в режиме электронного ключа можно судить по рисунку 3.

Виды транзисторов

По принципу действия и устройству полупроводниковые триоды различают:

• поле;
• биполярный;
• комбинированный.

Эти транзисторы выполняют одну и ту же функцию, но есть различия в том, как они работают.

Полевые

Этот тип триода также называют униполярным из-за его электрических свойств: они имеют ток только одной полярности. По структуре и типу управления эти устройства делятся на 3 типа:

1. Управляющий транзистор pn переход (рис. 6).
2. С изолированным затвором (доступен со встроенным или с индуцированным каналом).
3. МДП, строение: металл-диэлектрик-проводник.

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

Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

Обратите внимание на название электродов: сток, исток и затвор.

Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать более года от небольшой батареи или перезаряжаемой батареи. Поэтому они широко используются в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные гаджеты и т.д.

Биполярные

Об этом типе транзисторов много сказано в подразделе «Основные принципы работы». Отметим только, что название устройства «Биполярный» было получено из-за его способности пропускать по каналу заряды противоположных знаков. Их характеристика — низкий выходной импеданс.

Транзисторы усиливают сигналы, функционируют как коммутационные устройства. К коллекторной цепи можно подключить достаточно мощную нагрузку. Из-за высокого тока коллектора сопротивление нагрузки может быть уменьшено.

Более подробно устройство и принцип работы мы рассмотрим ниже.

Комбинированные

Чтобы получить определенные электрические параметры от использования дискретного элемента, разработчики транзисторов придумывают комбинированные конструкции. Среди них:

• биполярные транзисторы со встроенными резисторами и их схемы;
• комбинации двух триодов (одинаковой или разной конструкции) в одном корпусе;
• лямбда-диоды — комбинация двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением;
• проекты, в которых триод с изолированным полем затвора управляет биполярным триодом (используется для управления электродвигателями).

Комбинированные транзисторы представляют собой, по сути, элементарную микросхему в едином корпусе.

Обозначение на схемах

Обычное имя: «VT» или «Q», за которым следует индекс позиции. Например, VT 3. На приведенных выше схемах можно встретить устаревшие обозначения: «T», «PP» или «PT». Транзистор представлен в виде символических линий, которые обозначают соответствующие электроды, обведенные или нет. Направление тока в эмиттере указано стрелкой.

Характеристики

Поскольку полупроводниковые триоды (транзисторы) состоят из полупроводника, окружающая среда также влияет на их работу. Например, при изменении температуры окружающей среды транзистор может вносить гармонические искажения в выходной сигнал. С этим борются с помощью схем термостабилизации, позволяющих стабилизировать работу транзистора при высоких температурах.

Кроме того, транзисторы имеют ВАХ (вольт-амперные характеристики), которые, в отличие от вакуумной техники, быстро насыщаются.

Все транзисторы имеют следующие параметры:

• Текущий прирост;
• Усиление напряжения;
• Текущий прирост;
• Отчет обратной связи;
• Коэффициент текущей передачи;
• Входное сопротивление;
• Выходное сопротивление;
• Время включения;
• Максимально допустимый ток и др.

При биполярном расстройстве:

• Обратный ток коллектор-эмиттер;
• Базовая частота передачи тока;
• Обратный коллекторный ток;
• Частота отсечки коэффициента передачи тока в цепи с общим эмиттером и т.д.

Функции транзисторов

Транзисторы выполняют следующие функции:

1. Позволяет усиление электрических сигналов. Транзисторы усиливают любой электрический сигнал как на высоких, так и на низких частотах.
2. Они могут работать как ключ, включать и выключать электрический ток. С этим простым переключателем работают все современные процессоры. Транзисторы — это основа всей современной цифровой техники.
3. Генерирует электрические сигналы посредством положительной обратной связи. На их основе можно делать генераторы звука и сигналов.
4. Они могут соответствовать сопротивлениям электрических цепей благодаря различным схемам переключения и функционировать как ограничители тока. В источниках питания транзисторы могут ограничивать ток короткого замыкания, а также действовать как предохранитель.

Режимы работы

В целом можно выделить разные режимы работы:

• Номинальный режим;
• Задний ход;
• Насыщенность;
• Резать;
• Барьер.

Нормальный активный режим

Переход база-эмиттер вставляется в прямом направлении 2 (открыт), а переход база-коллектор вставляется в противоположном направлении (закрыт):

UEB> 0; UКБ <0 (для транзистора npn-типа), для транзистора pnp-типа условие будет аналогично UEB <0; UCB> 0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторное — прямое: UKB> 0; UEB <0 (для транзисторов типа npn).

Режим насыщения

Оба pn перехода имеют прямую поляризацию (оба открыты). Если р-n-переходы эмиттера и коллектора подключены к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле переходов эмиттера и коллектора будет частично ослаблено электрическим полем, создаваемым внешними источниками Ueb и Ucb. В результате потенциальный барьер, ограничивающий распространение основных носителей заряда, уменьшится и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, т.е токи, называемые токами насыщения эмиттера (IE us) и коллектора. (IК) протекает через эмиттер и коллектор транзистора. НАС).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UKE. Us) — это падение напряжения на открытом транзисторе (семантический аналог RSI. Otk для полевых транзисторов). Аналогично, напряжение насыщения база-эмиттер (UBE. Us) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки

В этом режиме pn переход коллектора смещен в противоположном направлении, и к эмиттерному переходу может быть приложено как обратное, так и прямое смещение, которое не превышает порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в области база от эмиттера (для кремниевых транзисторов около 0,6-0,7 В).

Барьерный режим

В этом режиме база постоянного тока транзистора закорочена либо через небольшой резистор на его коллектор, а резистор подключен к цепи коллектора или эмиттера транзистора, который устанавливает ток через транзистор. В этом отношении транзистор представляет собой своего рода диод, включенный последовательно с резистором, задающим ток. Такие каскадные схемы отличаются малым количеством компонентов, хорошей высокочастотной развязкой, широким диапазоном рабочих температур и нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Типы полевых транзисторов

1. С контрольным pn переходом. В англоязычной литературе они упоминаются как JFET или Junction FET, что можно перевести как «полевой транзистор с переходным эффектом». В противном случае их называют JUGFET или Junction Unipolar Gate FET.

2. С изолированным затвором (также известный как МОП или МОП-транзистор). На английском языке они обозначаются как IGFET или полевые транзисторы с изолированным затвором.

Классификация устройств

В первую очередь такие устройства делятся на одиночные и составные. Есть еще так называемые сложные радиоэлементы. У них три релиза, и они сделаны целиком. Такие наборы содержат как однотипные, так и разные типы транзисторов.

Основное деление устройств происходит по следующим критериям:

1. Ченнелинг. В зависимости от того, какие носители заряда являются основными, бывают типа p и типа n.
2. Технологии производства. Доступны биполярные, полевые, комбинированные.
3. По типу полупроводника. В качестве материалов для изготовления используются кремний, германий и арсенид галлия. В последнее время стали производить транзисторы на основе прозрачных полупроводников. Например, для построения матриц отображения. А также использование полимеров и углеродных нанотрубок в качестве материалов.
4. По рассеиваемой мощности. Они делятся на три типа: малой мощности, средней мощности и высокой мощности. Первые не превышают 0,1 Вт, вторые находятся в диапазоне 0,1-1 Вт, а все те, которые превышают 1 Вт, являются номинальными мощными.
5. По типу исполнения. Есть дискретные транзисторы, которые могут быть как в корпусе, так и без них, и транзисторы, входящие в состав интегральных схем.

Основные параметры полевых транзисторов

Наклон входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y21 указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и источником 1 В. Таким образом, наклон входной характеристики определяется в мА / В, а также крутизна радиоламп. Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше наклон, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большие значения крутизны соответствуют большим токам в каналах.

Поэтому на практике обычно выбирается такой ток канала, при котором, с одной стороны, достигается необходимое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая экономия на потреблении тока. Частотные свойства полевого транзистора, как и биполярного, характеризуются величиной предельной частоты.

Полевые транзисторы также делятся на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, а также для достижения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть как минимум в 10… 20 раз ниже предельной частоты транзистора. Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора определяется так же, как и для биполярного транзистора. Промышленность производит полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

Транзисторы в оригинальной упаковке.

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

Использование полевых транзисторов благодаря их универсальным характеристикам позволило обойти другие типы транзисторов. Они широко применяются в интегральных схемах в качестве переключателей.

Преимущества:

• частичные падения потребляют небольшое количество энергии;
• показатели усиления превышают значения других аналогичных устройств;
• достижение высокой помехозащищенности осуществляется за счет отсутствия тока в затворе;
• они имеют более высокую скорость включения и выключения, работают на частотах, недоступных для других транзисторов.

Недостатки:

• менее устойчив к высоким температурам, приводящим к разрушению;
• на частотах выше 1,5 ГГц количество потребляемой энергии быстро увеличивается;
• чувствителен к статическому электричеству.

Благодаря характеристикам, которые имеют полупроводниковые материалы, взятые в качестве основы для полевого транзистора, они позволяют использовать устройство в бытовых и промышленных условиях. Полевые транзисторы комплектуются различной бытовой техникой, которой пользуются современные люди.

Типы подключений

Основная задача транзистора — усиление входного сигнала. Проблема в том, что у любого триода всего три контакта, а у самого усилителя четыре полюса: два для входного сигнала и два для выхода, т.е усиленные. Выход — использовать один из контактов транзистора дважды: и как вход, и как выход.

По этому принципу различают три типа подключения. Следует отметить, что принципиальной разницы, какой тип устройства используется: полевой или биполярный, не имеет.

1. Подключение общего эмиттера (OE) или общего источника (OI). Эта схема подключения имеет самые высокие значения мощности усиления тока и напряжения. Однако из-за эффекта Миллера его частотные характеристики значительно хуже. С этим негативным явлением борются по-разному: используют соединение с общей базой, используют каскодное соединение двух транзисторов (добавляется второй, подключенный к общему эмиттеру, подключенный к общей базе).
2. Подключение к общей базе (OB) или к общему порту (OZ). Здесь полностью исключено влияние эффекта Миллера. Однако за это приходится платить: в этой схеме практически отсутствует усиление тока, но есть широкий диапазон изменения частоты сигнала.
3. Подключение к общему коллектору (OK) или к общему выхлопу (OC). Этот тип соединения часто называют источником, эмиттером или повторителем. Это «золотая середина» между двумя предыдущими типами схем: частотные характеристики и усиление мощности с точки зрения тока и напряжения находятся где-то посередине между первыми двумя.

Все три типа подключения, описанные выше, используются в соответствии с целями, которые преследуют производители.

Схемы включения

Поскольку транзисторы имеют три контакта, можно переключаться между входом и выходом. Что это даст? У каждого контакта есть свои особенности. Например, если мы подадим сигнал на базу и эмиттер биполярного транзистора и удалим окончательный сигнал с эмиттера и коллектора, эта схема будет вызываться с общим эмиттером.

Этот тип переключения позволяет передавать максимальную мощность на нагрузку.

Подробнее о работе схемы с общим эмиттером вы можете прочитать в этой статье.

Аналогичным образом можно подключить схему с общим коллектором и общей базой. Фактически, общий контакт — это контакт, который работает как на входе, так и на выходе одновременно с разными контактами.

То же самое и с полевыми транзисторами. Есть схемы с общим стоком, истоком и затвором.

Общий эмиттер

Напряжение U1 вызывает ток Ib, ток коллектора Ic равен току базы, умноженному на. В этом случае напряжение + E должно быть достаточно большим: 5–15 В. Эта схема хорошо усиливает ток и напряжение, а значит, и мощность. Выходной сигнал находится в фазе, противоположной входному сигналу (инвертирован). Это используется в цифровых технологиях как функция НЕ.

Если транзистор работает не в ключевом режиме, а как усилитель малых сигналов (активный или линейный режим), то путем выбора базового тока напряжение U2 устанавливается равным E / 2, чтобы выходной сигнал не искажался. Это приложение используется, например, при усилении аудиосигналов в усилителях высокого класса с низким уровнем искажений и, как следствие, низким КПД.

Общий коллектор

По напряжению схема ОК не усиливает, здесь коэффициент усиления α ~ 1. Поэтому эта схема называется эмиттерным повторителем. Ток в цепи эмиттера в β + 1 раз больше, чем в цепи базы. Эта схема хорошо усиливает ток и имеет низкий выход и очень высокое входное сопротивление.

пора вспомнить, что транзистор называется трансформатором сопротивления. Эмиттерный повторитель имеет свойства и рабочие характеристики, очень подходящие для пробников осциллографов. Он использует свой огромный входной импеданс и низкий выходной импеданс, что хорошо для сопряжения с кабелем с низким импедансом.

Общая база

Эта схема имеет наименьшее входное сопротивление, но ее коэффициент усиления по току равен α. Обычная базовая схема хорошо усиливается по напряжению, но не по мощности. Его характеристика — исключение влияния емкостной обратной связи (Миллер эфф.). OB-каскады идеальны в качестве входных каскадов усилителей в радиочастотных трактах, согласованных с низким импедансом 50 и 75 Ом. Каскады с общей базой широко используются в СВЧ-технике, и их применение в радиоэлектронике с каскадом ведомых эмиттеров широко распространено.

Видео, поясняющие принцип работы транзистора простым языком