Устройство транзистора и принцип работы: простым языком для чайников, схемы

MOSFET транзисторы. Устройство, принцип работы и разновидности.

На сегодняшний день, среди достаточного количества разновидностей транзисторов выделяют два класса: p-n – переходные транзисторы (биполярные) и транзисторы с изолированным полупроводниковым затвором (полевые).

Другое название, которое можно встретить при описании полевых транзисторов – МОП (металл – окисел – полупроводник). Обусловлено это тем, что в качестве диэлектрического материала в основном используется окись кремния (SiO₂).

Еще одно, довольно распространенное название – МДП (металл – диэлектрик – полупроводник).

Немного пояснений. Очень часто можно услышать термины MOSFET, мосфет, MOS-транзистор. Данный термин порой вводит в заблуждение новичков в электронике.

Что же это такое MOSFET ?

MOSFET – это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем). Поэтому MOSFET – это не что иное, как обычный МОП-транзистор.

Думаю, теперь понятно, что термины мосфет, MOSFET, MOS, МДП, МОП обозначают одно и тоже, а именно полевой транзистор с изолированным затвором.

Внешний вид одного из широко распространённых мосфетов – IRFZ44N.

Стоит помнить, что наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction – переход). Транзистор J-FET также является полевым, но управление им осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода. В отличие от MOSFET’а, J-FET имеет немного иную структуру.

Принцип работы полевого транзистора.

Суть работы полевого транзистора заключается в возможности управления протекающим через него током с помощью электрического поля (напряжения). Этим он выгодно отличается от транзисторов биполярного типа, где управление большим выходным током осуществляется с помощью малого входного тока.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.

Взглянем на упрощённую модель полевого транзистора с изолированным затвором (см. рис.). Поскольку мосфеты бывают с разным типом проводимости (n или p), то на рисунке изображён полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.

Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором

Основу МДП-транзистора составляет:

• Подложка из кремния. Подложка может быть как из полупроводника p-типа, так и n-типа. Если подложка p-типа, то в полупроводнике в большей степени присутствуют положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решётки кремния. Если подложка имеет тип n, то в полупроводнике в большей степени присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны. В обоих случаях формирование полупроводника p или n типа достигается за счёт введения примесей.

• Области полупроводника n+. Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому «+»), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.

• Диэлектрик. Он изолирует электрод затвора от кремниевой подложки. Сам диэлектрик выполняют из оксида кремния (SiO₂). К поверхности диэлектрика подключен электрод затвора – управляющего электрода.

Теперь в двух словах опишем, как это всё работает.

Если между затвором и истоком приложить напряжение плюсом (+) к выводу затвора, то между металлическим выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле. Оно в свою очередь начинает притягивать к приповерхностному слою у диэлектрика отрицательно заряженные свободные электроны, которые в небольшом количестве рассредоточены в кремниевой подложке.

В результате в приповерхностном слое скапливается достаточно большое количество электронов и формируется так называемый канал – область проводимости. На рисунке канал показан синим цветом. То, что канал типа n – это значит, что он состоит из электронов. Как видим между выводами истока и стока, и собственно, их областями n+ образуется своеобразный «мостик», который проводит электрический ток.

Между истоком и стоком начинает протекать ток. Таким образом, за счёт внешнего управляющего напряжения контролируется проводимость полевого транзистора. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал в приповерхностном слое исчезнет и транзистор закроется – перестанет пропускать ток. Следует отметить, что на рисунке упрощённой модели показан полевой транзистор с каналом n-типа. Также существуют полевые транзисторы с каналом p-типа.

Показанная модель является сильно упрощённой. В реальности устройство современного MOS-транзистора гораздо сложнее. Но, несмотря на это, упрощённая модель наглядно и просто показывает идею, которая была заложена в его устройство.

Кроме всего прочего полевые транзисторы с изолированным затвором бывают обеднённого и обогащённого типа. На рисунке показан как раз полевой транзистор обогащённого типа – в нём канал «обогащается» электронами. В мосфете обеднённого типа в области канала уже присутствуют электроны, поэтому он пропускает ток уже без управляющего напряжения на затворе. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов обеднённого и обогащённого типа существенно различаются.

О различии MOSFET’ов обогащённого и обеднённого типа можно прочесть тут. Там же показано, как различные МОП-транзисторы обозначаются на принципиальных схемах.

Нетрудно заметить, что электрод затвора и подложка вместе с диэлектриком, который находится между ними, формирует своеобразный электрический конденсатор. Обкладками служат металлический вывод затвора и область подложки, а изолятором между этими электродами – диэлектрик из оксида кремния (SiO₂). Поэтому у полевого транзистора есть существенный параметр, который называется ёмкостью затвора.

Об остальных важных параметрах мосфетов я уже рассказывал на страницах сайта.

Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами на низких частотах. Поэтому их активно применяют в звукоусилительной технике. Так, например, современные микросхемы усилителей мощности низкой частоты для автомобильных CD/MP3-проигрывателей имеют в составе MOSFET’ы. На приборной панели автомобильного ресивера можно встретить надпись «Power MOSFET» или что-то похожее. Так производитель хвастается, давая понять, что он заботится не только о мощности, но и о качестве звука.

Полевой транзистор, в сравнении с транзисторами биполярного типа, обладает более высоким входным сопротивлением, которое может достигать 10 в 9-й степени Ом и более. Эта особенность позволяет рассматривать данные приборы как управляемые потенциалом или по-другому – напряжением. На сегодня это лучший вариант создания схем с достаточно низким потреблением электроэнергии в режиме статического покоя. Данное условие особенно актуально для статических схем памяти имеющих большое количество запоминающих ячеек.

Если говорить о ключевом режиме работы транзисторов, то в данном случае биполярные показывают лучшую производительность, так как падение напряжений на полевых вариантах очень значительно, что снижает общую эффективность работы всей схемы. Несмотря на это, в результате развития технологии изготовления полупроводниковых элементов, удалось избавиться и от этой проблемы. Современные образцы обладают малым сопротивлением канала и прекрасно работают на высоких частотах.

В результате поисков по улучшению характеристик мощных полевых транзисторов был изобретён гибридный электронный прибор – IGBT-транзистор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного. Подробнее о IGBT-транзисторе можно прочесть здесь.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

• Биполярный транзистор.

• Устройство и принцип работы геркона.

 

Принцип действия транзистора, внутреннее устройство и основные характеристики транзисторов

Транзисторами (transistors, англ.) называют полупроводниковые триоды у которых расположено три выхода. Их основным свойством является возможность посредством сравнительно низких входных сигналов осуществлять управление высоким током на выходах цепи.

Для радиодеталей, которые используются в современных сложных электроприборах, применяются полевые транзисторы. Благодаря свойствам этих элементов выполняется включение или выключение тока в электрических цепях печатных плат, или его усиление.

Что представляет собой полевой транзистор

Полевые транзисторы — это трех или четырех контактные устройства, в которых ток, идущий на два контакта может регулироваться посредством напряжения электрополя третьего контакта. на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. В результате этого подобные транзисторы называются полевыми.

Название расположенных на устройстве контактов и их функции:

• Истоки – контакты с входящим электрическим током, которые находится на участке n;
• Стоки – контакты с исходящим, обработанным током, которые находятся на участке n;
• Затворы – контакты, находящиеся на участке р, посредством изменения напряжения на котором, выполняется регулировка пропускной способности на устройстве.

Полевые транзисторы с n-p переходами – особые виды, позволяющие управлять током. От простых они, как правило, отличаются тем, через них протекает ток, без пересечения участка р-n переходов, участка который образуется на границах этих двух зон. Размеры р-n участка являются регулируемыми.

Что это такое

Транзистор — это особый элемент электроцепи полупроводникового типа, который служит для изменения основных электрических параметров электротока и для регулирования этих параметров. В стандартном полупроводниковом триоде есть всего 3 вывода: коллектор, инжектор зарядов и базовый элемент, на который собственно и направляются электроны от управления. Также имеются комбинированные транзисторы с большой мощностью. Если обычные элементы, используемые в интегральных схемах, могут быть размером в несколько нанометров, то производственные транзисторы для промышленных предприятий имеют корпус и составляют до 1 сантиметра в ширину. Напряжение обратного типа производственных управляющих триодов достигает 1 тысячи Вольт.

2SD1710 для импульсных блоков питания

Конструкция триода сделана на основе слоев полупроводника, заключенных в корпусе элемента. В качестве полупроводников выступают материалы, в основу которых входит кремний, германий, галлий и некоторые другие химические элементы. В настоящее время проводится множество исследований, которые предлагают в качестве материалов различные виды полимеров и углеродных нанотрубок.

Важно! Когда-то кристаллы полупроводников располагали в металлических отсеках в виде шляп с тремя выводами. Такое строение было характерно для точечных элементов транзисторного типа.

Различные виды рассматриваемых радиоэлементов

На сегодняшний день строение практически всех плоских и кремниевых транзисторов основано на легированном монокристалле. Они находятся в пластмассовых, металлических или стеклянных корпусах. У многих из них есть выступающие выводы, позволяющие отвести тепло при сильном нагреве от электричества.

Кремниевый биполярный транзистор 2SA1286

Выводы современных транзисторов расположены, как правило, в один ряд. Это удобно, так как плату собирают роботы, и это экономит ресурсы. Выводные контакты также не маркируются на корпусе элемента. Вид вывода определяют по инструкции эксплуатации или после тестовых замеров.

Вам это будет интересно Электросчетчик Энергомера Се 101

Важно! Для транзисторов применяют сплавы полупроводникового типа с разным строением: PNP или NPN. Их различие заключается в разных знаках напряженности на выводах.

Если брать схематически, то описать этот радиоэлемент можно так: два полупроводника, разделенные дополнительным слоем, который управляет проводимостью триода.

Схема устройства полевых радиоэлементов

Виды полевых транзисторов

Полевой транзистор с n-р переходами подразделяется на несколько классов в зависимости:

1. От типа каналов проводников: n или р. Каналы воздействую на знаки, полярности, сигналы управления. Они должны быть противоположны по знакам n-участку.
2. От структуры приборов: диффузных, сплавных по р -n — переходам, с затворами Шоттки, тонкопленочными.
3. От общего числа контактов: могут быть трех или четырех контактными. Для четырех контактных приборов, подложки также являются затворами.
4. От используемых материалов: германия, кремния, арсенид галлия.

В свою очередь разделение классов происходит в зависимости от принципа работы транзистора:

• устройства под управлениями р-n переходов;
• устройства с изолированными затворами или с барьерами Шоттки.

Быполярные транзисторы

Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицательные заряды переносятся электронами. В биполярном транзисторе используют кристалл из германия или кремния — основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов.

Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми, другие — германиевыми. Для обоих разновидностей биполярных транзисторов характерны свои особенности, которые обычно учитывают при проектировании устройств.

Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появление в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость). Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой.

Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близколежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзистор.

Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей заряда, а вторую — коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмиттером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваивают названия, аналогичные его электродам.

Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электрическое напряжение — входной сигнал, то в цепи коллектор — эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмиттером, но во много раз больший по значению.

Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относительно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) должно быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера — несколько вольт.

Включение в цепь n-р-n и р-n-р транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещения. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой лишь значением напряжения смещения. У кремниевых оно примерно на 0,45 В больше, чем у герма ниевых.

Рис. 1. Напряжения смещения базы для кремниевых и германиевых транзисторов.

На рис. 1 показаны условные графические обозначения транзисторов той и другой структуры, выполненных на основе германия и кремния, и типовое напряжение смещения. Электроды транзисторов обозначены первыми буквами слов: эмиттер — Э, база — Б, коллектор — К.

Напряжение смещения (или, как принято говорить, режим) показано относительно эмиттера, но на практике напряжение на электродах транзистора указывают относительно общего провода устройства. Общим проводом в устройстве и на схеме называют провод, гальванически соединенный с входом, выходом и часто с источником питания, т. е. общий для входа, выхода и источника питания.

Усилительные и другие свойства транзисторов характеризуются рядом электрических параметров, наиболее важные из которых рассмотрены ниже.

Статический коэффициент передачи тока базы h31Э показывает, во сколько раз ток коллектора биполярного транзистора больше тока его базы, вызвавшего этот ток. У большинства типов транзисторов численное значение этого коэффициента от экземпляра к экземпляру может изменяться от 20 до 200. Есть транзисторы и с меньшим значением — 10…15, и с большим — до 50…800 (такие называют транзисторами со сверхусилением).

Нередко считают, что хорошие результаты можно получить только с транзисторами, имеющими большое значение h31э. Однако практика показывает, что при умелом конструировании аппаратуры вполне можно обойтись транзисторами, имеющими h3lЭ, равный всего 12…20. Примером этого может служить большинство конструкций, описанных в этой книге.

Частотными свойствами транзистора учитывается тот факт, что транзистор способен усиливать электрические сигналы с частотой, не превышающей определенного для каждого транзистора предела. Частоту, на которой транзистор теряет свои усилительные свойства, называют предельной частотой усиления транзистора.

Для того, чтобы транзистор мог обеспечить значительное усиление сигнала, необходимо, чтобы максимальная рабочая частота сигнала была по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты fт транзистора. Например, для эффективного усиления сигналов низкой частоты (до 20 кГц) применяют низкочастотные транзисторы, предельная частота которых не менее 0,2…0,4 МГц.

Для усиления сигналов радиостанций длинноволнового и средневолнового диапазонов волн (частота сигнала не выше 1,6 МГц) пригодны лишь высокочастотные транзисторы с предельной частотой не ниже 16…30 МГц.

Максимальная допустимая рассеиваемая мощность — это наибольшая мощность, которую может рассеивать транзистор в течение длительного времени без опасности выхода из строя. В справочниках по транзисторам обычно указывают максимальную допустимую мощность коллектора Яктах, поскольку именно в цепи коллектор — эмиттер выделяется наибольшая мощность и действуют наибольшие ток и напряжение.

Базовый и коллекторный токи, протекая по кристаллу транзистора, разогревают его. Германиевый кристалл может нормально работать при температуре не более 80, а кремниевый — не более 120°С. Тепло, которое выделяется в кристалле, отводится в окружающую, среду через корпус транзистора, а также и через дополнительный теплоотвод (радиатор), которым дополнительно снабжают транзисторы большой мощности.

В зависимости от назначения выпускают транзисторы малой, средней и большой мощности. Маломощные используют главным образом для усиления и преобразования слабых сигналов низкой и высокой частот, мощные — в оконечных ступенях усиления и генерации электрических колебаний низкой и высокой частот.

Усилительные возможности ступени на биполярном транзисторе зависят не только от того, какой он мощности, а сколько от того, какой конкретно выбран транзистор, в каком режиме работы по переменному и постоянному току он работает (в частности, каковы ток коллектора и напряжение между коллектором и эмиттером), каково соотношение рабочей частоты сигнала и предельной частоты транзистора.

Принцип работы полевого транзистора

Говоря простыми словами о том, как работает полевой транзистор для чайников с управляющими p-n переходами, стоит отметить: радиодетали состоят из двух участков: p-переходов и n-переходов. По участку n проходит электроток. Участок р является перекрывающей зоной, неким вентилем. Если оказывать определенное давление на нее, то она будет перекрывать участок и препятствовать прохождению тока. Либо, же наоборот, при снижении давления количество проходящего тока возрастет. В результате такого давления осуществляется увеличение напряжения на контактах затворов, находящихся на участке р.

Приборы с управляющими p-n канальными переходами — это полупроводниковые пластины, имеющие электропроводность с одним из данных типов. К торцевым сторонам пластин выполняется подсоединение контактов: стока и истока, в середину — контакты затвора. Принцип работы прибора основан на изменении пространственных толщин p-n переходов. Так как в запирающих областях практически отсутствуют подвижные носители заряда, их проводимость равняется нулю. В полупроводниковых пластинах, на участках которых не воздействует запирающий слой, создаются проводящие ток каналы. Если подается отрицательное напряжение в отношении истока, на затворе образуется поток, через который протекают носителя заряда.

Для изолированных затворов, характерно расположение на них тонкого слоя диэлектрика. Такое устройство работает по принципу электрических полей. Для его разрушения понадобится всего лишь небольшое электричество. В связи с этим, чтобы предотвратить статическое напряжение, которое может превышать 1000 В, необходимо создание специальных корпусов для приборов, которые минимизируют эффект от воздействия вирусных типов электричества.

Обозначение на электросхемах

У транзистора есть принятое обозначение: «ВТ» или «Q». После букв нужно указать индекс позиции. Например, ВТ 2. На старых чертежах можно найти условные обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ», которые более не используются. Транзистор рисуют в виде неких отрезков, обозначающих контакты электродов. Иногда их обводят кругом. Направление электротока в области эмиттера указывает специальная стрелка.

Схема работы простейшего радиоэлемента

По принципу действия и строению различают следующие полупроводниковые триоды:

• Полевого типа;
• Биполярного;
• Комбинированного.

Все они обладают схожим функционалом и отличаются по технологии работы.

Полевые

Такие триоды ещё называют униполярными, из-за их электрических свойств — у них происходит течение тока только одной полярности. Такой тип также подразделяется на некоторые виды по своему строению и типу регулировки:

• Транзисторы с PN переходом управления;
• Элементы с затвором изолированного типа;
• Такие же транзисторы другой структуры (металл-диэлектрик-проводник).

Важно! Изолированный затвор обладает одной отличительной особенностью — наличием диэлектрического слоя между ним и каналом.

Схема элемента с затвором изолированного типа

Еще одна особенность полевых транзисторов — низкое потребление электроэнергии. Например, такой элемент может функционировать больше одного года на одной батарейке. Полевые радиоэлементы довольно независимы: они потребляют крайне мало электроэнергии. Такой прибор может годами работать на пальчиковой батарейке или небольшом аккумуляторе. Именно это и обусловило их широкое применение в электросхемах и приборах.

Вам это будет интересно Время-токовая характеристика

Электронно-дырочный переход

Биполярные

Свое название эти элементы получили за то, что они способны пропускать электрические заряды плюса и минуса через один проходной канал. Также они обладают низким входным сопротивлением. Такие приспособления работают как усилители сигнала и коммутаторы. Благодаря им в электроцепь можно подключить довольно сильную нагрузку и понизить действие ее сопротивления. Биполярники являются наиболее популярными полупроводниковыми приборами активного типа.

Принцип работы биполярного транзистора в схеме

Комбинированные

Комбинированные элементы изобретаются для того, чтобы по применению одного дискретного состояния достичь требуемых электрических параметров. Они бывают:

• Биполярными с внедрёнными в их схему резисторами;
• Двумя триодами одной или нескольких структур строения в единой детали;
• Лямбда-диодами — сочетанием двух полевых управляющих триодов, создающих сопротивляемость со знаком «минус»;
• Элементы, в которых полевые составляющие управляют биполярными.

Комбинированный транзистор

Для чего нужен полевой транзистор

При рассмотрении работы сложных видов электротехники, стоит рассмотреть работу такого важного компонента интегральной схемы, как полевой транзистор. Основная задача от использования данного элемента заключается в пяти ключевых направлениях, в связи с чем транзистор применяется для:

1. Усиления высокой частоты.
2. Усиления низкой частоты.
3. Модуляции.
4. Усиления постоянного тока.
5. Ключевых устройств (выключателей).

В качестве простого примера работа транзистора-выключателя, может быть представлена как микрофон и лампочка в одной компановке. Благодаря микрофону улавливаются звуковые колебания, что влияет на появление электрического тока, поступающего на участок запертого устройства. Присутствие тока влияет на включение устройства и включение электрической цепи, к которой подключаются лампочки. Последние загораются после того как микрофон уловил звук, но горят они за счет источников питания не связанных с микрофоном и более мощных.

Модуляцию применяют с целью управления информационными сигналами. Сигналы управляют частотами колебаний. Модуляцию применяют для качественных звуковых радиосигналов, для передачи звуковых частот в телевизионные передачи, для трансляции цветовых изображений и телевизионных сигналов с высоким качеством. Модуляцию применяют повсеместно, где нужно проводить работу с высококачественными материалами.

Как усилители полевые транзисторы в упрощенном виде работают по такому принципу: графически любые сигналы, в частности, звукового ряда, могут быть представлены как ломаная линия, где ее длиной является временной промежуток, а высотой изломов – звуковая частотность. Чтобы усилить звук к радиодетали подается поток мощного напряжения, приобретаемого нужную частотность, но с более большим значением, из-за подачи слабых сигналов на управляющие контакты. Иначе говоря, благодаря устройству происходит пропорциональная перерисовка изначальной линии, но с более высоким пиковым значением.

NPN-транзистор

Биполярный транзистор может иметь коллектор с эмиттером из материала N-типа. Тогда база делается из материала P-типа. И в этом случае, транзистор npn работает точно, как pnp, за исключением полярности – это транзистор обратной проводимости. Транзисторы на основе кремния подавляют своим числом все остальные типы биполярных транзисторов.

Будет интересно➡ Что такое SMD светодиоды

Донорным материалом для коллектора и эмиттера может служить As, имеющий “лишний” электрон. Также изменилась технология изготовления транзисторов. Сейчас они планарные, что дает возможность использовать литографию и делать интегральные схемы. По планарной технологии изготавливаются как pnp, так и npn-транзисторы, в том числе и мощные. Сплавные уже сняты с производства.

Как применять полевой транзистор для чайников

Первыми приборами, которые поступили на рынок для реализации, и в которых были использованы полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, были слуховые аппараты. Их изобретение состоялось еще в пятидесятые годы XX века. В более крупным масштабах они применялись, как элементы для телефонных станций.

В наше время, применение подобных устройств можно увидеть во многих видах электротехники. При наличии маленьких размеров и большому перечню характеристик, полевые транзисторы встречаются в кухонных приборах (тостерах, чайниках, микроволновках), в устройстве компьютерной, аудио и видео техники и прочих электроприборах. Они используются для сигнализационных систем охраны пожарной безопасности.

На промышленных предприятиях транзисторное оборудование применяют для регуляции мощности на станках. В сфере транспорта их устанавливают в поезда и локомотивы, в системы впрыскивания топлива на личных авто. В жилищно-коммунальной сфере транзисторы позволяют следить за диспетчеризацией и системами управления уличного освещения.

Также самая востребованная область, в которой применяются транзисторы – изготовление комплектующих, используемых в процессорах. Устройство каждого процессора предусматривает множественные миниатюрные радиодетали, которые при повышении частоты более чем на 1,5 ГГц, нуждаются в усиленном потреблении энергии. В связи с этими разработчики процессорной техники решил создавать многоядерные оборудования, а не увеличивать тактовую частоту.

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

Использование полевых транзисторов благодаря их универсальным характеристикам позволило обойти другие виды транзисторов. Они широко применяются для интегральной схемы в качестве выключателя.

Достоинства:

• каскады детали расходуют малое количество энергии;
• показатели усиления превышают, значения других аналогичных устройств;
• достижение высокой помехоустойчивости осуществляется за счет того, что отсутствует ток в затворе;
• обладают более высокой скоростью включения и выключения, работают с недоступными для других транзисторов частотами.

Недостатки:

• менее устойчивы к высоким температурам, которые приводят к разрушению;
• на частотах более 1,5 ГГц, количество потребляемой энергии стремительно увеличивается;
• чувствительны к статическим видам электричества.

Благодаря характеристикам, которыми обладают полупроводниковые материалы, взятые в качестве основы для полевого транзистора, позволяют использовать устройство в бытовой и производственной сфере. Полевыми транзисторами оснащается различная бытовая техника, которая используется современным человеком.

Как это работает » Заметки по электронике

Описание того, что такое транзистор, как работает биполярный транзистор, а также сведения о транзисторах NPN и PNP.

---

Учебное пособие по транзисторам Включает:
Основы транзисторов
Усиление: Hfe, hfe и бета
Характеристики транзистора
Коды нумерации транзисторов и диодов
Выбор транзисторов на замену

---

Транзисторы лежат в основе современной электронной технологии. Разработка биполярного транзистора или транзистора с биполярным переходом, BJT, привела к многим изменениям в мире.

Внедрение биполярного транзистора сделало возможным использование многих технологий, которые мы считаем само собой разумеющимися сегодня: все, от портативных транзисторных радиоприемников до мобильных телефонов и компьютеров, дистанционное управление, функциональность, которую мы считаем само собой разумеющейся в современных автомобилях, и т.д. . . . Все это и многое другое стало возможным благодаря изобретению транзистора.

Сегодня биполярные транзисторы доступны во многих формах. Существует базовый транзистор в виде выводов или он доступен в виде транзистора для поверхностного монтажа. Но транзисторы также широко используются в интегральных схемах. Большинство цифровых ИС используют технологию полевого эффекта, но многие аналоговые ИС используют биполярную технологию для обеспечения требуемой производительности.

Вместе со своими полевыми транзисторами, FET, родственниками, которые используют совершенно другой принцип, биполярные транзисторы составляют основу большей части современного электронного оборудования, либо в виде дискретных устройств, либо в составе интегральных схем.

Выбор транзистора с пластиковыми выводами

Разработка транзистора

Полупроводниковая технология в настоящее время хорошо зарекомендовала себя, но она используется уже более ста лет. Первые полупроводниковые эффекты были замечены еще в начале 1900-х годов, когда использовались первые беспроводные или радиоприемники. В качестве детекторов исследовались различные идеи.

Технология термоэмиссионного клапана или вакуумной трубки была представлена ​​в 1904 году, но эти устройства были дорогими, а также требовали питания от батареи. Вскоре после этого был обнаружен детектор Cat’s Whisker. Он состоял из тонкой проволоки, помещенной на один из нескольких типов материалов. Эти материалы сегодня известны как полупроводники и составляют основу современной электронной техники.

Заметка об истории транзисторов:

Биполярный транзистор был изобретен тремя исследователями, работающими в Bell Laboratories: Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли. Они работали над идеей использования эффекта поля для управления током в полупроводнике, но не смогли воплотить эту идею в жизнь. Они обратили внимание на другую возможность и сделали трехконтактное устройство, используя два близко расположенных точечных контакта на германиевой пластине. Эта идея сработала, и они смогли продемонстрировать, что в конце 1949.

Подробнее о Биполярный транзистор История

Старый биполярный транзистор OC71

После того, как основная идея была разработана, потребовалось некоторое время, прежде чем полупроводниковая технология была принята, но как только это произошло, она получила широкое распространение, как мы знаем сегодня.

Что такое биполярный транзистор

стоит в нескольких словах определить, что такое биполярный транзистор:

Определение биполярного транзистора:

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей P-типа или N-типа — область одного типа расположена между областями другого. Транзистор в основном усиливает ток, но его можно включать в схемы, предназначенные для усиления напряжения или мощности.

Биполярный транзистор необходимо отличать от полевого транзистора. Биполярный переходной транзистор, BJT, получил свое название из-за того, что в своей работе он использует как дырки, так и электроны. Полевые транзисторы представляют собой униполярные устройства, использующие один или любой тип носителей заряда.

Биполярный транзистор или, точнее, транзистор с биполярным переходом, BJT, имеет два диодных перехода PN, которые расположены спиной к спине. Биполярный транзистор имеет три вывода: эмиттер, базу и коллектор.

Транзистор усиливает ток — биполярные транзисторы являются токовыми устройствами, в отличие от электронных ламп с термоэмиссионными клапанами и полевых транзисторов, которые являются устройствами напряжения. Ток, протекающий в базовой цепи, влияет на ток, протекающий между коллектором и эмиттером.

Чтение . . . . более глубокая теория биполярного переходного транзистора.

Примечание по конструкции схемы транзистора:

Транзистор представляет собой устройство с тремя выводами, обеспечивающее усиление по току. Есть три конфигурации, которые могут быть использованы для транзистора: с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой. Каждый из них имеет различные характеристики сети, и, разрабатывая схему вокруг одной из этих конфигураций, можно достичь требуемых характеристик.

Подробнее о Схема биполярного транзистора

Базовая структура транзистора

Транзистор представляет собой трехвыводное устройство и состоит из трех отдельных слоев. Два из них легированы для получения полупроводника одного типа, а два — противоположного типа, то есть два могут быть n-типа и один p-типа, или два могут быть p-типа и один может быть n-типа. устроен так, что два одинаковых слоя транзистора находятся между слоями противоположного типа. В результате эти полупроводниковые устройства обозначаются как PNP-транзисторы или NPN-транзисторы в зависимости от способа их изготовления.

Базовая структура и символы схемы для транзисторов NPN и PNP

Названия трех электродов широко используются, но их значения не всегда понятны:

• База: База транзистора получила свое название из-за того, что в ранних транзисторах этот электрод служил базой для всего устройства. Самые ранние транзисторы с точечным контактом имели два точечных контакта, размещенных на основном материале. Этот базовый материал сформировал базовое соединение. . . и название прижилось.
• Излучатель:   Излучатель получил свое название из-за того, что он излучает носители заряда.
• Коллектор:   Коллектор получил свое название из-за того, что он собирает носители заряда.

Для работы транзистора необходимо, чтобы базовая область была очень тонкой. В современных транзисторах база обычно может быть всего около 1 мкм в поперечнике. Именно то, что базовая область транзистора тонкая, является залогом работы устройства

Чтение . . . . более подробные сведения о структуре и изготовлении транзисторов.

Как работает транзистор: основы

Транзистор можно рассматривать как два PN-перехода, расположенных спина к спине. Один из них, а именно переход базы-эмиттера, смещен в прямом направлении, а другой, переход базы-коллектора, смещен в обратном направлении. Обнаружено, что при протекании тока в переходе база-эмиттер больший ток протекает в цепи коллектора, даже если переход база-коллектор смещен в обратном направлении.

Для наглядности взят пример транзистора NPN. Те же рассуждения можно использовать для устройства PNP, за исключением того, что дырки являются основными носителями вместо электронов.

Когда ток протекает через переход база-эмиттер, электроны покидают эмиттер и перетекают в базу. Однако легирование в этой области остается низким, и для рекомбинации доступно сравнительно немного дырок. В результате большая часть электронов может течь прямо через базовую область в коллекторную область, притягиваемые положительным потенциалом.

Базовая работа транзистора
Работа показана для транзистора NPN

Чтение . . . . более глубокая теория биполярного переходного транзистора.

Только небольшая часть электронов из эмиттера соединяется с дырками в области базы, вызывая ток в цепи база-эмиттер. Это означает, что ток коллектора намного выше.

Отношение между током коллектора и током базы обозначено греческим символом В. Для большинства маломощных транзисторов это значение может быть в пределах от 50 до 500. В некоторых случаях оно может быть даже выше. Это означает, что ток коллектора обычно в 50-500 раз превышает ток базы. Для транзистора большой мощности значение В несколько меньше: 20 — довольно типичное значение.

Чтение . . . . более глубокая теория биполярного переходного транзистора.

Почему транзисторы NPN используются чаще, чем транзисторы PNP

При просмотре схем, а также в таблицах данных и т. д. видно, что NPN-транзисторы гораздо более популярны, чем PNP-транзисторы.

На это есть несколько причин:

• Мобильность носителей:   NPN-транзисторы используют электроны в качестве основных носителей, а не дырки, которые являются основными носителями в PNP-транзисторах. Поскольку дырки гораздо легче перемещаются в кристаллической решетке, чем электроны, т. е. они обладают более высокой подвижностью, они могут работать быстрее и обеспечивать гораздо более высокий уровень производительности.
• Отрицательное заземление:   С годами отрицательное заземление стало стандартным, например, в автомобильных транспортных средствах и т. д., а полярность NPN-транзисторов означает, что базовые конфигурации транзисторов работают с отрицательным заземлением.
• Затраты на производство: Производство полупроводниковых компонентов на основе кремния наиболее экономично с использованием больших кремниевых пластин N-типа. В то время как изготовление PNP-транзисторов возможно, требуется в 3 раза большая площадь поверхности пластины, а это значительно увеличивает затраты. Поскольку стоимость пластин составляет основную часть общей стоимости компонентов, это значительно увеличило производственные затраты на PNP-транзисторы.

Биполярные транзисторы, BJT, были первой формой транзистора, который был изобретен, и они до сих пор очень широко используются во многих областях. Они просты в использовании, дешевы и имеют характеристики, отвечающие большинству требований. Они идеально подходят для многих схем, хотя, естественно, характеристики биполярного транзистора должны соответствовать характеристикам схемы.

Другие электронные компоненты:
Батарейки
конденсаторы
Соединители
Диоды
полевой транзистор
Индукторы
Типы памяти
Фототранзистор
Кристаллы кварца
Реле
Резисторы
ВЧ-разъемы
Переключатели
Технология поверхностного монтажа
Тиристор
Трансформеры
Транзистор
Клапаны/трубки

    Вернуться в меню «Компоненты». . .

назначение, устройство и принцип действия

Первую часть статьи смотрите здесь: История транзистора.

Что означает название «транзистор»

Транзистор не сразу получил такое привычное название. Первоначально по аналогии с ламповой техникой он назывался полупроводниковый триод . Современное название состоит из двух слов. Первое слово «передача» (тут сразу вспоминается «преобразователь») означает передатчик, преобразователь, носитель. А вторая половина слова напоминает слово «резистор» — деталь электрических цепей, основным свойством которой является электрическое сопротивление.

Именно это сопротивление встречается в законе Ома и многих других формулах электротехники. Следовательно, слово «транзистор» можно трактовать как преобразователь сопротивлений. Примерно так же, как и в гидравлике, изменение расхода жидкости регулируется клапаном. Для транзистора такой «клапан» изменяет количество электрических зарядов, создающих электрический ток. Это изменение есть не что иное, как изменение внутреннего сопротивления полупроводникового прибора.

Усиление электрических сигналов

Наиболее распространенной операцией, которую выполняют транзисторы , является усиление электрических сигналов . Но это не совсем правильное выражение, потому что слабый сигнал с микрофона так и остается.

Усиление требуется и на радио и телевидении: слабый сигнал с антенны в миллиардную ватт необходимо усилить до такой степени, чтобы на экране появился звук или изображение. А это мощность в несколько десятков, а в некоторых случаях и сотен ватт. Поэтому процесс усиления сводится к тому, чтобы с помощью дополнительных источников энергии, получаемых от блока питания, получить мощную копию слабого входного сигнала. Другими словами, маломощный ввод стимулирует мощные энергетические потоки.

Усиление в других областях техники и природы

Такие примеры можно найти не только в электрических цепях. Например, при нажатии на педаль газа скорость автомобиля увеличивается. При этом вам не придется сильно нажимать на педаль газа — в сравнении с мощностью двигателя давление на педаль ничтожно мало. Для уменьшения скорости педаль придется несколько отпустить, чтобы ослабить эффект ввода. В этой ситуации бензин является мощным источником энергии.

Тот же эффект можно наблюдать и в гидравлике: очень мало тратится на открытие электромагнитного клапана, например в станке. А давление масла на поршень механизма может создать усилие в несколько тонн. Это усилие можно регулировать, если в маслопроводе предусмотрен регулируемый вентиль, как в обычном кухонном кране. Чуть прикрылся — давление упало, давление упало. Если открывали больше, то давление усиливалось.

Также не нужно прилагать особых усилий для поворота клапана. При этом насосная станция машины является внешним источником энергии. И подобных влияний в природе и технике великое множество. Но все же нас больше интересует транзистор, так что придется рассматривать дальше…

Усилители сигналов

В большинстве усилительных схем в качестве переменного резистора используются транзисторы или электронные лампы, сопротивление которых изменяется под действием слабого входного сигнала. Этот «переменный резистор» является составной частью цепи постоянного тока, которая получает питание, например, от гальванических элементов или аккумуляторов, поэтому в цепи начинает протекать постоянный ток. Начальное значение этого тока (входного сигнала еще нет) задается при настройке схемы.

Под действием входного сигнала внутреннее сопротивление активного элемента (транзистора или лампы) изменяется во времени с входным сигналом. Поэтому постоянный ток превращается в переменный, создавая на нагрузке мощную копию входного сигнала. Насколько точной будет эта копия, зависит от многих условий, но об этом мы поговорим позже.

Действие входного сигнала очень похоже на упомянутую выше педаль газа или клапан в гидравлической системе. Чтобы понять, что такое затвор в транзисторе, надо рассказать, пусть очень упрощенно, но правдиво и понятно о некоторых процессах в полупроводниках.

Электропроводность и атомная структура

Электрический ток создается за счет движения электронов в проводнике. Чтобы понять, как это происходит, вам придется рассмотреть строение атома. Рассмотрение, конечно, будет максимально упрощенным, даже примитивным, но позволяющим понять суть процесса не более, чем это необходимо для описания работы полупроводников.

В 1913 году датский физик Нильс Бор предложил планетарную модель атома, которая показана на рис. 1.

Рис. 1. Планетарная модель атома

Согласно его теории, атом состоит из ядра, которое, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Протоны являются носителями положительного электрического заряда, а нейтроны электрически нейтральны.

Вокруг ядра электроны вращаются по орбитам, имеющим отрицательный электрический заряд. Количество протонов и электронов в атоме одинаково, а электрический заряд ядра уравновешивается суммарным зарядом электронов. В этом случае говорят, что атом находится в состоянии равновесия или электрически нейтрален, т. е. не несет положительного или отрицательного заряда.

Если атом теряет электрон, то его электрический заряд становится положительным, а сам атом в этом случае становится положительным ионом. Если атом присоединяет к себе чужой электрон, то он называется отрицательным ионом.

На рис. 2 показан фрагмент таблицы Менделеева. Обратим внимание на прямоугольник, в котором находится кремний (Si).

Рисунок 2. Фрагмент таблицы Менделеева

В правом нижнем углу находится столбец чисел. Они показывают, как электроны распределены по орбитам атома — нижняя цифра ближе всего к ядру орбиты. Если внимательно посмотреть на рисунок 1, то можно с уверенностью сказать, что перед нами атом кремния с электронным распределением 2, 8, 4. Рисунок 1 объемный, на нем почти видно, что орбиты электронов сферические, но для дальнейшего рассуждая, можно предположить, что они находятся в одной плоскости, и все электроны бегут по одной и той же дорожке, как показано на рис. 3.9.0009

Рисунок 3

Латинские буквы на рисунке обозначают корпус. В зависимости от количества электронов в атоме их количество может быть разным, но не более семи: К=2, L=8, М=18, N=32, О=50, Р=72, Q=98. На каждой орбите может находиться определенное количество электронов. Например, на последнем Q их целых 98, можно меньше, не больше. Собственно, с точки зрения нашей истории этим распределением можно пренебречь: нас интересуют только электроны, находящиеся на внешней орбите.

Конечно, на самом деле все электроны вообще не вращаются в одной плоскости: даже 2 электрона, находящихся на орбите с названием К, вращаются по сферическим орбитам, расположенным очень близко. А что уж говорить об орбитах с более высокими уровнями! Там бывает… Но для простоты рассуждений будем считать, что все происходит в одной плоскости, как показано на рисунке 3.

В этом случае даже кристаллическую решетку можно представить в плоском виде, что облегчит понимание материала, хотя на самом деле он намного сложнее. Плоская сетка показана на рисунке 4.9.0009

Рисунок 4

Электроны внешнего слоя называются валентными. Именно они изображены на рисунке (остальные электроны не имеют значения для нашего рассказа).