Полевой транзистор принцип работы. Принцип работы транзистора для чайников

Полевой транзистор: принцип работы

Среди множества полупроводниковых приборов следует отметить полевой транзистор, принцип работы которого основан на перемещающихся основных однотипных носителях заряда. Поток этих зарядов регулируется с помощью поперечного электрического поля. Источником поля является напряжение, приложенное к любому из электродов транзистора. Такой электрод получил дополнительное название затвора.

Поскольку перемещаются однотипные заряды, электроны или дырки, полевые транзисторы называются униполярными, в отличие от биполярных приборов. Они могут иметь управляющий р-п-переход или изолированный затвор. Основными параметрами устройств является входное и внутреннее (выходное) сопротивление, а также напряжение отсечки и прочие характеристики.

Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом

Данный прибор состоит из полупроводниковой пластины, на концах которой установлены электроды истока и стока. Именно при их участии происходит подключение устройства к управляемой сети. Соединение управляющей сети осуществляется с третьим электродом, выступающим в роли затвора. Поскольку у пластины и третьего электрода различные типы проводимости, то за счет этого и образуется р-п-переход.

С помощью источника питания, включенного во входную цепь, в области р-п-перехода создается обратное напряжение. Дополнительно к входной цепи производится подключение источника усиливаемых колебаний. Когда входное напряжение изменяется, то происходит изменение и обратного напряжения в районе р-п-перехода. В результате, происходит изменение п-канала, представляющего собой обедненный слой. То есть, фактически, изменяется поперечное сечение, через которое проходят основные носители заряда.

В зависимости от выполняемых функций, электроды прибора имеют следующие наименования:

Электрод исток: из него происходит вхождение в канал основных носителей зарядов.
Электрод сток: через него из канала происходит выход основных носителей зарядов.
Электрод затвор: регулирует поперечное сечение канала.

Сам канал может обладать одной из двух проводимостей. Проводимость полевых транзисторов бывает с «р» или «п» каналом. Напряжения смещения, которые подаются на эти электроды, имеют противоположную полярность.

Таким образом, принцип действия полевого транзистора очень похож на работу вакуумного триода. Триод имеет катод, анод и сетку, которые соответствуют истоку, стоку и затвору. Однако, конструкция полупроводникового прибора отличается в лучшую сторону и обладает большим набором функций.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Данная конструкция прибора отличается наличием изолирующего слоя, разделяющего затвор и канал. В качестве подложки используется полупроводниковый кристалл, имеющий высокое удельное сопротивление. В нем создаются области с проводимостью, противоположной подложке. В этих местах наносятся электроды стока и истока. Между ними, на поверхности кристалла наносится тонкий слой диэлектрического материала. В свою очередь, на этот слой производится нанесение третьего металлического электрода – затвора.

В структуру прибора входит металл, диэлектрик и полупроводник (МДП). Поэтому, данные устройства получили название МДП-транзисторов.

МДП-приборы имеют следующую классификацию:

С индуцированным каналом. В данной конструкции отсутствует проводящий канал между стоком и истоком. Поэтому, появление тока зависит от полярности стока и порогового напряжения на затворе в соответствии с истоком.
Со встроенным каналом. В этом приборе, при значении нулевого напряжения, под затвором происходит образование инверсионного слоя в виде канала, соединяющего сток и исток.

Таким образом, полевые транзисторы, имеют общий принцип работы, но отличается особенностями конструкции, что дает возможность их использования в самых разных областях.

Как работает полевой транзистор

electric-220.ru

Принцип работы транзистора | Квантовая физика

12.2. Содержание работы

Транзисторы используются в качестве основных элементов в усилителях и генераторах электрических колебаний.

Транзистор представляет собой полупроводник с двумя p-n -переходами. В зависимости от порядка, в котором чередуются области с различным типом проводимости, различают р-n-р- и n-р-n- транзисторы. Средняя часть транзистора (обладающая в зависимости от типа транзистора n- или p-проводимостью) называется его базой. Прилегающие к базе с обеих сторон области с иным, чем у нее, типом проводимости называют эмиттером и коллектором [1 - 3].

В основе работы транзистора лежит инжекция носителей тока. Рассмотрим р-n-переход, к которому приложена внешняя разность потенциалов в прямом (пропускном) направлении.

Под действием этой разности потенциалов дырки переходят из полупроводника р в полупроводник n, электроны из n- в р-, и в цепи возникает ток J, идущий слева направо. Дырки, перешедшие в полупроводник n, являются для него не основными носителями (основные носители в n- области - электроны; в р- области - дырки). Встречаясь с электронами, они рекомбинируют. Точно так же электроны, перешедшие в полупроводник р, являются для него неосновными носителями, которые в конце концов рекомбинируют с дырками. Так как процесс рекомбинации носителей тока протекает не мгновенно, то у границы p-n-перехода происходит накопление неосновных носителей: в электронном полупроводнике - накопление дырок, в дырочном полупроводнике - электронов. Происходит, как бы, "впрыскивание" электронов в граничный слой полупроводника р и дырок в граничный слой полупроводника n. Поэтому это явление получило название инжекции носителей.

По мере удаления от границы p-n-перехода, происходит все более полная рекомбинация неосновных носителей, вследствие чего их концентрация непрерывно уменьшается (рис. 12.1). Уравнение, описывающее изменение концентрации неосновных носителей, имеет вид

N = N0 ∙ e-t/τ

(12.1)

где N0 - концентрация неосновных носителей тока на границе р-n-перехода;τ - среднее время жизни носителей.

За время τ неосновные носители успевают продиффундировать от границы p-n-перехода внутрь полупроводника на расстоянии L , которое называется диффузионной длиной. Значение L весьма различно для полупроводников различной природы и сильно зависит от количества примесей и других несовершенств решетки полупроводника. Для очень чистого германия L превышает 1 мм, для германия, легированного примесями, L измеряется десятыми долями миллиметра.

Рассмотрим принцип работы транзистора типа n-p-n. Он состоит из двух n-областей, между которыми заключена p-область полупроводника (рис. 12.2). С помощью металлических электродов транзистор включается в цепь (рис. 12.3, а).Здесь БЭ и БС - источники питания, И – источник сигнала, R - нагрузочное сопротивление.

При таком включении левая п-область заряжается относительно средней p-области отрицательно, правая - положительно. Из рис. 12.3, б видно, что к левому эмиттерному р-n-переходу внешнее напряжение Uэ приложено в прямом направлении. Поэтому энергетический барьер для электронов, переходящих из эммитера в базу, понижен на еUэ, и оказывается равным е(Uк-Uэ). К коллекторному р-n-переходу внешнее напряжение Uc приложено в запорном направлении, вследствие чего энергетический барьер для электронов, идущих из коллектора в базу, повышается на еUc и становится равным е(Uк + Uc).

В эмиттерной области, обладающей n-проводимостью, ток создается, в основном, потоком электронов, которые являются основными носителями. В р-n-переходе эти электроны инжектируются в базовую область и в качестве неосновных носителей диффундируют к коллектору. Если толщина базы значительно меньше диффузионной длины электронов, то почти все электроны, впрыснутые в базовую область, достигают коллектора. Входя в коллектор в коллектор в качестве основных носителей, они сильно увеличивают его ток, который в отсутствие инжектированных электронов равнялся бы просто току насыщения р-n-перехода, включенного в запорном направлении, и был бы весьма мал.

Вследствие того что коллекторный р-n-переход включен в запорном направлении, его сопротивление велико. Это позволяет включать в цепь коллектора высокое нагрузочное сопротивление R. При подаче на эмиттерный р-n-переход незначительного напряжения от источника сигнала ток в цепи коллектора сильно меняется, на нагрузочном сопротивлении возникает большое напряжение. Поэтому такое устройство будет работать как усилитель.

Существуют три схемы включения транзисторов: с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Для каждой из этих схем существуют свои входные и выходные статические характеристики. Статическими характеристиками транзистора называют кривые, выражающие зависимость между постоянными напряжениями и токами различных электродов транзистора. В лабораторной работе использована схема включения транзистора с общим эмиттером.

Входная статическая характеристика транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, представляет собой зависимость тока базы от напряжения между эмиттером и базой при постоянном значении напряжения, приложенного между эмиттером и коллектором (рис.12.4, а):

Jб = ƒ ( Uэб ) при Uкэ = const

(12.2)

Выходная статическая характеристика транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, представляет собой зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы (рис. 12.4, б):

Jк = ƒ ( Uкэ ) при Jб = const

(12.3)

Для расчета и анализа схем на транзисторах пользуются следующими параметрами. 1) Входное сопротивление (при различных Jб):

Rвх = ∆Uб / ∆Jб

(12.4)

где ∆Uб - изменение напряжения между эмиттером и базой;∆Jб - соответствующее изменение тока.

2) Выходное сопротивление (при различных Uк):

Rвых = ∆Uк / ∆Jк

(12.5)

где ∆Uк – изменение напряжения между коллектором и эмиттером;∆Jк - соответствующее изменение тока.

3) Коэффициент усиления по току при постоянном напряжении между эмиттером и коллектором:

KJ = ∆Jк / ∆Jб

(12.6)

4) Коэффициент усиления по напряжению при постоянном токе базы:

KU = ∆Uк / ∆Uб

(12.7)

5) Коэффициент усиления по мощности:

KW = Wвых / Wвх = ( Jк ∙ Uк ) / ( Jб ∙ Uб )

(12.8)

fevt.ru

в чём заключается функция, как работает, классификация и определение для чайников

Любое электронное устройство состоит из радиоэлементов. Они могут быть пассивными, не требующими источника питания, и активными, работа которых возможна только при подаче напряжения. Активными элементами называют полупроводники. Одним из важнейших полупроводниковых приборов является транзистор. Этот радиоэлемент пришёл на смену ламповым приборам и полностью изменил схемотехнику устройств. Вся микроэлектроника и работа любой микросхемы базируется именно на нём.

Содержание материала

Общие сведения

Название «транзистор» произошло от слияния двух английских слов: transfer — переносимый, и resistor — сопротивление. В общепринятом понятии это полупроводниковый элемент с тремя выводами. В нём величина тока на двух выводах зависит от третьего, при изменении на котором тока или напряжения происходит управление значением тока выходной цепи. Вариацией тока управляются биполярные приборы, а напряжением — полевые.

Первые разработки транзистора были начаты в XX веке. В Германии учёный Юлий Эдгар Лилиенфельд описал принцип работы транзистора, а уже в 1934 году физиком Оскаром Хейл был зарегистрирован прибор, названный позже транзистором. Такое устройство работало на электростатическом эффекте поля.

Физики Уильям Шокли, Уолтер Браттейн вместе с учёным Джоном Бардином в конце 40-х годов изготовили первый макет точечного транзистора. С открытием n-p перехода выпуск точечного транзистора прекратился, а вместо него начались разработки плоскостных устройств из германия. Официально представлен был действующий прототип транзистора в декабре 1947 года. В этот день появился первый биполярный транзистор. Летом 1948 года начались продаваться устройства, выполненные на транзисторной основе. С этого момента распространённые на тот момент электронные лампы (триоды) начали уходить в прошлое.

Также рекомендуем прочитать:

В середине 50-х годов первый плоскостной транзистор был выпущен в серию компанией Texas Instruments, в качестве материала для его изготовления послужил кремний. На тот момент при производстве радиоэлемента выходило много брака, но это не помешало технологическому развитию прибора. В 1953 году на транзисторах была изготовлена схема, использующаяся в слуховых аппаратах, а годом позже американские физики получили за своё открытие Нобелевскую премию.

Март 1959 года ознаменовался созданием первого кремниевого планарного прибора, его разработчиком был физик из Швейцарии Жан Эрни. Пара транзисторов была успешно размещена на одном кристалле кремния. С этого момента и началось развитие интегральной схемотехники. На сегодняшний день в одном кристалле размещается более миллиарда транзисторов. Например, на популярном 8-ядерном компьютерном процессоре Core i7−5960X их количество составляет 2,6 миллиарда штук.

Параллельно с усовершенствованиями биполярного транзистора в 60-х годах начались разработки прибора на основе соединения металла с полупроводником. Такой радиоэлемент получил название МОП (металл-оксид-полупроводник) транзистор, сегодня более известный под обозначением «мосфет».

Изначально понятие «транзистор» относилось к сопротивлению, величина которого управлялась напряжением, поскольку транзистор можно представить как некий резистор, регулируемый приложенным потенциалом на одном выводе. Для полевых транзисторов, сравнение с которыми более верно, — потенциалом на затворе, а для биполярных транзисторов — потенциалом на базе или током базы.

Электронно-дырочный переход

Основа работы прибора заключается в способности n-p перехода пропускать ток в одну сторону. При подаче напряжения на одном переходе возникает его прямое падение, а на другом обратное. Зона перехода с прямым напряжением обладает малым сопротивлением, а с обратным — большим. Между базой и эмиттером протекает небольшой ток управления. От значения этого тока изменяется сопротивление между коллектором и эмиттером. Биполярный прибор бывает двух типов:

Отличие заключается лишь в основных носителях заряда, т. е. направлении тока.

Если соединить два полупроводника разного типа между собой, то на границе соединения возникает область или, как принято называть, p-n переход. Тип проводимости зависит от атомного строения материала, а именно насколько прочны связи в материале. Атомы в полупроводнике располагаются в виде решётки, и сам по себе такой материал не является проводником. Но если в решётку добавить атомы другого материала, то физические свойства полупроводника изменяются. Примешанные атомы образовывают, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки.

Образованные свободные электроны формируют отрицательный заряд, а дырки — положительный. В области перехода существует потенциальный барьер. Он образуется контактной разностью потенциалов, и его высота не превышает десятые доли вольта, препятствуя протеканию носителей заряда вглубь материала. Если переход находится под прямым напряжением, то величина потенциального барьера уменьшается, а величина проходящего через него тока увеличивается. При прикладывании обратного напряжения, величина барьера увеличивается и сопротивление барьера прохождению тока возрастает. Понимая работу p-n перехода, можно разобраться, как устроен транзистор.

Классификация устройств

В первую очередь такие приборы разделяются на одиночные и составные. Существуют и так называемые комплексные радиоэлементы. Они имеют три вывода и выполненны, как единое целое. Такие сборки содержат как однотипные, так и разные по своему типу транзисторы. Основное разделение приборов происходит по следующим признакам:

Канальность. В зависимости от того, какие носители зарядов являются основными бывают p-типа и n-типа.
Технологии изготовления. Выпускаются биполярными, полевыми, комбинированными.
По типу полупроводника. В качестве материала для изготовления применяется кремний, германий и арсенид-галлия. В последнее время начали выпускаться транзисторы, использующие в качестве основы прозрачные полупроводники. Например, для построения дисплейных матриц. А также использующие в качестве материалов полимеры и углеродные нанотрубки.
По рассеиваемой мощности. Разделяются на три типа: маломощные, средней мощности и мощные. Первые не превышают значения 0,1 Вт, вторые находятся в диапазоне 0,1−1 Вт, а к мощным относят все те, что превышают 1 Вт.
По виду исполнению. Выделяют дискретные транзисторы, которые могут быть как корпусными, так и нет, и транзисторы, входящие в состав интегральных схем.

Общее определение для радиоэлемента можно сформулировать следующим образом: транзистор — это полупроводниковый элемент, предназначенный для преобразования электрических величин. Основное его применение заключается в усилении сигнала или работе в ключевом режиме.

Биполярный прибор

Принцип работы транзистора для «чайника» проще описать по аналогии с водопроводом. Сам элемент можно представить в виде вентиля. Кран небольшим поворотом позволяет регулировать поток воды (силу тока). Если немного повернуть рукоятку, вода потечёт по трубе (проводнику), если приоткрыть кран ещё сильнее, поток воды также увеличится. Таким образом, выход потока воды пропорционален её входу, умноженному на определённую величину. Этой величиной называется коэффициент усиления.

Биполярный транзистор имеет три вывода: эмиттер, база, коллектор. Эмиттер и коллектор имеют одинаковый тип проводимости, который отличный от базы. Дырочного типа транзисторы состоят из двух областей p -типа проводимости, и одной n -типа. Электронного типа наоборот. Каждая область имеет свой вывод.

При подаче на эмиттер сигнала нужной проводимости ток в области базы увеличивается. Основные носители заряда перемещаются в зону базы, что приводит к возрастанию тока и в обратной области подключения. Возникает объёмный заряд. Электрическое поле начинает втягивать в зону обратного подключения носители другого знака. В базе происходит частичная рекомбинация (уничтожение) зарядов противоположного знака, благодаря чему и возникает ток базы.

Эмиттером называют область прибора, служащую для передачи носителей заряда в базу. Коллектором называют зону, предназначенную для извлечения носителей заряда из базы. А база — это область для передачи эмиттером противоположной величины заряда. Основной характеристикой прибора является вольт-амперная характеристика, функция которой описывает зависимость между током и напряжением.

На схеме устройство подписывается латинскими буквами VT или Q. Выглядит как круг со стрелкой внутри, где стрелка указывает направление протекания тока. Для PNP (прямая проводимость) — стрелка внутрь, а NPN (обратная проводимость) — стрелка наружу. Для того чтобы сделать транзистор, используется германий или кремний. Отличаются эти материалы рабочей областью напряжения базового перехода. Для германиевых он лежит в диапазоне 0,1−0,4 В, а для кремниевых от 0,4 до 1,2 В. Обычно используется кремний.

Полевой транзистор

Отличие полевого транзистора от биполярного в том, что в нём за прохождение тока отвечает величина напряжения, приложенная к управляемому контакту.

Основное назначение мосфетов связывают с их хорошей скоростью переключения при весьма небольшой мощности, приложенной к выводу управления. Полевой элемент имеет три вывода: затвор, сток, исток. При работе мосфета с управляющим n-p переходом потенциал на затворе либо равен нулю (прибор открыт), или имеет определённое значение, превышающее ноль (прибор закрыт). Когда обратное напряжения достигает определённого уровня, то открывается запирающий слой, и устройство переходит в режим отсечки.

В мосфете с p-n переходом управляющим электродом (затвором) служит слой полупроводника, имеющий проводимость р-типа, а противоположной проводимости — канал n-типа.

Изображение его на схеме сходно биполярному устройству, только все линии выполняются прямыми, а стрелка внутри подчёркивает разновидность прибора. В основе принципа действия МОП приборов лежит эффект изменения проводимости полупроводника на границе области с диэлектриком при воздействии электрического поля. Полевые устройства в зависимости от управляемого p-n перехода могут быть:

Со встроенным каналом. Работают в двух режимах: обеднения и обогащения. В первом режиме величина потенциала на затворе превышает значение на истоке, что приводит к снижению значения тока на нём. Если приложенный потенциал больше напряжения отсечки, то ток между выводами стока и истока отсутствует. При обогащении, наоборот, чем больше величина потенциала между выводами затвор-исток, тем больше ток стока.
С индуцированным (наведённым) каналом. Для p-канального устройства при отсутствии потенциала на выводе затвор-исток ток стока близок к нулю. Такой тип работает только в режиме обогащения. При этом напряжение на выводах исток-затвор должно быть больше нуля. Когда это напряжение превысит значение порогового, то между стоком и истоком возникнет проводимость p-типа. Связано это с тем, что количество дырок под затвором увеличится. Это явление называется инверсией.

Каждый вид может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. В общем понимании принцип работы не зависит от проводимости, меняется только полярность источника напряжения.

Принцип действия для чайников

Транзистор — это сложный прибор, физические процессы проходящие в котором сложны для понимания начинающим радиолюбителям (чайникам). Как работает транзистор, можно объяснить следующим образом: транзистор — это электронный ключ, степень открывания которого зависит от уровня тока или напряжения, приложенного к его управляемому выводу (база или затвор).

Зачем нужен транзистор, можно описать в обобщённой форме. Например, база (затвор) прибора — это дверь. Она открывается внешним воздействием, т. е. напряжением той же полярности, что и коллектор (исток). Чем больше напряжение, тем дверь больше откроется. Перед дверью стоит очередь людей (носители заряда), которые хотят пробежать через неё (коллектор-эмиттер или исток-сток). Чем больше воздействие на дверь, тем больше она открыта, а значит, и больше пробежит людей.

Поэтому, представляя дверь в виде сопротивления перехода, можно сделать вывод: чем больше воздействие на базу (затвор), тем меньше сопротивление основным носителям заряда (людям) в случае прямой полярности. Если полярность поменяется (дверь закроется на замок), то никакого движения зарядов (людей) не будет.

pochini.guru