Как работает транзистор простыми словами: простым языком для чайников, схемы

что делает, где применяется, режимы работы биополярного транзистора

Электроника окружает нас всюду. Но практически никто не задумывается о том, как вся эта штука работает. На самом деле все довольно просто. Именно это мы и постараемся сегодня показать. А начнем с такого важного элемента, как транзистор. Расскажем, что это такое, что делает, и как работает транзистор.

Что такое транзистор?

Транзистор – полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электрическим током.

Где применяются транзисторы? Да везде! Без транзисторов не обходится практически ни одна современная электрическая схема. Они повсеместно используются при производстве вычислительной техники, аудио- и видео-аппаратуры.

Времена, когда советские микросхемы были самыми большими в мире, прошли, и размер современных транзисторов очень мал. Так, самые маленькие из устройств имеют размер порядка нанометра!

Приставка нано- обозначает величину порядка десять в минус девятой степени.

Однако существуют и гигантские экземпляры, использующиеся преимущественно в областях энергетики и промышленности.

Транзисторы

Существуют разные типы транзисторов: биполярные и полярные, прямой и обратной проводимости. Тем не менее, в основе работы этих приборов лежит один и тот же принцип. Транзистор — прибор полупроводниковый. Как известно, в полупроводнике носителями заряда являются электроны или дырки.

Область с избытком электронов обозначается буквой n (negative), а область с дырочной проводимостью  – p (positive).

Как работает транзистор?

Чтобы все было предельно ясно, рассмотрим работу биполярного транзистора (самый популярный вид).

Биполярный транзистор (далее – просто транзистор) представляет собой кристалл полупроводника (чаще всего используется кремний или германий), разделенный на три зоны с разной электропроводностью. Зоны называются соответственно коллектором, базой и эмиттером. Устройство транзистора и его схематическое изображение показаны на рисунке ни же

Биполярный транзистор

Разделяют транзисторы прямой и обратной проводимости.  Транзисторы p-n-p называются транзисторами с прямой проводимостью, а транзисторы n-p-n – с обратной.

Транзисторы

Теперь о том, какие есть два режима работы транзисторов. Сама работа транзистора похожа на работу водопроводного крана или вентиля. Только вместо воды – электрический ток. Возможны два состояния транзистора – рабочее (транзистор открыт) и состояние покоя (транзистор закрыт).

Что это значит? Когда транзистор закрыт, через него не течет ток. В открытом состоянии, когда на базу подается малый управляющий ток, транзистор открывается, и большой ток начинает течь через эмиттер-коллектор.

Физические процессы в транзисторе

А теперь подробнее о том, почему все происходит именно так, то есть почему транзистор открывается и закрывается. Возьмем биполярный транзистор. Пусть это будет n-p-n транзистор.

Если подключить источник питания между коллектором и эмиттером, электроны коллектора начнут притягиваться к плюсу, однако тока между коллектором и эмиттером не будет. Этому мешает прослойка базы и сам слой эмиттера.

 

Транзистор закрыт

Если же подключить дополнительный источник между базой и эмиттером, электроны из n области эмиттера начнут проникать в область баз. В результате область базы обогатиться свободными электронами, часть из которых рекомбинирует с дырками, часть потечет к плюсу базы, а часть (большая часть) направится к коллектору.

Таким образом, транзистор получается открыт, и в нем течет ток эмиттер коллектор. Если напряжение на базе увеличить, увеличится и ток коллектор эмиттер. Причем, при малом изменении управляющего напряжения наблюдается значительный рост тока через коллектор-эмиттер. Именно на этом эффекте и основана работа транзисторов в усилителях.

Транзистор открыт

Вот вкратце и вся суть работы транзисторов. Нужно рассчитать усилитель мощности на биполярных транзисторах за одну ночь, или выполнить лабораторную работу по исследованию работы транзистора? Это не проблема даже для новичка, если воспользоваться помощью специалистов нашего студенческого сервиса.

Не стесняйтесь обращаться за профессиональной помощью в таких важных вопросах, как учеба! А теперь, когда у вас уже есть представление о транзисторах, предлагаем расслабиться и посмотреть клип группы Korn “Twisted transistor”! Например, вы решили купить отчет по практике, обращайтесь в Заочник.

 

Для чего нужен транзистор, что это такое, виды, как устроен и какой принцип работы

Больше всего вопросов у начинающих радиолюбителей вызывает транзистор. Без этих знаний нельзя починить даже старенький магнитофон, не говоря о современной электронике. Как работает и как устроен транзистор, можно прочитать в этой статье!

Что такое транзистор

У многих возникает вопрос «в каком году был изобретен транзистор». Формально инновацию можно приписать Уильяму Шокли, который положил теоретическую базу первого 2-электродного триода, управлять которым должно внешнее электромагнитное поле. Однозначно сказать, кто изобрел первый транзистор нельзя, так как над ним трудилась целая команда людей: Шокли, Бардин, Браттейн. Благодаря их трудам, компания Bell Labs заявила патент в 1948 году.

Что такое транзистор сейчас? Так называют полупроводниковый элемент радиоэлектроники, состоящий из 3 электродов. Он предназначен для управления и изменения электрического тока в цепи.

Устройство

Простыми словами триоды можно описать так: это — конструкция из нескольких полупроводниковых слоев, впрессованных в керамо-металлический, металл-стеклянный или пластиковый корпус.

Рассматривая схематично, триод состоит из 2 полупроводника, разделенного диэлектрическим промежутком. В зависимости от полярности напряжения, бывают NPN и PNP транзисторы.

Вот так из можно изобразить на рисунке.

Характеристики

Чтобы правильно подобрать транзистор, нужно знать основные параметры. Для бипол.триодов – это:

1. Усиление по амперам с общей базы.
2. Аналогичное усиление с эмиттером.
3. Обратный коллекторный ток Iko.
4. Hfe транзистора. Показывает, насколько больший ток может протечь по каналу «collector-emitter» в сравнении с каналом «bese-emitter». Кстати, Hfe транзистора относится только к биполярным триодам.

Кстати, относительно бипол.триодов стоит знать, что бывают PNP и NPN транзисторы:

1. Транзистор NPN пускает ток от контакта «collector «к контакту «emitter».
2. Транзистор PNP работает наоборот.

Основные параметра транзистора полевого типа заключаются в:

1. Вольтаж отсечки – напряжение, которое нужно пустить на базу, чтобы закрыть p-n проход.
2. Максимальный ампераж стока.
3. Напряжение между выводами триода.

Способ работы

Объяснить, как работает полевой транзистор для чайников – непросто. Придется вообразить себе всю схему. Он состоит из 3 частей:

1. Коллектор — приемник. На открытый коллектор поступает большой ток, который и нужно изменить. От него он идет в эмиттер.
2. База – ключ. На этот вывод транзистора подаются малые токи. Они и открывают «большой».
3. Эмиттер — это выходной канал. На него поступает ток с коллектора.

Как понятно из описания, ток течет между коллектором и эмиттером. Но если база находится в состоянии покоя, транзистор работать не будет.

Может показаться, что работа транзистора похожа на сочетания резистора и выключателя. На самом деле, все хитрее. Если подавать на контакт базы аналоговые токи, то их амплитуда будет сохраняться и на эмиттере, даже если на коллекторе он подавался с другими характеристиками.

Получается, что триод функционирует в ключевом режиме или выполняет функцию изменения (усиления) выходного сигнала.

Чтобы понять принцип действия транзистора, можно посмотреть эту картинку:

Маркировка на схемах

Стандартизированным маркировкой транзистора является литера «Q». Также допускается «VT». Если в схеме больше 1 штуки, часто добавляют позиционное обозначение (например, VT1, VT2…, VTN).

Схема подключения рисуется линиями, с кольцом или без. Направление движения электричества показывается стрелочкой.

Виды триодов

Полупроводниковые транзисторы делятся на 3 категории:

1. Полевой;
2. Биполярный;
3. Комбинированный.

По факту они выполняют схожую функцию, но вот их тип действия отличается. Поэтому многие из них невзаимозаменяемые.

Виды транзисторов стоит рассмотреть предметно и знать хотя бы поверхностно.

Полевые

Также прижилось название «однополярные» (униполярные), так как могут пропускать ток лишь в одном направлении. Стоит помнить, что есть разные виды полевых транзисторов. Всего их 3:

1. С управляем п-н переходом.
2. С закрытым затвором.
3. Имеющие структуру: металл – диэл – проводник.

Эти виды транзисторов состоят из: стока, истока и затвора.

Отличаются высокой чувствительностью к статическому напряжению, поэтому при работе с ними необходимо:

1. Заземление инструмента. Пинцет должен быть антистатическим, а паяльник заземленным. Если это обычный ЭПСН, то к болтику нужно привязать провод и направить в землю.
2. Нужна защита от пыли, которая хорошо накапливает статическое напряжение.

Потребляют минимум электроэнергии, поэтому их устанавливают в пульты ДУ и схожую технику.

Биполярные

Структура биполярного транзистора такова, что он может по одному каналу пропускать заряд с разным знаком (+ и -). Из особенность в том, что на выходе у них очень низкое сопротивление, поэтому они используются в качестве коммутационных устройств.

Комбинированные

Поняв принцип работы полевого транзистора или биполярного, с комбинированными трудностей не возникнет. По сути, это 2 и более триода, внедренные в один корпус. Составные транзисторы можно разделить так:

1. Биполярный триод с резистором.
2. Соединенные 2 транзистора в одном корпусе. Причем они могут быть одинаковыми, так и отличными.
3. Лямбда. Так называют 2 триода, комбинированные в одном корпусе. Они образуют место с минусовым сопротивлением.
4. Схема полевого транзистора с закрытым затвором, управляющий бипол.триодом.

Как работает биполярный триод

Рассматривать устройство биполярного транзистора лучше всего на примерах с небольшой теоретической базой.

Работа бипол.транзистора построена на комбинации разных полупроводников (ПП). Кремнвые, германиевые и другие ПП имеют одно свойство: добавляя к ним другие элементы, они меняют свои качества. Некоторые добавки увеличивают количество свободных электронов (они называются донорами), другие образуют «дыры» (акцепторы).

Это называется электронно-дырочной рекомбинацией. Свободные электроны на коллекторе стремятся рекомбинировать дыры в эмиттере. Осуществляется p-n канальный переход, между полупроводниками. А подаваемый небольшой ток с базы задает амплитуду.

Схемы включения

Схема биполярного транзистора выглядит так:

Из картинки видно, что включение делится на:

1. Схему включения транзистора с общей базой. Для нее характерно низкое сопротивление на входе, минимальное тепловыделение и большой вольтаж.
2. Схему включения транзистора с общим коллектором. Высокий вольтаж на входе и низкое на выходе, а также низкий К. вольтажа по усилению.
3. Схему включения транзистора с общим эмиттером. Большое усиление вольт и ампер, и малое по мощности. Также характерна инверсия входного электричества.

Как работает полевой триод

Здесь p-n канального перехода нет, а заряд идет по заданному «маршруту». Он называется затвором и регулируется подаваемым напряжением.

Упрощенно, пнп зона «ссужается» и «увеличивается», в зависимости от канала, которое создает электромагнитное поле.

Схемы включения

Полевые типы транзисторов имеют схожую схему включения с биполярными:

1. Общий исток. Дает большее усилие вольт и ватт.
2. Общий затвор. Малое вводное сопротивление и выходное усиление.
3. Общий сток. аналогично эмиттеру на бипол.транзисторе.

Как работают транзисторы (BJT и MOSFET)

Транзистор — это простой компонент, который можно использовать для создания множества забавных проектов. В этом практическом руководстве вы узнаете, как работают транзисторы, и сможете использовать их в своей следующей схеме.

На самом деле это довольно просто, если вы изучите основы. Мы сосредоточимся на двух наиболее распространенных транзисторах; BJT и МОП-транзистор .

Транзистор работает как электронный переключатель. Он может включать и выключать ток. Простой способ подумать об этом — посмотреть на транзистор как на реле без каких-либо движущихся частей. Транзистор похож на реле в том смысле, что вы можете использовать его для включения и выключения чего-либо.

Но транзистор также может быть частично включен, что полезно для создания усилителей.

Как работают транзисторы (BJT)

Начнем с классического транзистора NPN. Это биполярный транзистор (BJT) , который имеет три ножки:

• База (b)
• Коллектор (c)
• Эмиттер (e)

коллектор к эмиттеру. Когда он выключен, ток не течет.

В приведенном ниже примере схемы транзистор выключен. Это означает, что через него не может течь ток, поэтому светоизлучающий диод (LED) также выключен.

Чтобы включить транзистор, необходимо напряжение около 0,7 В между базой и эмиттером.

Если бы у вас была батарея на 0,7 В, вы могли бы подключить ее между базой и эмиттером, и транзистор включился бы.

Поскольку у большинства из нас нет батареи на 0,7 В, как нам включить транзистор?

Легко! Часть база-эмиттер транзистора работает как диод. Диод имеет прямое напряжение которое он «выхватывает» из доступного напряжения. Если вы добавите резистор последовательно, остальная часть напряжения упадет на резисторе.

Таким образом, вы автоматически получите около 0,7 В, добавив резистор.

Это тот же принцип, который вы используете для ограничения тока через светодиод, чтобы убедиться, что он не взорвется.

Если вы также добавите кнопку, вы сможете управлять транзистором и, таким образом, светодиодом, включая и выключая кнопку:

Выбор значений компонентов

Чтобы выбрать значения компонентов, вам нужно знать еще одну вещь о том, как работают транзисторы:

Когда ток течет от базы к эмиттеру, транзистор открывается, так что больший ток может течь от коллектора к эмиттер.

Существует связь между размерами двух токов. Это называется усилением транзистора.

Для транзистора общего назначения, такого как BC547 или 2N3904, это может быть около 100,

Это означает, что если от базы к эмиттеру течет 0,1 мА, то от коллектора к эмиттеру может течь 10 мА (в 100 раз больше).

Какой номинал резистора вам нужен, чтобы R1 получил ток 0,1 мА?

Если батарея 9В, а база-эмиттер транзистора захватывает 0,7В, то на резисторе остается 8,3В.

Вы можете использовать закон Ома, чтобы найти сопротивление резистора:

Треугольник закона Ома

Итак, вам нужен резистор 83 кОм. Это не стандартное значение, но 82 кОм, и это достаточно близко.

R2 предназначен для ограничения тока светодиода. Вы можете выбрать значение, которое вы бы выбрали, если бы вы подключили светодиод и резистор напрямую к батарее 9 В, без транзистора. Например, 1 кОм должно работать нормально.

Посмотрите видеообъяснение, которое я сделал несколько лет назад по поводу транзистора (простите за олдскульное качество):

Как выбрать транзистор

БДТ) . Но есть еще один, называемый PNP-транзистором, который работает так же, только все токи идут в противоположном направлении.

При выборе транзистора важно помнить, какой ток может выдержать транзистор. Это называется током коллектора (I _C ).

БЕСПЛАТНЫЙ бонус: Загрузите «Основные электронные компоненты» [PDF] — мини-книгу с примерами, которые научат вас работать с основными компонентами электроники.

Как работает МОП-транзистор

МОП-транзистор — еще один очень распространенный тип транзистора. Он также имеет три контакта:

• Затвор (g)
• Исток (s)
• Сток (d)

Символ MOSFET (N-канал)

MOSFET работает аналогично транзистору BJT, но с одним важным отличием:

В транзисторе BJT ток от базы к эмиттеру определяет, какой ток может течь от коллектора к эмиттеру.

В МОП-транзистор напряжение между затвором и истоком определяет, какой ток может течь от стока к истоку.

Пример: Включение МОП-транзистора

Ниже приведен пример схемы включения МОП-транзистора.

Чтобы включить MOSFET-транзистор, необходимо напряжение между затвором и истоком, превышающее пороговое напряжение транзистора. Например, BS170 имеет пороговое напряжение затвор-исток , равное 2,1 В. (Вы найдете эту информацию в техническом описании).

Пороговое напряжение МОП-транзистора на самом деле является напряжением, при котором он отключается. Таким образом, чтобы правильно включить транзистор, вам нужно напряжение немного выше этого.

Насколько выше, зависит от того, какой ток вы хотите получить (и вы найдете эту информацию в техническом описании). Если вы превысите пороговое значение на пару вольт, этого обычно более чем достаточно для слаботочных вещей, таких как включение светодиода.

Обратите внимание, что даже если вы используете достаточно высокое напряжение, чтобы протекать ток 1 А, это не означает, что вы получите 1 А. Это просто означает, что вы может иметь ток 1А, если хотите. Но то, что вы к нему подключаете, определяет фактический ток.

Таким образом, вы можете увеличивать напряжение до тех пор, пока не превысите максимальный предел напряжения затвор-исток (который составляет 20 В для BS170).

В приведенном выше примере ворота подключаются к 9 В, когда вы нажимаете кнопку. Это включает транзистор.

Выбор значений компонентов

Значение R1 не имеет решающего значения, но около 10 кОм должно работать нормально. Его цель — отключить МОП-транзистор (подробнее об этом ниже).

R2 устанавливает яркость светодиода. 1 кОм должно нормально работать для большинства светодиодов.

Q1 может быть практически любым n-канальным MOSFET, например, BS170.

Как выключить МОП-транзистор?

Одна важная вещь, которую нужно знать о МОП-транзисторах, это то, что они также действуют как конденсатор. То есть часть ворота-истока. Когда вы прикладываете напряжение между затвором и истоком, это напряжение остается там до тех пор, пока оно не разрядится.

Без резистора (R1) в приведенном выше примере транзистор не выключился бы. С резистором есть путь для разрядки конденсатора затвор-исток, так что транзистор снова выключается.

Как выбрать МОП-транзистор

В приведенном выше примере используется N-канальный МОП-транзистор . МОП-транзисторы P-channel работают так же, только ток течет в противоположном направлении, а напряжение затвор-исток должно быть отрицательным, чтобы включить его.

На выбор предлагаются тысячи различных МОП-транзисторов. Но если вы хотите построить примерную схему выше и хотите получить конкретную рекомендацию, BS170 и IRF510 — это два общих.

При выборе полевого МОП-транзистора следует помнить о двух вещах:

• Пороговое напряжение затвор-исток . Вам нужно напряжение выше, чем это, чтобы включить транзистор.
• Непрерывный ток стока . Это максимальное количество тока, которое может протекать через ваш транзистор.

Есть и другие важные параметры, о которых следует помнить, в зависимости от того, что вы делаете. Но это выходит за рамки данной статьи. Имейте в виду два вышеуказанных параметра, и у вас будет хорошая отправная точка.

Ток затвора MOSFET

Если вы хотите управлять MOSFET, например, с помощью Arduino или Raspberry Pi, вам нужно помнить еще об одной вещи; ток, протекающий через затвор при включении транзистора.

Как кратко упоминалось выше, затвор-исток полевого МОП-транзистора действует как конденсатор.

Это означает, что после зарядки через него больше не протекает ток. Таким образом, когда MOSFET включен, через затвор не протекает ток.

Но когда МОП-транзистор  при включении есть ток, как при зарядке конденсатора. За небольшую долю секунды может протекать большой ток.

Чтобы защитить Arduino (или то, что вы используете) от слишком большого тока, вам нужно добавить резистор затвора MOSFET:

Часто для этого достаточно 1000 Ом. Используйте закон Ома для проверки вашего конкретного случая.

Зачем нужен транзистор?

Мне часто задают вопрос: зачем нам транзистор? Почему бы не подключить светодиод и резистор напрямую к аккумулятору?

Преимущество транзистора в том, что вы можете использовать небольшой ток или напряжение для управления гораздо большими током и напряжением.

Это очень полезно, если вы хотите управлять такими вещами, как двигатели, мощные светодиоды, динамики, реле и т. д. с Raspberry Pi/Arduino/микроконтроллера. Выходные контакты этих плат обычно могут обеспечивать только несколько миллиампер при напряжении 5 В. Поэтому, если вы хотите управлять наружным освещением внутреннего дворика на 110 В, вы не можете сделать это напрямую с контакта.

Вместо этого вы можете сделать это через реле. Но даже реле обычно требуется больший ток, чем может обеспечить контакт. Таким образом, вам понадобится транзистор для управления реле:

Подключите левую сторону резистора к выходному контакту (например, от Arduino) для управления реле.

цепь сенсорного датчика или цепь Н-моста.

Мы используем транзисторы почти во всех схемах. Это действительно самый важный компонент в электронике.

Транзистор как усилитель

Транзистор также обеспечивает работу усилителя. Вместо того, чтобы иметь только два состояния (ВКЛ/ВЫКЛ), он также может быть где-то между «полностью включен» и «полностью выключен».

Это означает, что слабый сигнал почти без энергии может управлять транзистором, создавая гораздо более сильную копию этого сигнала в части коллектор-эмиттер (или сток-исток) транзистора. Таким образом, транзистор может усиливать слабые сигналы.

Ниже показан простой усилитель для динамика. Чем выше входное напряжение, тем выше ток от базы к эмиттеру и тем выше ток через динамик.

Изменение входного напряжения приводит к изменению тока в динамике, что создает звук.

Усилитель с общим эмиттером

Обычно к транзистору смещения добавляют еще пару резисторов. В противном случае вы получите много искажений. Но это для другой статьи.

Если вы хотите узнать больше об использовании транзистора в качестве усилителя, на сайте electronics-lab.com есть несколько хороших учебных пособий, посвященных трем основным настройкам усилителя BJT.

Вопросы?

Теперь вы понимаете, как работают транзисторы? Или вы все еще путаетесь? Позвольте мне знать в комментариях ниже.

Больше руководств по транзисторам

Как работают транзисторы? — Объясните это.

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 8 декабря 2021 г.

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

Фото: Насекомое с тремя ногами? Нет, обычный транзистор на электронной плате. Хотя простые схемы содержат такие отдельные транзисторы, сложные схемы внутри компьютеров также содержат микрочипы, внутри каждого из которых могут быть тысячи, миллионы или сотни миллионов транзисторов. (Технически, если вас интересуют более сложные детали, это кремниевый PNP-транзистор усилителя 5401B. Я объясню, что все это значит, чуть позже.)

Содержание

1. Что на самом деле делает транзистор?
2. Как делают транзистор?
3. Силиконовые бутерброды
4. Как работает переходной транзистор
5. Как работает полевой транзистор (FET)
6. Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?
7. Кто изобрел транзистор?
8. Узнать больше

Что на самом деле делает транзистор?

Фото: Подробный обзор модели 5401B.

Транзистор очень прост и очень сложен. Давайте начнем с
простая часть. Транзистор — это миниатюрный электронный компонент,
может выполнять две разные работы. Он может работать либо как усилитель, либо как переключатель:

При работе в качестве усилителя требуется
в крошечном электрическом токе на одном конце (
входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной
тока) на другом. Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это входит
действительно полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, одна из первых вещей
люди использовали транзисторы для. В слуховом аппарате есть крошечный микрофон.
который улавливает звуки окружающего мира и превращает их в
колеблющиеся электрические токи. Они подаются на транзистор, который
усиливает их и приводит в действие крошечный громкоговоритель,
поэтому вы слышите гораздо более громкую версию звуков вокруг вас.
Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более
юмористическим способом: «Если взять тюк сена и привязать его к
хвост мула, а затем зажег спичку и поджег стог сена,
и если вы затем сравните энергию, израсходованную вскоре после этого
мул с энергией, затраченной вами на зажигание спички,
вы поймете концепцию усиления». 0003

Транзисторы также могут работать как переключатели. А
Крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может создать гораздо большую
ток течет через другую его часть. Другими словами, малый
ток переключается на больший. По сути, так работают все компьютерные чипы. Для
например, микросхема памяти
содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов,
каждый из которых может быть включен или выключен индивидуально. Поскольку каждый
транзистор может находиться в двух различных состояниях, он может
хранить два разных числа, ноль и единицу. С миллиардами транзисторов чип может хранить миллиарды нулей и единиц, и
почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.

Фото: Компактные слуховые аппараты были одним из первых применений транзисторов, и это относится примерно к концу 1950-х или 1960-м годам. Размером с колоду игральных карт, он был предназначен для ношения в кармане пиджака или на нем. На другой стороне корпуса есть микрофон, который улавливает окружающие звуки. Вы можете ясно видеть четыре маленьких черных транзистора внутри, которые усиливают эти звуки, а затем направляют их в маленький громкоговоритель (внизу), который находится в вашем ухе.

Самое замечательное в машинах старого образца было то, что вы могли
их друг от друга, чтобы понять, как они работают. Это никогда не было слишком сложно, с
немного толкать и тыкать, чтобы узнать, какой бит сделал что и как
дело привело к другому. Но электроника совсем другая. это все
об использовании электронов для управления электричеством. Электрон – это
минута
частица внутри атома. Он такой маленький, он весит чуть меньше
0,0000000000000000000000000000001 кг! Работают самые современные транзисторы
управляя движением отдельных электронов, так что вы можете
представьте, какие они маленькие. В современном компьютерном чипе размер
ноготь, вы, вероятно, найдете от 500 миллионов
и два миллиарда отдельных транзисторов. Нет никакой возможности разобрать транзистор, чтобы узнать, как он работает.
работает, поэтому мы должны понимать это с помощью теории и воображения.
Во-первых, полезно знать, из чего сделан транзистор.

Как делают транзистор?

Фото: Кремниевая пластина. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Транзисторы изготовлены из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит
электричество (он не позволяет электронам легко проходить через него).
Кремний — это полупроводник, а значит,
ни на самом деле
проводник (что-то вроде металла, который пропускает электричество) ни
изолятор (что-то вроде пластика, который останавливает ток). Если
мы обрабатываем кремний примесями (процесс, известный как легирование),
мы можем заставить его вести себя по-другому
способ. Если мы легируем кремний химическими элементами мышьяком, фосфором,
или сурьмы, кремний получает несколько дополнительных «свободных» электронов, которые
может проводить электрический ток, поэтому электроны будут вытекать
из него более естественно. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, кремний
обработанный таким образом, называется n-типом (отрицательный
тип). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор,
галлий и алюминий. В кремнии, обработанном таким образом, их меньше.
«свободные» электроны, поэтому электроны в близлежащих материалах будут стремиться влиться в него. Мы называем этот вид кремния p-типа (положительный тип).

Вкратце, мимоходом, важно отметить, что ни кремний n-типа, ни кремний p-типа на самом деле не имеют заряда в себе : оба являются электрически нейтральными. Это правда, что у кремния n-типа есть дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как у кремния p-типа этих свободных электронов меньше, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом. В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) атомов примесей к кремнию, составляющему нейтральный для начала — и мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Более подробное объяснение потребовало бы, чтобы я представил идею под названием
ленточная теория, которая немного выходит за рамки этой статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «лишние электроны» означают дополнительные 90 299 свободных 90 300 электронов, которые могут свободно перемещаться и помогают проводить электрический ток.

Силиконовые бутерброды

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

Рисунок: соедините кремний n-типа с кремнием p-типа, и вы получите n-p переход, который является основой диодов и транзисторов.

Предположим, мы соединяем кусок кремния n-типа с кусочком p-типа.
силикон и поставить электрические контакты с обеих сторон. Увлекательно и полезно
вещи начинают происходить на стыке двух
материалы. Если мы обратимся
на токе, мы можем заставить электроны течь через переход от
со стороны n-типа на сторону p-типа и наружу по схеме. Этот
происходит из-за отсутствия электронов на стороне р-типа
переход перетягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но
если
мы реверсируем ток, электроны вообще не будут течь. Что у нас есть
сделанный здесь называется диод (или выпрямитель).
это электронный
компонент, пропускающий ток только в одном направлении. Его
полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в
постоянный (односторонний) ток. Диоды тоже можно сделать так, чтобы они излучали
светятся, когда через них проходит электричество. Вы могли видеть эти
светодиоды на карманных калькуляторах и электронных
дисплеи на стереоаппаратуре Hi-Fi.

Принцип работы переходного транзистора

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

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

Итак, мы знаем, о чем говорим, давайте дадим имена трем
электрические контакты. Мы позвоним двум контактам, соединенным с двумя
кусочки кремния n-типа эмиттер и коллектор,
и контакт
соединенный с кремнием p-типа, мы назовем его основанием. Когда нет
ток
течет в транзисторе, мы знаем, что кремнию p-типа не хватает
электронов (показанных здесь маленькими знаками плюс, представляющими положительные
заряды), а два куска кремния n-типа имеют дополнительные электроны
(показаны маленькими знаками минус, представляющими отрицательные заряды).

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

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

Давайте
подключите транзистор к некоторой мощности. Предположим, мы присоединяем небольшой
положительное напряжение на базу, делает эмиттер отрицательно заряженным, и
сделать коллектор положительно заряженным. Электроны вытягиваются из
эмиттер в базу, а затем из базы в коллектор. И
транзистор переходит в состояние «включено»:

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

Мы также можем понять транзистор, представив его как пару диодов. С
база положительная, а эмиттер отрицательный, переход база-эмиттер подобен прямому смещению.
диод, с электронами, движущимися в одном направлении через переход (слева направо в
диаграмме) и отверстия, идущие в обратном направлении (справа налево). База-сборщик
переход подобен диоду с обратным смещением. Положительное напряжение коллектора тянет
большая часть электронов проходит через внешнюю цепь и попадает во внешнюю цепь (хотя некоторые электроны действительно рекомбинируют с дырками в базе).

Как работает полевой транзистор (FET)

Все транзисторы работают, управляя движением электронов, но
не все они делают это одинаково. Подобно переходному транзистору, полевой транзистор
(полевой транзистор) имеет три разных вывода, но они
имеют названия исток (аналог эмиттера), сток
(по аналогии с
коллектор), и затвор (аналог основания). В полевом транзисторе
слои
кремний n-типа и p-типа устроены немного по-разному и
покрытые слоями металла и оксида. Это дает нам устройство, называемое
МОП-транзистор (поле оксида металла и полупроводника)
эффектный транзистор).

Хотя в истоке и стоке n-типа есть дополнительные электроны,
они не могут течь от одного к другому из-за отверстий в
ворота р-типа между ними. Однако, если мы присоединим положительный
напряжение на затвор, там создается электрическое поле, позволяющее
электроны текут по тонкому каналу от истока к стоку. Этот
«эффект поля» позволяет течь току и включает транзистор:

транзистор потому что только один вид («полярность»)
электрического заряда участвует в том, чтобы заставить его работать.

Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?

На практике вам не нужно ничего знать о
электроны и дырки, если вы не собираетесь
чтобы зарабатывать на жизнь разработкой компьютерных чипов! Все, что вам нужно знать, это то, что
транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток
чтобы включить больший. Но есть еще одна вещь, которую стоит знать:
как все это помогает компьютерам хранить
информацию и принимать решения?

Мы можем соединить несколько транзисторных переключателей, чтобы сделать что-то
называется логическим вентилем, который сравнивает несколько
входные токи и в результате дает другой выход. Логические ворота позволяют компьютерам делать
очень простые решения с использованием математической техники, называемой булевой алгеброй. Ваш мозг принимает решения точно так же. Например,
используя «входные данные» (вещи, которые вы знаете) о погоде и о том, что у вас есть в
вашей прихожей, вы можете принять такое решение: «Если идет дождь И я
возьми зонт, я пойду в
магазины». Это пример булевой алгебры с использованием так называемого И
«оператор» (слово «оператор» — это всего лишь немного математического жаргона для
заставить вещи казаться сложнее, чем они есть на самом деле). Ты можешь сделать
аналогичные решения с другими операторами. «Если ветрено ИЛИ идет снег,
тогда я надену пальто»
пример использования оператора ИЛИ. Или как насчет «Если идет дождь И я
есть зонт ИЛИ у меня есть пальто, тогда можно выходить на улицу». Используя И,
ИЛИ и другие операторы, называемые
NOR, XOR, NOT и NAND, компьютеры могут складывать или сравнивать двоичные числа.
Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логическое
серия инструкций, которые заставляют компьютеры что-то делать.

Обычно переходной транзистор «выключен» при отсутствии базы
тока и переключается в положение «включено», когда протекает базовый ток. Это означает, что это
потребляет электрический ток для включения или выключения транзистора. Но
такие транзисторы можно соединить с логическими вентилями, чтобы их выход
соединения возвращаются на свои входы. Транзистор
затем остается включенным даже при отключении базового тока. Каждый раз новый
база
течет ток, транзистор «щелкает» или выключается. Остается в одном из
эти стабильные состояния (либо включено, либо выключено) до тех пор, пока другой ток
приходит и переворачивает его в другую сторону. Такая договоренность
известен как триггер, и он превращает
транзистор в простой
запоминающее устройство, в котором хранится ноль (когда он выключен) или единица (когда он
на). Триггеры — это основная технология, используемая в микросхемах компьютерной памяти.

Кто изобрел транзистор?

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

Транзисторы были изобретены в Bell Laboratories в Нью-Джерси в 1947 году.
тремя блестящими американскими физиками: Джоном Бардином (1908–1991), Уолтером
Браттейн (1902–1987) и Уильям
Шокли (1910–1989).

Группа под руководством Шокли пыталась
разработать новый тип усилителя для телефонной системы США, но что
они на самом деле изобрели оказались гораздо более распространенными
Приложения. Бардин и Браттейн создали первый практичный транзистор.
(известный как точечный транзистор) во вторник, 16 декабря, 1947.
Хотя Шокли сыграл большую роль в этом проекте, он был
разъяренный и взволнованный тем, что его оставили в стороне. Вскоре после этого, во время
остановиться в гостинице на конференции по физике, он в одиночку вычислил
теория переходного транзистора — гораздо лучшего устройства, чем
транзистор с точечным контактом.

В то время как Бардин ушел из Bell Labs, чтобы стать академиком (он продолжил
добиться еще большего успеха, изучая сверхпроводники в Иллинойском университете),
Браттейн остался на некоторое время, прежде чем уйти на пенсию, чтобы стать учителем.
Шокли основал собственную компанию по производству транзисторов и помог вдохновить
современное явление, которое называется «Силиконовая долина» (процветающий район
вокруг Пало-Альто, Калифорния, где корпорации электроники
собрались). Двое его сотрудников, Роберт Нойс и Гордон Мур, ушли
основал Intel, крупнейшего в мире производителя микрочипов.

Бардин, Браттейн и Шокли ненадолго воссоединились несколько лет спустя, когда
они разделили высшую науку в мире
награда, т.
Нобелевская премия по физике 1956 г.,
за их открытие. Их история
захватывающая история о
интеллектуальный блеск борется с мелкой завистью, и это хорошо
стоит прочтения
больше о. Вы можете найти несколько замечательных рассказов об этом среди книг и
веб-сайты, перечисленные ниже.

Подробнее

На этом сайте

• Компьютеры: краткая история
• Флэш-память
• Интегральные схемы
• Логические элементы
• Тиристоры

Другие веб-сайты

• The Journey Inside: образовательный веб-сайт Intel, посвященный транзисторам и интегральным схемам.
• Transistorized !: веб-сайт PBS о Бардине, Браттейне, Шокли и истории транзисторов.
• Транзистор: узнайте о транзисторах в увлекательной игровой форме с помощью игр и интерактивов на веб-сайте Нобелевской премии.
  [Архивировано через Wayback Machine.]

Книги

Технические и практические

• Марка: Electronics by Charles Platt. O’Reilly, 2015. Четкий, хорошо иллюстрированный учебник для начинающих в области электроники и отличное место для начала увлеченного подростка. Эксперимент 10 начинается с покрытия транзисторов.
• Начало работы с электроникой, Форрест М. Мимс III. Издательство Master Publishing, 2003 г. Надежное введение с множеством примеров схем, которые можно попробовать.
• «Искусство электроники» Пола Горовица, Winfield Hill. Издательство Кембриджского университета, 2015 г. Это гораздо более подробный учебник для студентов, которым я сам пользовался в колледже.
• Почему вещи такие, какие они есть, Б.С. Чандрасекар. Издательство Кембриджского университета, 1998. Относительно простое для понимания, в основном не математическое введение в физику твердого тела; по сути, это объясняет, как на самом деле работают твердые тела изнутри. Глава 10 объясняет электрические токи и полупроводники.

Исторический

• Электронная революция: изобретение будущего Дж. Б. Уильямса. Springer, 2017. Обширный обзор того, как электроника изменила нашу жизнь за последнее столетие или около того.
• Хрустальный огонь: The
  Изобретение транзистора и рождение века информации Майклом Риорданом и Лилиан Ходдесон. WW Norton & Co., 1998. Очень читаемая история транзисторов и интегральных схем.

Статьи

Технические

• Этот 40-летний транзистор изменил индустрию связи Джоанна Гудрич, IEEE Spectrum, 26 декабря 2019 г. Празднование быстро переключающихся транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT), изобретенных в 1979 Такаши Мимура из Fujitsu.
• Приветствую перовскитные транзисторы Дэвида Шнайдера. IEEE Spectrum, 16 января 2019 г. Как кристаллы перовскита можно «нарисовать» на подложке для изготовления полевых транзисторов.
• Является ли NanoRing от Qualcomm транзистором (ближайшего) будущего? Сэмюэл К. Мур. IEEE Spectrum, 14 декабря 2017 г. Как и почему Qualcomm остановилась на устройствах, называемых нанокольцами, в качестве потенциально новых типов транзисторов.
• Размеры затвора транзисторов в один нанометр были достигнуты Декстером Джонсоном. IEEE Spectrum, 7 октября 2016 г. Будущее за нанотранзисторами из углеродных нанотрубок?
• Преемник транзистора, установленный Венди М. Гроссман, чтобы скоро наступить век «Машины». Scientific American, 22 июля 2014 г. В основе компьютеров завтрашнего дня могут лежать мемристоры, а не транзисторы.
• Представляем вакуумный транзистор: устройство, сделанное из ничего, Джин-Ву Хан и Мейя Мейяппан. IEEE Спектр. 23 июня 2014 года. Частично вакуумная лампа, частично транзистор, он может работать в 10 раз быстрее, чем кремний, утверждают исследователи NASA Ames.
• Корпорация Intel переходит на 3D-технологии, реконструируя транзистор Чарльз Артур, Guardian, 4 мая 2011 г. Создание «трехмерных» транзисторов позволяет инженерам втиснуть еще больше их в одно и то же пространство.
• Прыжок в микромир после транзистора
  Джон Маркофф. The New York Times, 31 августа 2009 г. Какие устройства могут заменить транзисторы?

Исторический

• В картинках: Transistor History: BBC News, 15 ноября 2007 г. Фотографии пионеров транзисторов, первых транзисторов и схем.
• Утраченная история транзистора Майкла Риордана. IEEE Spectrum, 30 апреля 2004 г.

.

• Транзисторная физика У. Шокли. Американский ученый, 19 января.54, стр. 41–72.

Патенты

• Патент США: 2,524,035: Трехэлектродный элемент схемы с использованием полупроводниковых материалов: оригинальный патент на точечный транзистор, поданный Джоном Бардином и Уолтером Браттейном 17 июня 1948 г. и выданный в октябре 1950 г.
• Патент США: 2 569 347: элемент схемы, использующий полупроводниковый материал: это было яростное продолжение первоначального патента Шокли, поданного 26 июня 1948 г. (примерно через 10 дней после первоначального патента Бардина / Браттейна) и выданного 25 сентября 19 г.51.
• Патент США: 2 502 488: Полупроводниковый усилитель: еще один патент Шокли, поданный в сентябре 1948 г. и выданный в апреле 1950 г.

Видео

Технический

• MAKE представляет: The Transistor: отличное, понятное 9-минутное введение в тему транзисторов от Коллина Каннингема из MAKE.