Транзистор простыми словами, принцип работы и устройство

Транзистор – это прибор, работающий по принципу полупроводника и предназначен для усиления сигнала. Из-за особенностей строения кристаллической решетки и своих полупроводниковых свойств, транзистор увеличивает протекающий через нее ток. Сами же вещества, имеющие такие свойства, препятствуют его протеканию. Самими основными элементами считаются германий (Gr) или кремний (Si). Полупроводники бывают двух видов – электронные и дырочные.

В статье будет приведена подробная информация об устройстве, производстве, сфере применения транзисторов. По этой теме добавлено два интересных видеоролика, а также научно-популярная статья по предмету вопроса.

Различные типы транзисторов.

Типы транзисторов

В настоящее время находят применение транзисторы двух видов — биполярные и полевые. Биполярные транзисторы появились первыми и получили наибольшее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Полевые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных.

В таблице ниже представлена цветовая маркировка транзисторов:

Цветовая маркировка транзисторов

Биполярные 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.

Слово “транзистор” составлено из слов TRANSfer и resISTOR – преобразователь сопротивления. Он пришел на смену лампам в начале 1950-х. Это прибор с тремя выводами, используется для усиления и переключения в электронных схемах.

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.

Классификация биполярных транзисторов.

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.

Полевые

Суть этого прибора заключается в управлении параметрами электрического сигнала с помощью электрического поля. Оно появляется при подаче напряжения к какому-либо из выводов:

• Затвор нужен для регулирования параметров сигнала, благодаря подаче напряжения на него.
• Сток — вывод, через который из канала уходят носители заряда (дырки и электроны).
• Исток — вывод, через который в канал приходят электроны и дырки.

Такой транзистор состоит из полупроводника с определённой проводимостью и двух областей, помещённых в него с противоположной проводимостью. При подаче напряжения на затвор между этими двумя областями появляется пространство, через которое протекает ток. Это пространство называется каналом. Ширина этого канала регулируется напряжением, которое мы подаём на затвор. Соответственно, можно увеличивать и уменьшать ширину канала и управлять протекающим током.

Транзистор.

Теперь поговорим о приборе с изолированным затвором. Разница в том, что в первом случае этот переход есть всегда, даже когда на затвор не подавалось напряжение. А при его подаче, переход и токопроводящий канал менялись в зависимости от полярности и амплитуды напряжения. Металлический затвор в таких транзисторах изолирован диэлектриком от полупроводниковой области. Их входное сопротивление гораздо больше.

Существует два вида приборов с изолированным затвором:

• со встроенным каналом.
• с индуцированным каналом.

Встроенный канал позволяет протекать электрическому току с определённой амплитудой. При подаче напряжения с определённой амплитудой и полярностью мы можем менять ширину канала и его проводимость. Этот канал встраивается в транзисторы на производственных предприятиях.

Индуцированный канал появляется между двумя областями, о которых мы говорили выше, только при подаче напряжения определённой полярности на затвор. То есть, когда на затвор напряжение не подаётся, ток в нем не протекает.

Все виды полевых транзисторов отличаются друг от друга по следующим параметрам:

• Входное сопротивление.
• Амплитуда напряжения.
• Полярность.

Каждый из этих видов полевых транзисторов необходим для сборки определённых электрических и логических схем. Так как для реализации двух разных устройств необходимо разные электрические параметры.

Что такое полевой транзистор

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током между двумя электродами, образованным направленным движением носителей заряда дырок или электронов, осуществляется электрическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде. Электроды, между которыми протекает управляемый ток, носят название истока и стока, причем истоком считают тот электрод, из которого выходят (истекают) носители заряда. 

Третий, управляющий, электрод называют затвором. Токопроводящий участок полупроводникового материала между истоком и стоком принято называть каналом, отсюда еще одно название этих транзисторов — канальные. Под действием напряжения на затворе» относительно истока меняется сопротивление канала» а значит, и ток через него.

В зависимости от типа носителей заряда различают транзисторы с n-каналом или р-каналом. В n-канальных ток канала обусловлен направленным движением электронов, а р-канальных — дырок. В связи с этой особенностью полевых транзисторов их иногда называют также униполярными.

Это название подчеркивает, что ток в них образуют носители только одного знака, что и отличает полевые транзисторы от биполярных. Для изготовления полевых транзисторов используют главным образом кремний, что связано с особенностями технологии их производства.

Основные параметры полевых транзисторов

Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y₂₁ указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение крутизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна характеристики радиоламп. Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала. 

Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, достигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая экономичность в расходе тока. Частотные свойства полевого транзистора, так же как и биполярного, характеризуются значением предельной частоты.

Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты транзистора. Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

Транзисторы в заводской упаковке.

Применение транзисторов в жизни

Транзисторы применяются в очень многих технических устройствах. Самые яркие примеры:

• Усилительные схемы.
• Генераторы сигналов.
• Электронные ключи.

Во всех устройствах связи усиление сигнала необходимо. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, довольно часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала недостаточно для корректной работы устройства.

Информация передаётся с помощью электрических сигналов. Чтобы доставка была гарантированной и качество информации высоким, нам необходимо усиливать сигналы. Транзисторы способны влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора. Электронные ключи нужны для управления силой тока в цепи. В состав этих ключей входит множество транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов схем.

На их основе работают компьютеры, телевизоры и другие электрические приборы, без которых в современной жизни не обойтись.

Эволюция транзистора

PNP-транзистор

Впервые биполярный транзистор изготовили, вплавляя в кристалл германия (материал n-типа) капли индия. Индий (In) – трехвалентный металл, материал p-типа. Поэтому такой транзистор назвали диффузным (сплавным), имеющим структуру p-n-p (или pnp). Биполярный транзистор на рисунке ниже изготовлен в 1965 году.

Его корпус обрезан для наглядности. Кристалл германия в центре называется базой, а вплавленные в него капли индия – эмиттером и коллектором. Можно рассматривать переходы ЭБ (эмиттерный) и КБ (коллекторный) как обычные диоды, но переход КЭ (коллектор-эмиттерный) имеет особое свойство. Поэтому невозможно изготовить биполярный транзистор из двух отдельных диодов.

Интересно почитать: инструкция как прозвонить транзистор.

Если в транзисторе типа pnp приложить между коллектором (-) и эмиттером (+) напряжение в несколько вольт, в цепи пойдет очень слабый ток, несколько мкА. Если затем приложить небольшое (открывающее) напряжение между базой (-) и эмиттером (+) – для германия оно составляет около 0,3 В (а для кремния 0,6 В) – то ток некоторой величины потечет из эмиттера в базу.

Но так как база сделана очень тонкой, то она быстро насытится дырками (“растеряет” свой избыток электронов, которые уйдут в эмиттер). Поскольку эмиттер сильно легирован дырочной проводимостью, а в слабо легированной базе рекомбинация электронов немного запаздывает, то существенно большая часть тока пойдет из эмиттера в коллектор.

Коллектор сделан больше эмиттера и слабо легирован, что позволяет иметь на нем большее пробивное напряжение (U_{проб.КЭ} > U_{проб.ЭБ}). Также, поскольку основная часть дырок рекомбинирует в коллекторе, то он и греется сильнее остальных электродов прибора. Обычно α лежит в пределах 0,85-0,999 и обратно зависит от толщины базы.

Эта величина называется коэффициент передачи тока эмиттера. Это коэффициент передачи тока базы, один из самых важных параметров биполярного транзистора. Он чаще определяет усилительные свойства на практике. Транзистор pnp называют транзистором прямой проводимости. Но бывает и другой тип транзистора, структура которого отлично дополняет pnp в схемотехнике.

Двухполярные транзисторы

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.

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.

Схемы включения транзисторов

Обычно биполярный транзистор всегда используется в прямом включении – обратная полярность на КЭ переходе ничего интересного не дает. Для прямой схемы подключения есть три схемы включения: общий эмиттер (ОЭ), общий коллектор (ОК), и общая база (ОБ). Все три включения показаны ниже.

Они поясняют только сам принцип работы – если предположить, что рабочая точка каким-то образом, с помощью дополнительного источника питания или вспомогательной цепи установлена. Для открывания кремниевого транзистора (Si) необходимо иметь потенциал ~0,6 В между эмиттером и базой, а для германиевого хватит ~0,3 В.

Общий эмиттер

Напряжение U1 вызывает ток Iб, ток коллектора Iк равен базовому току, умноженному на β. При этом напряжение +E должно быть достаточно большим: 5 В-15 В. Эта схема хорошо усиливает ток и напряжение, следовательно, и мощность. Выходной сигнал противоположен по фазе входному (инвертируется). Это используется в цифровой технике как функция НЕ.

Если транзистор работает не в ключевом режиме, а как усилитель малых сигналов (активный или линейный режим), то при помощи подбора базового тока устанавливают напряжение U₂ равным E/2, чтобы выходной сигнал не искажался. Такое применение используется, например, при усилении аудиосигналов в усилителях высокого класса, с низкими искажениям и, как следствие, низким КПД.

Общий коллектор

По напряжению схема ОК не усиливает, здесь коэффициент усиления равен α ~ 1. Поэтому эта схема называется эмиттерный повторитель. Ток в цепи эмиттера получается в β+1 раз больше, чем в цепи базы. Эта схема хорошо усиливает ток и имеет низкое выходное и очень высокое входное сопротивление.

Тут самое время вспомнить о том, что транзистор называется трансформатором сопротивления. Эмиттерный повторитель имеет свойства и рабочие параметры, очень подходящие для пробников осциллографов. Здесь используют его огромное входное сопротивление и низкое выходное, что хорошо для согласования с низкоомным кабелем.

Полезный материал: что такое полупроводниковый диод.

Общая база

Эта схема отличается наиболее низким входным сопротивлением, но усиление по току у нее равно α. Схема с общей базой хорошо усиливает по напряжению, но не по мощности. Ее особенностью является устранение влияния обратной связи по емкости (эфф. Миллера). Каскады с ОБ идеально подходят в качестве входных каскадов усилителей в радиочастотных трактах, согласованных на низких сопротивлениях 50 и 75 Ом. Каскады с общей базой очень широко используются в технике СВЧ и их применение в радиоэлектронике с каскадом эмиттерного повторителя очень распространено.

Заключение

Рейтинг автора

Автор статьи

Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», МИФИ, 2005–2010 гг.

Написано статей

Более подробно о транзисторах можно узнать из статьи Что такое биполярные транзисторы. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки статьи:

www.tokar.guru

www.remosnov.ru

www.electroengineer.ru

www.samelectrik.ru

Предыдущая

ПолупроводникиКак расшифровать цветовую маркировку транзисторов?

Следующая

ПолупроводникиЧто такое биполярный транзистор

Что такое транзисторы и как они работают

Рубрика: Статьи про радиодетали Опубликовано 09.06.2020   ·   Комментарии: 0   ·   На чтение: 7 мин   ·   Просмотры:

Post Views: 60

Транзисторы – это основа всей цифровой электроники 21 века. Они выполняют самые разнообразные функции. Это правопреемники и наследники радиоламп, так называемых вакуумных триодов. В этой статье мы на простом примере рассмотрим концепцию, принцип работы и применение транзисторов в электронике.

Концепция транзисторов

Что такое концепция? Это общее представление об объекте или процессе. Например, концепция автомобиля – это четыре колеса, руль, корпус, двигатель и коробка передач. Концепция одна, а выпускаются автомобили с разной конструкцией, устройством и предназначением.

У транзисторов, как и у вакуумных триодов, очень простая концепция и принцип работы.

Триод – это та деталь, у которой три контакта.

Давайте представим бак с водой, в центре которого установлена задвижка.

Что мы можем сделать с потоком воды? Мы можем управлять им за счет задвижки.

Например, если в баке течет вода, и задвижки нет в нем, то вода проходит без препятствия.

В тоже время, если мы полностью перекроем путь задвижкой, то и вода не будет поступать во вторую условную часть бака и поток прекратится.

А еще мы можем полностью управлять потоком воды при помощи регулировки задвижки.

Получается, что при помощи небольшой задвижки можно контролировать огромный поток воды.
Небольшие колебания (перемещения) задвижки позволяют с такой же частотой пропускать большой поток воды.

И именно в этом суть транзисторов и вакуумных триодов. С их помощью можно управлять электрическим током больших значений применяя небольшие усилия.

Но в тоже время, транзисторы могут быть по разному устроены.

Полевые транзисторы

Описанный выше пример – это полевой транзистор. У самого простого полевого транзистора есть сток, исток и затвор.

Транзисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов. Поэтому, у них есть второе название — полупроводниковые триоды.

При помощи полупроводников можно изготовить p-n переход.

Любой транзистор состоит из p-n переходов, которые пропускают электрический ток в одном направлении. И этот переход позволят управлять электрическим током как задвижкой.

Полевые транзисторы управляются при помощи напряжения, которое подается на затвор.

Так выглядит состав полевого транзистора с каналом p – типа.

А вот так с n – типом.

Канал транзистора – это область между истоком и стоком.

Почему транзисторы бывают разными по проводимости? Транзистор с n типом управляется при помощи положительного потенциала, а с p типом наоборот, отрицательным потенциалом. Это позволяет усиливать сигналы с разными потенциалами.

Затворов у полевых транзисторов на самом деле два, но их выводы объединены в один, так как функция у них одинакова. Зачем нужно два затвора? Так транзистором проще управлять.

Подавая напряжение на затвор, мы можем регулировать электрический ток проходящий от истока к стоку.

А самое главное не это. Самое главное, что мы можем таким образом не просто включить или выключить электрический ток по цепи, но и управлять его движением.

Например, можно подать на затвор полевого транзистора переменный сигнал 5 мкВ. И он будет модулировать электрический ток, который проходит через исток и сток транзистора. Так можно получить усиленный сигнал.

Также полевые транзисторы имеют разные схемы включения, которые позволяют согласовывать сопротивления и регулировать усилительные функции.

Обозначение (УГО) полевого транзистора с каналом n типа на принципиальных схемах:

Биполярные транзисторы

Это другой тип транзисторов. Такие транзисторы управляются при помощи электрического тока. И они состоят из чередующихся p-n переходов.

Как и у полевого транзистора, у биполярного тоже три контакта. Это эмиттер, база и коллектор. База всегда по типу противоположна эмиттеру и коллектору.

А также размеры базы транзистора намного меньше, чем у коллектора или эмиттера. База только открывает транзистор. И так как через нее протекает ток, она не должна быть большой, чтобы на нее не тратилось много энергии.

Эмиттер — это большой источник основных носителей заряда. А коллектор — это самый большой контакт из этой троицы. С коллектора снимается усиленный сигнал в классической схеме, чтобы получить максимальную мощность. В транзисторах большой мощности коллектор припаян напрямую к корпусу, чтобы рассеивать тепло.

Бывают биполярные транзисторы n-p-n типа.

и p-n-p типа.

Обозначение (УГО) биполярного n-p-n транзистора на принципиальных схемах:

Отличие биполярных транзисторов от полевых

Полевые транзисторы управляются при помощи электрического поля и благодаря этому они очень энергоэффективны. Именно по этой причине они используются при производстве процессоров.

С другой стороны, у полевых транзисторов есть слабое место. Это их тонкий p-n переход. Он очень чувствителен к статическому электричеству. Кстати, именно из-за статического электричества перестают работать флешки и карты памяти, если вы их вытащили из устройства во время работы.

Схемы защиты от статического электричества не успевают сработать, и статика разрушает полевые транзисторы.

А вот биполярные транзисторы наоборот, лучше переносят статику. Но в тоже время, они потребляют больше мощности, так как для их открытия нужен электрический ток.

Схемы включения

Так как у транзисторов три контакта, то можно чередовать вход и выход. Что это даст? У каждого контакта свои особенности. Например, если мы подадим сигнал на базу и эмиттер биполярного транзистора, а снимать итоговый сигнал будем с эмиттера и коллектора, то такая схема будет называются с общим эмиттером.

Этот тип включения позволяет передать максимум мощности в нагрузку.

Прочитать подробнее про работу схемы с общим эмиттером можно в этой статье.

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

Все тоже самое справедливо и для полевых транзисторов. Есть схемы с общим стоком, истоком и затвором.

Другие типы транзисторов

А еще бывают однопереходные, комплементарные и КМОП, МДП (MOSFET) и множество других транзисторов. Они разные по своим характеристикам, выполняют разные задачи и предназначены для конкретных целей. Но в целом, принцип работы у всех одинаков. Это управление электрическим током.

Характеристики

Так как полупроводниковые триоды (транзисторы) выполнены из полупроводника, то и на их работу влияет окружающая среда. Например, при изменении температуры окружающей среды, транзистор может вносить нелинейные искажения в выходной сигнал. С этим борются при помощи термпостабидизционных схем, которые позволяют стабилизировать работу транзистора на высоких температурах.

Также у транзисторов есть ВАХ (вольт-амперные характеристики), которые в отличие от вакуумной техники, быстро переходят в насыщение.

У всех транзисторов есть следующие параметры:

• Коэффициент усиления по току;
• Коэффициент усиления по напряжению;
• Коэффициент усиления по току;
• Коэффициент обратной связи;
• Коэффициент передачи по току;
• Входное сопротивление;
• Выходное сопротивление;
• Время включения;
• Максимально допустимый ток и др.

У биполярных:

• Обратный ток коллектор-эмиттер;
• Частота коэффициента передачи тока базы;
• Обратный ток коллектора;
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером и др.

Режимы работы

В целом, можно выделить несколько режимов работы:

• Номинальный режим;
• Инверсный;
• Насыщения;
• Отсечка;
• Барьерный.

Функции транзисторов

Транзисторы выполняют следующие функции:

1. Позволяют усиливать электрические сигналы. Транзисторы усиливают любые электрические сигналы, как высокие так и низкие частоты.
2. Могут работать как ключ, включать и выключать поступление электрического тока. Благодаря этому простому включению и выключению работают все современные процессоры. Транзисторы – это основа всей современной цифровой техники.
3. Генерируют электрические сигналы за счет положительной обратной связи. На их основе можно сделать генераторы звука и сигналов.
4. Могут согласовывать сопротивления электрических цепях за счет различных схем включения и работают как ограничители тока. В блоках питания транзисторы могут ограничивать ток короткого замыкания, а также работать как предохранитель.

Чем транзисторы уступают лампам

Несмотря на неоспоримые преимущества транзисторов перед лампами, ламповые триоды по прежнему имеют ряд преимуществ., среди которых:

• Устойчивость к высоким электромагнитным наводкам и помехам. Это не значит, что полупроводниковая техника может выйти из строя от любых помех. Но если случится сильнейшая магнитная буря от Солнца (или мощный ЭМИ удар от ядерных бомб), то все p-n переходы в полупроводниковой технике могут выйти из строя из-за высоких токов наводки. Вакуумная техниках намного устойчивее к таким помехам.
• Ламповая техника намного лучше и стабильнее работает на высоких частотах. И это уже особенности конструкции. Так как в транзисторах есть p-n переходы, то у них тоже есть своя емкость. А паразитная емкость на высоких частотах негативно влияет на усиление сигнала. Появляются нелинейные искажения. А в вакуумной технике есть такие лампы, у которых по несколько экранирующих сеток, которые позволяют снизить эффект паразитных емкостей. Пример радиолампы — это клистрон.

Нельзя прямо сказать, что транзисторы полностью искоренили лампы. У каждой детали есть свои преимущества и недостатки в разных областях. Конечно, в цифровой технике транзисторам нет ровни среди ламп. Однако на сверхвысоких частотах транзисторы по-прежнему уступают лампам.

Post Views: 60

Как это работает »Электроника Примечания

Описание того, что такое транзистор, как работает биполярный транзистор, и подробности о NPN и PNP транзисторах.

---

Учебное пособие по транзисторам Включает в себя: Основы
транзисторов Прибыль: Hfe, HFE & Beta Технические характеристики транзистора Коды нумерации транзисторов и диодов Выбор замены транзисторов

---

Транзисторы

лежат в основе современных электронных технологий.Разработка биполярного транзистора или транзистора с биполярным переходом, BJT, привела ко многим изменениям в мире.

Внедрение биполярного транзистора позволило использовать многие технологии, которые мы считаем само собой разумеющимся 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 эти и многие другие предметы повседневного пользования стали возможными благодаря изобретению транзистора.

Сегодня биполярные транзисторы доступны во многих формах. Существует базовый транзистор в свинцовом виде или его можно использовать в качестве 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 с их полевым транзистором, полевым транзистором, родственниками, которые используют совершенно другой принцип, биполярный транзистор составляет основу большинства современного электронного оборудования, как в виде дискретных устройств, так и в виде интегральных схем.

Подбор пластикового этилированного транзистора

Разработка транзистора

Технология

Semiconductor в настоящее время хорошо известна, но она используется уже более ста лет. Первые полупроводниковые эффекты были замечены еще в начале 1900-х годов, когда использовались первые беспроводные или радиоприемники. Различные идеи были исследованы как детекторы.

Технология термоэлектронных клапанов или вакуумных трубок была введена в 1904 году, но эти устройства были дорогими, а также требовали питания от батареи.Вскоре после этого был обнаружен детектор Кошачьих вискеров. Это состояло из тонкой проволоки, помещенной в один из нескольких типов материала. Эти материалы известны сегодня как полупроводники и составляют основу современных электронных технологий.

Примечание по истории транзисторов:

Биполярный транзистор был изобретен тремя исследователями, работающими в Bell Labroratories: Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли. Они работали над идеей, которая использовала эффект поля для управления током в полупроводнике, но они не смогли заставить идею работать.Они переключили свое внимание на другую возможность и сделали трехконтактное устройство, используя два близко расположенных точечных контакта на пластине из германия. Эта идея сработала, и они смогли продемонстрировать, что она принесла прибыль в конце 1949 года.

Подробнее о История биполярного транзистора

Старый биполярный транзистор OC71

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

Что такое биполярный транзистор

В двух словах стоит определить, что такое биполярный транзистор:

Определение биполярного транзистора:

Биполярный транзистор — это полупроводниковое устройство, состоящее из трех областей: P-типа или N-типа — область одного типа расположена между областями другого. Транзистор существенно усиливает ток, но он может быть подключен в цепях, предназначенных для усиления напряжения или мощности.

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

Биполярный транзистор или, точнее говоря, транзистор с биполярным переходом, BJT, имеет два PN диодных перехода, которые расположены вплотную. Биполярный транзистор имеет три контакта, названных эмиттером, базой и коллектором.

Транзистор усиливает ток — биполярные транзисторы являются токовыми устройствами, в отличие от вакуумных ламп с термоэлектронными клапанами, и полевыми транзисторами, которые являются устройствами напряжения.Ток, протекающий в базовой цепи, влияет на ток, протекающий между коллектором и эмиттером.

Примечание по схеме транзистора:

Транзистор — это трехконтактное устройство, которое предлагает усиление по току. Существует три конфигурации, которые могут использоваться для транзистора: общий эмиттер, общий коллектор и общая база. Каждый из них имеет различные характеристики сети, и, проектируя схему вокруг одной из этих конфигураций, можно достичь требуемых характеристик.

Подробнее о Биполярный транзистор Схема

Базовая транзисторная структура

Транзистор представляет собой трехконтактное устройство и состоит из трех отдельных слоев. Два из них легированы, чтобы дать один тип полупроводника, и есть противоположный тип, то есть два могут быть n-типа и один p-тип, или два могут быть p-типом, и один может быть n-типом. расположены так, что два одинаковых слоя транзистора сэндвич-слоя противоположного типа.В результате эти полупроводниковые устройства обозначаются как PNP-транзисторы или NPN-транзисторы в зависимости от способа их изготовления.

Базовая структура и условные обозначения для NPN и PNP транзисторов

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

• База: База транзистора получила свое название от того факта, что в ранних транзисторах этот электрод служил основой для всего устройства.Самые ранние точечные контактные транзисторы имели два точечных контакта, размещенных на основном материале. Этот базовый материал сформировал базовое соединение. , , и имя застряло.
• Излучатель: Излучатель получил свое название благодаря тому, что он излучает носители заряда.
• Коллектор: Коллектор получил свое название от того, что собирает носители заряда.

Для работы транзистора важно, чтобы базовая область была очень тонкой.В современных транзисторах основание может иметь ширину около 1 мкм. Тот факт, что базовая область транзистора является тонкой, является ключом к работе устройства

.

Как работает транзистор: основы

Транзистор можно рассматривать как два перехода P-N, расположенных вплотную. Одно из них, а именно соединение основного эмиттера, смещено вперед, в то время как другое, соединение основного коллектора имеет обратное смещение. Обнаружено, что когда ток протекает в базовом эмиттерном соединении, больший ток протекает в цепи коллектора, даже если базовый коллекторный переход имеет обратное смещение.

Для ясности взят пример NPN-транзистора. Те же рассуждения могут быть использованы для устройства PNP, за исключением того, что дырки являются основными носителями вместо электронов.

Когда ток проходит через основание эмиттера, электроны покидают эмиттер и попадают в базу. Однако легирование в этой области остается низким, и для рекомбинации имеется сравнительно небольшое количество отверстий. В результате большинство электронов могут течь прямо через основную область и в область коллектора, привлеченную положительным потенциалом.

Основная операция транзистора
Показанная операция для NPN транзистора

Лишь небольшая часть электронов из эмиттера соединяется с отверстиями в базовой области, что приводит к появлению тока в цепи базового эмиттера. Это означает, что ток коллектора намного выше.

Соотношение между током коллектора и током базы обозначается греческим символом Β. Для большинства малых сигнальных транзисторов это может быть в диапазоне от 50 до 500. В некоторых случаях это может быть даже выше.Это означает, что ток коллектора обычно в 50-500 раз больше, чем ток в основании. Для транзистора большой мощности значение somewhat несколько меньше: 20 — довольно типичное значение.

Почему NPN-транзисторы используются чаще, чем PNP-транзисторы

Если посмотреть на схемы, а также на таблицы данных и т. Д., Будет видно, что NPN-транзисторы гораздо более популярны, чем PNP-транзисторы.

Для этого есть несколько причин:

• Подвижность несущей: NPN-транзисторы используют электроны в качестве основных носителей, а не дырки, которые являются основными носителями в PNP-транзисторах.Поскольку дырки в кристаллической решетке движутся гораздо легче, чем электроны, то есть они имеют более высокую подвижность, они могут работать быстрее и обеспечивать гораздо лучший уровень производительности.
• Отрицательное заземление: С годами отрицательное заземление стало стандартным, например, внутри автомобильных транспортных средств и т. д., а полярность NPN-транзисторов означает, что базовые конфигурации транзисторов работают с отрицательным заземлением.
• Производственные затраты: Производство полупроводниковых компонентов на основе кремния наиболее экономично осуществляется с использованием кремниевых пластин большого размера N.Хотя возможно изготовление PNP-транзисторов, требуется в 3 раза больше площади поверхности пластины, и это значительно увеличивает затраты. Поскольку затраты на пластину составляют основную часть общей стоимости компонентов, это значительно увеличило производственные затраты на транзисторы с PNP.

Биполярные транзисторы, BJT, были первой формой транзистора, который был изобретен, и они все еще очень широко используются сегодня во многих областях. Они просты в использовании, дешевы и поставляются со спецификациями, отвечающими большинству требований.Они идеально подходят для многих цепей, хотя, естественно, спецификация биполярного транзистора должна соответствовать спецификации схемы.

Больше электронных компонентов:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды транзистор Фототранзистор FET Типы памяти тиристор Соединители РЧ разъемы Клапаны / Трубы батареи Выключатели Реле
Вернуться в меню компонентов., ,

.

Что такое транзистор и почему это важно

Что такое транзистор

Во-первых, слово «транзистор» — это портманто слов «передача» и «резистор». Они были задуманы в начале прошлого века (в 1925 году в Канаде Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом), но первый настоящий транзистор не был построен примерно в 1934 году в Германии. В качестве такового он был экспериментальным, и немецкий изобретатель Оскар Хейл создал лишь несколько транзисторов для изучения эффектов. Он так и не удосужился официально опубликовать свои выводы или попытаться придумать средства для их массового производства, но они помогли в его исследованиях.

Первый практичный транзистор массового производства был создан Гордоном Тилом в Texas Instruments в 1954 году. Тил был экспертом в выращивании металлических кристаллов высокой чистоты. Работа Тила подготовила почву для массового производства транзисторов, и многие из его открытий все еще используются сегодня.

Что делает транзистор?

Транзисторы имеют две функции. Они действуют как переключатели или усилители.

Концепция транзистора как переключателя довольно проста; он либо включен, либо выключен.Транзистор, действующий в качестве переключателя, пропускает электричество или нет. Этот поток всегда является постоянной величиной тока, никогда не превышающей или не превышающей величину на стороне источника схемы.

Транзистор в качестве усилителя позволяет измерять поток электроэнергии. В качестве усилителя транзистор может позволять переменному количеству электричества течь из одной точки в другую. Выступая в роли усилителя, транзистор может питать звуковые схемы для воспроизведения музыки или звука через динамики.

Чтобы транзистор работал как коммутатор или усилитель, он должен иметь возможность контролировать количество электричества, протекающего через него.Если вы посмотрите на второе фото справа, вы увидите, что все, но самый большой транзистор имеет три провода или провода, тянущиеся из него. Два провода с каждой стороны — это электрический вход и электрический выход. Центральный вывод — контрольный провод.

В самом последнем пакете (сверху вниз) управляющий провод находится на одной стороне транзистора, а входной и выходной — на другой. Это немного трудно увидеть, но вы можете разобрать их.

Волшебство транзистора в этом.Количество тока, посылаемого на центральный вывод, значительно меньше количества тока, которое блокирует транзистор или позволяет ему течь. Так, например, до пятидесяти (50 В) электрического потока можно контролировать с помощью доли вольт на центральном выводе. Этот пример предназначен для транзистора, используемого в качестве переключателя, но он также применим к транзистору в качестве усилителя.

Если транзистор используется в качестве усилителя, то напряжение на центральном выводе может передаваться в транзистор с переменной скоростью, при этом соответствующее напряжение, выходящее из транзистора, намного больше, но на ту же величину, что и напряжение в центральном выводе. ,Транзисторы в качестве усилителей могут питать аудио цепи, радиопередачу и уровень сигнала.

Что было до транзистора?

До этого на транзисторе были вакуумные трубки (термоэлектронные клапаны в Британии). Вакуумные трубки имели ту же функцию, что и транзистор, выступая в качестве переключателя или усилителя, в зависимости от того, как они использовались. Они были значительно крупнее и потребляли гораздо больше энергии, чем транзистор.

Это связано с тем, что трубки регулировали количество энергии, протекающей через них, с помощью нагретой поверхности (термоэмиссия), которая находилась между входящим током и выводами выходного тока.

Из-за своих размеров вакуумная трубка радио тридцатых годов могла бы занимать шкаф размером с тостерную печь, изготовленную сегодня. Транзисторный радиоприемник с точно такими же требованиями к питанию и аудиовыходом мог бы поместиться в ладони руки или просто висеть на шее как подвеска.

Вакуумная трубка Discovery
Первой вакуумной трубкой, вероятно, была лампочка Томаса Эдисона. Конечно, у него было только два терминала, и его единственная цель состояла в том, чтобы производить свет, но он все еще нуждался в вакууме для работы.Вторым была лампочка Никола Тесла, которая очень напоминает компактную люминесцентную лампу или лампу сегодняшнего дня. Третьим был эксперимент Джозефа Джона Томсона. В вакуумной трубке Томсона была третья нить, предназначенная для исследования «частиц» вещества, которые, казалось, текли из светящейся нити. Эти «частицы» были названы «корпускулами» Томсоном, и их открытие в конечном итоге принесло ему Нобелевскую премию по физике в 1906 году. Сегодня мы называем эти «частицы» электронами.

Транзисторы

по сравнению с вакуумными трубками

Существует много преимуществ использования транзисторов, которые вакуумные трубки не могут получить.Прежде всего, вакуумная трубка, даже на пике своей популярности, была дорогим устройством по сравнению с транзистором. Они также потребляли больше энергии, были больше, не были такими надежными и были подвержены сбоям из-за перегрева, поломок и технологий изготовления. Вакуумные трубки также были проблематичны в цепях, в которых они использовались. Из-за тепла, которое они производили, они могли привести к выходу из строя соседних компонентов или их неработоспособности.

Разница в стоимости
В 1950-х годах производство вакуумной трубки стоило от 15 до 30 долларов.Транзистор, предназначенный для той же работы, стоил около 5 долларов в 1960-х годах. Сегодня, когда сотни тысяч транзисторов составляют интегральные схемы, их стоимость составляет около ста тысячных долей каждый.

Различия в мощности
Транзисторам для работы требуется значительно меньше энергии, чем в вакуумной трубке. В конце концов, вакуумной трубке требуется нить, похожая на лампочку, чтобы генерировать электроны, которые необходимо включить или выключить. Транзистор, с другой стороны, просто нуждается в небольшом количестве энергии (для сравнения), чтобы функционировать в качестве переключателя.

Различия в размерах
Транзистор, по сравнению с сопоставимой вакуумной трубкой, возможно, составляет одну тысячную размера трубки. Определить это немного сложно, так как размер транзисторов продолжает уменьшаться каждый год до восемнадцати месяцев.

Типы транзисторов

Существует много типов транзисторов. Первый, называемый точечным контактным транзистором, сегодня редко используется. Есть также биполярные переходные транзисторы, полевые транзисторы, диффузионные транзисторы, однопереходные транзисторы и так далее.

Причина, по которой существует так много типов, связана с размером и применением. Поскольку транзисторы стали меньше, их функция была затронута. Точечные контактные транзисторы больше не работают как переключатели или усилители, когда они достигают определенного размера. Это привело к перепроектированию с использованием различных методов, чтобы ток протекал, когда на затвор подается небольшое количество энергии. Фактически, почти каждый тип транзистора является прямым результатом их уменьшения и необходимости преодолевать проблемы в их функции из-за меньшего размера.

Транзисторы в интегральных микросхемах

Одиночные (так называемые дискретные) транзисторы все еще существуют, но транзисторы наиболее полезны в виде набора на одном кристалле кремния. Они называются интегральными схемами, и самая первая из них была разработана Бобом Нойсом и Горденом Муром (это тот же закон Мура Мура). Муру и Нойсу было поручено разработать и создать двенадцать специализированных чипов для японской фирмы Busicom. Компания Integrated Electronics (Intel) не имела средств для создания двенадцати отдельных микросхем, но у них были технические возможности для создания одного чипа, который мог бы выполнять все двенадцать ролей с помощью тщательного программирования.

Это было рождение Intel 4004. Этот чип имеет 2300 транзисторов, которые служили компьютером, памятью, математической единицей и так далее. Хотя другие ученые предсказывали рождение «компьютера на чипе», никто не придумал, как его использовать. Intel сделал.

4004, первый изготовленный микропроцессор, имел более двух тысяч транзисторов и занимал 1/8 дюйма ширины дюйма и 1/3 дюйма высоты. (см. изображения справа) 4004 имел ту же вычислительную мощность, что и компьютер ENIAC.ENIAC, построенный в 1947 году, занял баскетбольную площадку и нуждался в восемнадцати тысячах вакуумных трубок для работы. Одна из функций персонала ENIAC заключалась в ежедневной замене сгоревших или неработающих вакуумных трубок.

Intel с умом выкупила права на чип 4004 у Busicom за 60 000 долларов. Несмотря на вливание денег, Busicom пошел на спад, а Intel процветала.

Заключение

Я надеюсь, что эта статья поможет читателю немного лучше понять транзисторы, как они работают и как они стали настолько важными.

Отказ от ответственности

Автор ни в коем случае, ни в денежной форме, не получал компенсацию со скидками или халявой ни от одной из упомянутых компаний.

Хотя автор и получает небольшую прибыль от подсчета слов в этой статье, ничего из этого не получено напрямую от упомянутых производителей. Автор также намерен получить небольшую прибыль от рекламы, прилагаемой к этой статье.

Автор не контролирует ни рекламу, ни содержание этих объявлений.

,