Биполярный транзистор. Транзисторный эффект. Как делают транзисторы

Биполярный транзистор. Транзисторный эффект - Практическая электроника

После того, как мы с вами стали изучать биполярные транзисторы, в личку стало приходить очень много сообщений именно про них. Самые распространенные вопросы звучат примерно так:

Если транзистор состоит из двух диодов, тогда почему бы просто не использовать два диода и не сделать из них простой транзистор?

Почему электрический ток течет от коллектора к эмиттеру (или наоборот), если транзистор состоит из двух диодов, которые соединены или катодами или анодами? Ведь ток потечет только через диод, включенный в прямом направлении, через другой он ведь течь не может?

А ведь правда ваша…Все логично… Но что-то мне кажется, что где-то есть подвох ;-). А вот где эта самая «изюминка» мы и рассмотрим в этой статье…

Итак, как вы все помните из предыдущих статей, любой биполярный транзистор, скажем так, состоит из двух диодов. Для PNP транзистора

эквивалентная схема выглядит вот так:

А для NPN транзистора

как-то вот так:

А что мудрить? Давайте проведем простой опыт!

У нас имеется всеми нами любимый советский транзистор КТ815Б. Он представляет из себя кремниевый транзистор NPN проводимости:

Собираем простую схемку с ОЭ (Общим Эмиттером), чтобы продемонстрировать его некоторые свойства. Этот опыт я показывал в предыдущих статьях. Но как говорится, повторение — мать учения.

Для демонстрации опыта нам понадобится маломощная лампочка накаливания и парочка Блоков питания. Собираем все это дело вот по такой схеме:

где у нас Bat1 — это блок питания, который у нас включается между базой и эмиттером, а Bat2 — блок питания, который у нас включается между коллектором и эмиттером, и в придачу последовательно цепляется еще лампочка.

Все это выглядит вот так:

Так как лампочка нормально светит при напряжении в 5 В, на Bat 2 я также выставил 5 В.

На Bat 1 плавно повышаем напряжение… и при напряжении в 0,6 В

у нас загорается лампочка, значит наш транзистор «открылся»

Как я уже сказал, этот опыт мы еще описывали в предыдущих статьях.

Но раз уж транзистор состоит из диодов, то почему бы нам не взять два диода и «сделать» из них транзистор? Сказано — сделано. Собираем эквивалентную схему транзистора КТ815Б из двух диодов марки 1N4007.

На рисунке ниже я обозначил выводы диодов, как анод и катод, а также обозначил выводы «транзистора».

Собираем все это дело по такой же схеме:

Так как наш транзистор КТ815Б были кремниевый, и диоды 1N4007 тоже кремниевые, то по идее транзистор из диодов должен открыться при напряжении 0,6-0,7 В. Добавляем напряжение на Bat1 до 0,7 В…

и…

неа, лампочка не горит ((

Если обратите внимание на блок питания Bat1, то можно увидеть, что потребление при 0,7 В составляло уже 0,14 А.

Проще говоря, если бы мы еще чуток поддали напряжение, то спалили бы диод «база-эмиттер», если, конечно, вспомнить Вольтамперная характеристику (ВАХ) диода.

Но почему, в чем дело? Почему транзистор КТ815Б, который по сути состоит из таких же кремниевых диодов пропускает через коллектор-эмиттер электрический ток, а два диода, спаянных также, не работают как транзистор? Где же зарыта собака?

А вы знаете, как в транзисторе расположены эти «диоды»? Если учесть, что N полупроводник — это хлеб, а тонкий слой ветчины — это P полупроводник, то в транзисторе они располагаются примерно вот так (на салат не смотрим):

Весь прикол в том, что база в транзисторе по ширине очень тонкая, как эта ветчина, а коллектор и эмиттер по ширине как эти половинки хлеба (немного преувеличиваю конечно, они чуть меньше), поэтому транзистор, как бы это прикольно не звучало, ведет себя как транзистор :-), то есть открывается и пропускает ток через коллектор-эмиттер.

Благодаря тому, что база очень тонкая по ширине, значит два P-N перехода находятся на очень маленьком расстоянии друг от друга и между ними происходит взаимодействие. Это взаимодействие называется транзисторным эффектом. А какой может быть транзисторный эффект между диодами, у которых расстояние между двумя P-N переходами как до Луны?

Как ведут себя электроны и дырки, думаю, рассказывать нет смысла).

PS. Никогда не любил и не понимал движение этих дырок и электронов в сложных полупроводниковых приборах. Главное оно работает, остальное по барабану).

Ну что же? Если есть вопросы, прошу задавать не стесняться. Ну а если нет, то перейдем к следующей захватывающей дух теме — как усиливают транзисторы…

Продолжение——->

<——-Предыдущая статья

www.ruselectronic.com

Как сделать транзистор своими руками для солнечной батареи

Эта статья заинтересует в первую очередь тех, кто любит и умеет мастерить. Конечно, можно купить различные готовые устройства и приборы, в том числе и изделия солнечной фотовольтаики в сборе или россыпью. Но умельцам намного интереснее создать собственное устройство, не похожее на другие, но обладающее уникальными свойствами. Например, из транзисторов своими руками может быть изготовлена солнечная батарея, на базе этой солнечной батареи могут быть собраны различные устройства, например, датчик освещенности или маломощное зарядное устройство.

Собираем солнечную батарею

В промышленных гелиевых модулях в качестве элемента, преобразующего солнечный свет в электричество, используется кремний. Естественно, этот материал прошел соответствующую обработку, которая превратила природный элемент в кристаллический полупроводник. Этот кристалл нарезается на тончайшие пластины, которые затем служат основой для сборки больших солнечных модулей. Этот же материал используется и при изготовлении полупроводниковых приборов. Поэтому, в принципе, из достаточного количества кремниевых транзисторов можно изготовить солнечную батарею.

Для изготовления гелиевой батареи лучше всего использовать старые мощные приборы, имеющие маркировку «П» или «КТ». Чем мощнее транзистор, тем большую площадь имеет кремниевый кристалл, а следовательно, тем большую площадь будет иметь фотоэлемент. Желательно, чтобы они были рабочие, в противном случае их использование может стать проблематичным. Можно, конечно, попробовать использовать и неисправные транзисторы. Но при этом каждый из них следует проверить на предмет отсутствия короткого замыкания на одном из двух переходов: эмиттер – база или коллектор – база.

От того, какова структура используемых транзисторов (р-n-р или n-р-n), зависит полярность создаваемой батареи. Например, KT819 имеет структуру n-р-n, поэтому для него положительным («+») выходом будет вывод базы, а отрицательными («-») – выводы эмиттера и коллектора. А транзисторы типа П201, П416 имеют структуру р-n-р, поэтому для них отрицательным («-») выходом будет вывод базы, а положительными («+») - выводы эмиттера и коллектора. Если взять в качестве фотопреобразователя отечественные П201 – П203, то при хорошем освещении можно получить на выходе ток до трех миллиампер при напряжении в 1.5 вольта.

П202М Транзистор П202М

После того, как будет выбран тип и собрано достаточное количество транзисторов, к примеру, П201 или П416, можно приступать к изготовлению солнечной батареи. Для этого на расточном станке следует сточить фланцы транзисторов и удалить верхнюю часть корпуса. Затем нужно провести рутинную, но необходимую операцию по проверке всех транзисторов на пригодность использования их в качестве фотоэлементов. Для этого следует воспользоваться цифровым мультиметром, установив его в режим миллиамперметра с диапазоном измерения до 20 миллиампер. Соединяем «плюсовой» щуп с коллектором проверяемого транзистора, а «минусовой» - с базой.

Проверка транзистора

Если освещение достаточно хорошее, то мультиметр покажет значение тока в пределах от 0.15 до 0.3 миллиампер. Если значение тока окажется ниже минимального значения, то этот транзистор лучше не использовать. После проверки тока следует проверить напряжение. Не снимая щупов с выводов, мультиметр следует переключить на измерение напряжения в диапазоне до одного вольта. При этом же освещении прибор должен показать напряжение, равное примерно 0.3 вольта. Если показатели тока и напряжения соответствуют приведенным значениям, то транзистор годен для использования в качестве фотоэлемента в составе солнечной батареи.

Схема соединений транзисторов в солнечную батарею

Если есть возможность, то можно попробовать выбрать транзисторы с максимальными показателями. У некоторых транзисторов в плане расположения выводов для монтажа батареи может оказаться более удобным переход база – эмиттер. Тогда свободным остается вывод коллектора. И последнее замечание, которое нужно иметь в виду при изготовлении гелиевой батареи из транзисторов. При сборке батареи следует позаботиться об отводе тепла, так как при нагревании кристалл полупроводника, начиная примерно с температуры +25°С, на каждом последующем градусе теряет около 0.5% от начального напряжения.

П203Э Транзисторы П203Э с радиаторами охлаждения

В летний солнечный день кристалл кремния может нагреваться до температуры +80°С. При такой высокой температуре каждый элемент, входящий в состав гелиевой батареи, может терять в среднем до 0.085 вольта. Таким образом, коэффициент полезного действия такой самодельной батареи будет заметно снижаться. Именно для того, чтобы минимизировать потери, и нужен теплоотвод.

Обычный транзистор как элемент солнечной фотовольтаики

Кроме того, что обычный транзистор достаточно просто можно превратить в фотоэлектрический преобразователь, при небольшой фантазии его можно использовать и в других полезных схемах, используя фотоэлектрические свойства полупроводника. И область применения этих свойств может быть самая неожиданная. Причем применять модифицированный транзистор можно в двух вариантах – в режиме солнечной батареи и в режиме фототранзистора. В режиме солнечной батареи с двух выводов (база – коллектор или база – эмиттер) без каких-либо модификаций снимается электрический сигнал, вырабатываемый полупроводником при освещении его.

Фототранзистор представляет собой полупроводниковое устройство, реагирующее на световой поток и работающее во всех диапазонах спектра. Этот прибор преобразовывает излучение в электрический сигнал постоянного тока, одновременно усиливая его. Ток коллектора фототранзистора находится в зависимости от мощности излучения. Чем интенсивнее освещается область базы фототранзистора, тем больше становится ток коллектора.

Из обычного транзистора можно сделать не только фотоэлемент, преобразующий световую энергию в энергию электрическую. Обычный транзистор можно легко превратить в фототранзистор и использовать в дальнейшем уже его новые функциональные возможности. Для такой модификации подходят практически любые транзисторы. Например, серии MП. Если повернуть транзистор выводами кверху, то мы увидим, что вывод базы припаян непосредственно к корпусу транзистора, а выводы эмиттера и коллектора изолированы и заведены вовнутрь. Электроды транзистора расположены треугольником. Если повернуть транзистор так, чтобы вершина этого треугольника – база – была повернута к вам, то коллектор окажется слева, а эмиттер – справа.

Корпус транзистора, сточенный со стороны эмиттера

Теперь надфилем следует аккуратно сточить корпус транзистора со стороны эмиттера до получения сквозного отверстия. Фототранзистор готов к работе. Как и фотоэлемент из транзистора, так и самодельный фототранзистор может быть использован в различных схемах, реагирующих на свет. Например, в датчиках освещенности, которые управляют включением и выключением, например, внешнего освещения.

Схема простейшего датчика

Схема простейшего датчика освещения

И те, и другие транзисторы могут быть использованы в схемах слежения за положением солнца для управления поворотом солнечных батарей. Слабый сигнал с этих транзисторов достаточно просто усиливается, например, составным транзистором Дарлингтона, который, в свою очередь, уже может управлять силовыми реле.

Примеров использования таких самоделок можно привести великое множество. Сфера их применения ограничивается только фантазией и опытом человека, взявшегося за такую работу. Мигающие елочные гирлянды, регуляторы освещенности в комнате, управление освещением дачного участка… Все это можно сделать своими руками.

solarb.ru

Транзисторы. Часть 3. Из чего делают транзисторы

Начало статьи: История транзисторов, Транзисторы: назначение, устройство и принципы работы, Проводники, изоляторы и полупроводники

Чистые полупроводники имеют одинаковое количество свободных электронов и дырок. Такие полупроводники для изготовления полупроводниковых приборов не используются, о чем было сказано в предыдущей части статьи.

Для производства транзисторов (под ними в данном случае подразумеваются также диоды, микросхемы и собственно все полупроводниковые приборы) применяются полупроводники n и p типов: с электронной и дырочной проводимостью. В полупроводниках типа n основными носителями зарядов являются электроны, а в полупроводниках типа p дырки.

Полупроводники с требуемым типом проводимости получаются путем легирования (добавления примесей) к чистым полупроводникам. Количество этих примесей невелико, но свойства полупроводника меняются до неузнаваемости.

Легирующие примеси

Транзисторы не были бы транзисторами, если бы в их производстве не применялись трех и пятивалентные элементы, которые используются в качестве легирующих примесей. Без этих элементов просто невозможно было бы создание полупроводников различной проводимости, создание p-n (читается пэ — эн) перехода и транзистора в целом.

В качестве трехвалентных примесей с одной стороны используются индий, галлий, алюминий. Их внешняя оболочка содержит всего 3 электрона. Такие примеси отбирают электроны у атомов полупроводника, в результате чего проводимость полупроводника становится дырочной. Такие элементы называются акцепторами берущий.

С другой стороны это сурьма и мышьяк, — пятивалентные элементы. На внешней орбите у них по 5 электронов. Вступая в стройные ряды кристаллической решетки, они не могут найти места для пятого электрона, он остается свободным, а проводимость полупроводника становится электронной или типа n. Такие примеси называются донорами — дающий.

На рисунке 1 показана таблица химических элементов, которые находят применение в производстве транзисторов.

Рисунок 1. Влияние примесей на свойства полупроводников

Даже в химически чистом кристалле полупроводника, например, германия, содержатся примеси. Количество их невелико — один атом примеси на один миллиард атомов собственно германия. А в одном кубическом сантиметре получается примерно пятьдесят тысяч миллиардов чужеродных тел, которые называются примесными атомами. Вроде очень много?

Вот тут самое время вспомнить, что при токе в 1 A через проводник проходит заряд в 1 Кулон, или 6*10^18 (шесть миллиардов миллиардов) электронов в секунду. Другими словами примесных атомов не так уж и много и они придают полупроводнику совсем незначительную проводимость. Получается то ли плохой проводник, то ли не очень хороший изолятор. В общем, полупроводник.

Как получается полупроводник с проводимостью n

Давайте, посмотрим, что произойдет, если в кристалл германия ввести пятивалентный атом сурьмы или мышьяка. Достаточно наглядно это показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Введение в полупроводник 5-ти валентной примеси.

Небольшой комментарий к рисунку 2, который следовало бы сделать раньше. Каждая прямая между соседними атомами полупроводника на рисунке должна быть двойной, показывая, что в связи участвуют два электрона. Такая связь называется ковалентной и показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Ковалентная связь в кристалле кремния.

Для германия рисунок был бы абсолютно такой же.

Пятивалентный примесный атом внедряется в кристаллическую решетку, поскольку деваться ему просто некуда. Четыре валентных электрона из своих пяти он использует для создания ковалентных связей с соседними атомами, происходит внедрение в кристаллическую решетку. А вот пятый электрон останется свободным. Самое интересное в том, что атом самой примеси в этом случае становится положительным ионом.

Примесь в этом случае называют донором, она дает полупроводнику дополнительные электроны, которые будут основными носителями заряда в полупроводнике. Сам полупроводник, получивший дополнительные электроны от донора, будет полупроводником с электронной проводимостью или типа n negative.

Примеси вводятся в полупроводники в небольших количествах, всего один атом на десять миллионов атомов германия или кремния. Но это в сто с лишним раз больше, чем содержание собственных примесей в самом чистом кристалле, о чем было написано чуть выше.

Если теперь к получившемуся полупроводнику типа n присоединить гальванический элемент, как показано на рисунке 4, то электроны (кружки с минусом внутри) под действием электрического поля батарейки устремятся к ее положительному выводу. Отрицательный полюс источника тока отдаст в кристалл столько же электронов. Поэтому через полупроводник потечет электрический ток.

Рисунок 4.

Шестиугольники, у которых внутри знак плюс, есть не что иное, как атомы примеси, отдавшие электроны. Теперь это положительные ионы. Итог выше сказанного таков: введение в полупроводник примеси донора обеспечивает впрыск свободных электронов. В результате получается полупроводник с электронной проводимостью или типа n.

Если в полупроводник, германий или кремний, добавить атомы вещества с тремя электронами на внешней орбите, например индия, то результат будет, прямо сказать, противоположный. Это объединение показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Введение в полупроводник 3-х валентной примеси.

Если теперь к такому кристаллу присоединить источник тока, то перемещение дырок примет упорядоченный характер. Фазы перемещения показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Фазы дырочной проводимости

Дырка, находящаяся в первом атоме справа, это как раз трехвалентный атом примеси, захватывает электрон у соседа слева, в результате чего в нем остается дырка. Эта дырка в свою очередь заполняется электроном, оторванным от соседа (на рисунке он опять слева).

Таким способом создается перемещение положительно заряженных дырок от положительного к отрицательному полюсу батареи. Так продолжается до тех пор, пока дырка не подойдет вплотную к отрицательному полюсу источника тока, и заполнится от него электроном. В то же время электрон из ближайшего к плюсовому выводу источника покидает свой атом, получается новая дырка и процесс повторяется сначала.

Чтобы не запутаться, какого типа получается полупроводник при введении примеси, достаточно запомнить, что в слове донор есть буква эн (negative) получается полупроводник типа n. А в слове акцептор присутствует буква пэ (positive) полупроводник с проводимостью p.

Обычные кристаллы, например, германия, в том виде, в котором они существуют в природе, для производства полупроводниковых приборов непригодны. Дело в том, что обычный природный кристалл германия состоит из сросшихся между собой маленьких кристаллов.

Сначала исходный материал очищался от примесей, после чего германий расплавляли и в полученный расплав опускали затравку, — маленький кристалл с правильной решеткой. Затравка медленно вращалась в расплаве и постепенно поднималась вверх. Расплав обволакивал затравку и остывая формировал монокристаллический стержень больших размеров с правильной кристаллической решеткой. Внешний вид полученного монокристалла показан на рисунке 7.

Рисунок 7.

В процессе изготовления монокристалла в расплав добавляли легирующую примесь месь p или n типа, тем самым получая требуемую проводимость кристалла. Этот кристалл разрезали на маленькие пластинки, которые в транзисторе становились базой.

Коллектор и эмиттер изготавливали разными способами. Самый простой сводился к тому, что на противоположные стороны пластинки подкладывали маленькие кусочки индия, которые приваривали, разогревая место контакта до 600 градусов. После остывания всей конструкции, насыщенные индием участки, приобретали проводимость типа p. Полученный кристалл устанавливали в корпус и присоединяли выводы, в результате чего получались сплавные плоскостные транзисторы. Конструкция этого транзистора показана на рисунке 8.

Рисунок 8.

Такие транзисторы выпускались в шестидесятых годах двадцатого века под маркой МП39, МП40, МП42 и т.п. Сейчас это уже практически музейный экспонат. Наибольшее применение находили транзисторы структуры туры p-n-p.

В 1955 году был разработан диффузионный транзистор. По этой технологии для образования областей коллектора и эмиттера пластинку германия помещали в газовую атмосферу, содержащую пары нужной примеси. В этой атмосфере пластинку нагревали до температуры чуть ниже точки плавления и выдерживали необходимое время. В результате атомы примеси проникали в кристаллическую решетку, образовывая p-n переходы. Такой техпроцесс известен как метод диффузии, а сами транзисторы получили название диффузионных.

Частотные свойства сплавных транзисторов, надо сказать, оставляют желать лучшего: граничная частота не более нескольких десятков мегагерц, что позволяет использовать их в качестве ключа на низких и средних частотах. Такие транзисторы получили название низкочастотных, и уверенно будут усиливать лишь частоты звукового диапазона. Хотя на смену сплавным германиевым транзисторам давно уже пришли кремниевые, германиевые транзисторы производятся до сих пор для специальных применений, где требуется низкое напряжение для смещения эмиттера в прямом направлении.

Кремниевые транзисторы выпускаются по планарной технологии. Это значит, что все переходы выходят на одну поверхность. Они почти полностью вытеснили германиевые транзисторы из схем на дискретных элементах и применяются как компоненты интегральных схем, где германий никогда не использовался. В настоящее время германиевый транзистор найти очень нелегко.

Продолжение читайте в следующей статье.

Борис Аладышкин, http://electrik.info

energo.kcnti.ru