Для чего нужны транзисторы: Для чего нужны транзисторы и как они работают

Для чего нужны транзисторы и как они работают

18 ноября 2020

Транзисторами можно назвать основу цифровой электроники 21 века. Они представлены в виде полупроводникового элемента, который необходим для управления электрическим током. Сегодня транзисторы применяются при производстве разнообразной техники. Они содержат благородные металлы, которые находятся на выводах и корпусе. Драгметаллы в транзисторах — это золото, платина или серебро. На некоторых из них имеется скрытая позолота, которую можно найти под крышкой устройства. Из-за этого приборы сегодня активно перерабатываются. Но нужно учитывать, что драгоценные металлы в транзисторах встречаются не всегда. Все зависит от года выпуска и производителя приборов.

Для чего в составе техники нужны транзисторы с драгметаллами

Главная функция транзисторов — управление электрическим током большого значения, используя небольшие усилия. Сегодня без этого прибора не смогут обойтись многие усовершенствованные электрические схемы.

Транзисторы активно применяются при производстве вычислительной аппаратуры, аудиотехники, видеоаппаратуры. Сегодня известны разные виды полупроводниковых приборов. Но все они выполняют одну функцию и имеют схожий принцип работы.

Принцип работы транзистора и зачем нужны драгметаллы в транзисторах

Один из самых часто встречающихся видов транзистора — биполярный. Он представлен в виде кристалла проводника, который разделяется на три зоны с разными показателями электропроводности. Все эти зоны имеют свои названия — коллектор, база, эмиттер. Принцип работы прибора схож с функционированием водопроводного крана. Однако жидкость здесь заменяет электрический ток.

Выделяют два состояния транзистора — открытое и закрытое. Когда прибор закрыт, через него не проходит малый электрический ток. Когда на базу попадает ток, транзистор открывается. Далее большой ток начинает проходить через эмиттер и коллектор.

При подключении источника энергии между эмиттером и коллектором, электронный коллектора буду притягиваться к плюсу.

Однако возникновения тока не произойдёт. Прохождению электричества в таком случае будет препятствовать база и поверхность эмиттера. Если же попробовать подсоединить источник сети между базой и эмиттером, электрон эмиттера будут внедряться в сферу баз. Это область станет обогащаться свободными электронами. Одна часть из них будет направляться в сторону плюса базы, другая — в сторону коллектора.

Так транзистор станет открытым, при этом через него будет проходить электрический ток. При повышении напряжения в области базы, будет увеличиваться и ток зоны коллектора и эмиттера. Даже при самых незначительных изменениях управляющего напряжения сила тока коллектора-эмиттера будет увеличена. По такому принципу и работает транзистор в электроприборах.

Особенности полевых транзисторов

Полевые транзисторы имеют особый принцип работы — ток в этом случае проходит только по одной полярности. По типу устройства эти приборы можно разделить на несколько видов: устройства с управляющим p-n переходом, приборы, имеющие изолированный затвор, транзисторы с устройством металл-диэлектрик-проводник.

Главная особенность полевых устройств — низкий процент потребления энергии. Для них характерна продолжительная работа от небольших аккумуляторов. В таком режиме они могут функционировать больше года. Из-за этого полевые транзисторы активно используют для производства современной электроники. Например, мобильных устройств, пультов дистанционного управления и иного цифрового оборудования. Для этих приборов полевой транзистор считается наиболее выгодным.

Устройство состоит из трех главных элементов — исток, сток и затвор. Исток и сток выполняют функцию генерирования и приёма носителей электрического заряда. Сам затвор помогает управлять током, который проходит через весь полевой транзистор. Сегодня в аппаратуре используются транзисторы полевого типа с p-n-переходом и приборы с изолированный затвором.

◄ Назад к новостям

Транзистор — Википедия. Что такое Транзистор

Дискретные транзисторы в различном конструктивном оформлении

Транзи́стор (англ.  transistor), полупроводнико́вый трио́д — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами^[1], способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет его использовать для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем.

Транзисторами также называются дискретные электронные приборы, которые, выполняя функцию одиночного транзистора, имеют в своем составе много элементов, конструктивно являясь интегральной схемой, например составной транзистор или многие транзисторы большой мощности

[2].

Транзисторы по структуре, принципу действия и параметрам делятся на два класса — биполярные и полевые (униполярные). В биполярном транзисторе используются полупроводники с обоими типами проводимости, он работает за счет взаимодействия двух, близко расположенных на кристалле, p-n переходов и управляется изменением тока через база-эмиттерный переход, при этом вывод эмиттера всегда является общим для управляющего и выходного токов. В полевом транзисторе используется полупроводник только одного типа проводимости, расположенный в виде тонкого канала, на который воздействует электрическое поле изолированного от канала затвора^[3], управление осуществляется изменением напряжения между затвором и истоком. Полевой транзистор, в отличие от биполярного, управляется напряжением, а не током. В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor). В цифровой технике, в составе микросхем (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми. В 1990-е годы был разработан новый тип гибридных биполярно-полевых транзисторов — IGBT которые сейчас широко применяются в силовой электронике.

В 1956 году за изобретение биполярного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике.

К 1980-м годам транзисторы, благодаря своей миниатюрности, экономичности, устойчивости к механическим воздействиям и невысокой стоимости практически полностью вытеснили электронные лампы из малосигнальной электроники.

Благодаря своей способности работать при низких напряжениях и значительных токах, транзисторы позволили уменьшить потребность в электромагнитных реле и механических переключателях в оборудовании, а благодаря способности к миниатюризации и интеграции позволили создать интегральные схемы, заложив основы микроэлектроники. С 1990-х в связи с появлением новых мощных транзисторов, стали активно вытесняться электронными устройствами трансформаторы, электромеханические и тиристорные ключи в силовой электротехнике, начал активно развиваться Частотно-регулируемый привод и инверторные преобразователи напряжения.

На принципиальных схемах транзистор обычно обозначается «VT» или «Q» с добавленим позиционного индекса, например, VT12. До 1970-х гг. в русскоязычной литературе и документации также применялись обозначения «Т», «ПП» (полупроводниковый прибор) или «ПТ» (полупроводниковый триод).

История

Изобретение транзистора, являющееся одним из важнейших достижений XX века

[4], стало следствием длительного развития полупроводниковой электроники, которое началось в 1833 году, когда Майкл Фарадей провёл первые эксперименты с полупроводниковым материалом — сульфидом серебра.

В 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун впервые обнаружил явление односторонней проводимости контакта металл—полупроводник.

В 1906 году инженер Гринлиф Виттер Пиккард изобретает точечный полупроводниковый диод-детектор.

В 1910 году английский физик Уильям Икклз (англ.)русск. обнаружил у некоторых полупроводниковых диодов способность генерировать электрические колебания, а инженер Олег Лосев в 1922 году самостоятельно разработал диоды, обладающие при некоторых напряжениях смещения отрицательным дифференциальным сопротивлением, с помощью которых впервые успешно использовал усилительные и генераторные свойства полупроводников (Кристадинный эффект), в детекторных и гетеродинных радиоприёмниках собственной конструкции.

Особенностью этого периода развития было то, что физика полупроводников была ещё плохо изучена, все достижения являлись следствием экспериментов, учёные затруднялись объяснить, что происходит внутри кристалла, часто выдвигая ошибочные гипотезы.

В то же время на рубеже 1920—1930 годов в радиотехнике началась эпоха бурного индустриального развития электронных ламп, физика которых была изучена, и в этом направлении работала основная масса учёных-радиотехников, в то время как хрупкие и капризные полупроводниковые детекторы открытой конструкции, в которых нужно было при помощи металлической иглы вручную искать на кристалле «активные точки», стали уделом кустарей-одиночек и радиолюбителей, строивших на них простейшие радиоприемники. Потенциальных перспектив полупроводников никто не видел.

Создание биполярного и полевого транзисторов произошло разными путями.

Полевой транзистор

Первый шаг в создании полевого транзистора сделал австро-венгерский физик Юлий Эдгар Лилиенфельд, который предложил метод управления током в образце путём подачи на него поперечного электрического поля, которое, воздействуя на носители заряда, будет управлять проводимостью. Патенты были получены в Канаде (22 октября 1925 года) и Германии (1928 год)^[5][6].

В 1934 году немецкий физик Оскар Хайл (англ.)русск. в Великобритании также запатентовал «бесконтактное реле», основанное на аналогичном принципе. Однако несмотря на то, что полевые транзисторы основаны на простом электростатическом эффекте поля и по протекающим в них физическим процессам проще биполярных, создать работоспособный образец полевого транзистора долго не удавалось.

Разработчики не могли обойти неизвестные на тот момент явления в поверхностном слое полупроводника, которые не позволяли управлять электрическим полем внутри кристалла у транзисторов такого типа (МДП-транзистор — металл, диэлектрик, полупроводник). Работоспособный полевой транзистор был создан уже после открытия биполярного транзистора. В 1952 году Уильям Шокли теоретически описал модель полевого транзистора другого типа, модуляция тока в котором, в отличие от ранее предложенных МДП

[7] структур, осуществлялась изменением толщины проводящего канала за счёт расширения или сужения обеднённой области, прилегающего к каналу р-n-перехода. Это происходило при подаче на переход управляющего напряжения запирающей полярности затворного диода. Транзистор получил название «полевой транзистор с управляющим р-n-переходом» (мешающие работе поверхностные явления устранялись, так как проводящий канал находился внутри кристалла).

Первый полевой МДП-транзистор, запатентованный ещё в 1920-е годы и сейчас составляющий основу компьютерной индустрии, впервые был создан в 1960 году после работ американцев Канга и Аталлы, предложивших в качестве слоя затворного диэлектрика формировать на поверхности кремниевого кристалла с помощью окисления поверхности кремния тончайший слой диоксида кремния, изолирующий металлический затвор от проводящего канала, такая структура получила название МОП-структура (Металл-Окисел-Полупроводник).

В 90-х годах XX века МОП-технология стала доминировать над биполярной^[8]

Биполярный транзистор

Копия первого в мире работающего транзистора

В отличие от полевого, первый биполярный транзистор создавался экспериментально, а его физический принцип действия был объяснён уже позднее.

В 1929—1933 гг., в ЛФТИ, Олег Лосев под руководством А. Ф. Иоффе провёл ряд экспериментов с полупроводниковым устройством, конструктивно повторяющим точечный транзистор на кристалле карборунда (SiC), однако достаточного коэффициента усиления получить тогда не удалось. Изучая явления электролюминесценции в полупроводниках, Лосев исследовал около 90 различных материалов, особенно выделяя кремний, и в 1939 году он вновь упоминает о работах над трёхэлектродными системами в своих записях, но начавшаяся война и гибель инженера в блокадном Ленинграде зимой 1942 года привели к тому, что некоторые его работы оказались утеряны и сейчас неизвестно, насколько далеко он продвинулся в создании транзистора. В начале 1930-х годов точечные трёхэлектродные усилители изготовили также радиолюбители Ларри Кайзер из Канады и Роберт Адамс из Новой Зеландии, однако их работы не были запатентованы и не подвергались научному анализу^[4].

Успеха добилось опытно-конструкторское подразделение Bell Telephone Laboratories фирмы American Telephone and Telegraph, с 1936 года в нём, под руководством Джозефа Бекера, работала группа ученых специально нацеленная на создание твердотельных усилителей. До 1941 года изготовить полупроводниковый усилительный прибор не удалось (предпринимались попытки создания прототипа полевого транзистора). После войны, в 1945 году, исследования возобновились под руководством физика-теоретика Уильяма Шокли, после ещё 2 лет неудач, 16 декабря 1947 года, исследователь Уолтер Браттейн, пытаясь преодолеть поверхностный эффект в германиевом кристалле и экспериментируя с двумя игольчатыми электродами, перепутал полярность приложенного напряжения и неожиданно получил устойчивое усиление сигнала. Последующее изучение открытия, совместно с теоретиком Джоном Бардиным показало, что никакого эффекта поля нет, в кристалле идут ещё не изученные процессы, это был не полевой, а неизвестный прежде, биполярный транзистор. 23 декабря 1947 года состоялась презентация действующего макета изделия руководству фирмы, эта дата стала считаться датой рождения транзистора. Узнав об успехе, уже отошедший от дел Уильям Шокли, вновь подключается к исследованиям и за короткое время создает теорию биполярного транзистора, в которой уже наметил замену точечной технологии изготовления, более перспективной, плоскостной.

Первоначально новый прибор назывался «германиевый триод» или «полупроводниковый триод», по аналогии с вакуумным триодом — электронной лампой схожей структуры, в мае 1948 года в лаборатории прошел конкурс на оригинальное название изобретения, в котором победил Джон Пирс (John R. Pierce), предложивший слово «transistor», образованное путём соединения терминов «transconductance» (активная межэлектродная проводимость) и «variable resistor» или «varistor» (переменное сопротивление, варистор) или, по другим версиям, от слов «transfer» — передача и «resist» — сопротивление.

30 июня 1948 г. в штаб-квартире фирмы в Нью-Йорке состоялась официальная презентация нового прибора, на транзисторах был собран радиоприемник. И все же, мировой сенсации не состоялось, первоначально открытие не оценили по достоинству, ибо первые точечные транзисторы, в сравнении с электронными лампами, имели очень плохие и неустойчивые характеристики.

В 1956 году Уильям Шокли (en:William Shockley), Уолтер Браттейн (en:Walter Houser Brattain) и Джон Бардин (en:John Bardeen) были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта»^[9]. Интересно, что Джон Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии вторично за создание теории сверхпроводимости.

Создание биполярного транзистора в Европе

Параллельно с работами американских ученых, в Европе, биполярный транзистор был создан физиком-экспериментатором Гербертом Матаре (en:Herbert Mataré) и теоретиком Генрихом Велкером (en:Heinrich Welker). В 1944 году, Герберт Матаре, работая в фирме Телефункен, разработал полупроводниковый «дуодиод» (двойной диод), который, конструктивно был похож на будущий точечный биполярный транзистор. Прибор использовался в качестве смесителя в радиолокационной технике, как два, близких по параметрам, выпрямительных точечных диода, выполненных на одном кристалле германия. Тогда же Матаре впервые обнаружил влияние тока одного диода на параметры другого и начал исследования в этом направлении. После войны Герберт Матаре, в Париже, встретился с Иоганном Велкером, где оба физика, работая в филиале американской корпорации Westinghouse Electric, продолжили эксперименты над дуодиодом в инициативном порядке. В начале июня 1948 года, ещё не зная о результатах исследований группы Шокли в Bell Labs, они на основе дуодиода создали стабильно работающий биполярный транзистор, который был назван «транзитрон», однако, патентная заявка на изобретение, отправленная в августе 1948 года, рассматривалась французским бюро патентов очень долго и только в 1952 году был получен патент на изобретение. Серийно выпускаемые фирмой Westinghouse транзитроны, несмотря на то что по качеству они успешно конкурировали с транзисторами, также не смогли завоевать рынок и вскоре работы в этом направлении прекратились^[4].

Развитие транзисторных технологий

Несмотря на миниатюрность и экономичность, первые транзисторы отличались высоким уровнем шумов, маленькой мощностью, нестабильностью характеристик во времени и сильной зависимостью параметров от температуры. Точечный транзистор, не являясь монолитной конструкцией, был чувствителен к ударам и вибрациям. Фирма-создатель Bell Telephone Laboratories не оценила перспективы нового прибора, выгодных военных заказов не ожидалось и лицензия на изобретение вскоре начала продаваться всем желающим за 25 тыс. долларов. В 1951 году был создан плоскостной транзистор, конструктивно представляющий собой монолитный кристалл полупроводника, и примерно в это же время появились первые транзисторы на основе кремния. Характеристики транзисторов быстро улучшались и вскоре они стали активно конкурировать с электронными радиолампами.

Позднее транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, совершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров. В начале 21-го века транзистор стал одним из самых массовых изделий, производимых человечеством. В 2013 году на каждого жителя Земли было выпущено около 15 миллиардов транзисторов (большинство из них — в составе интегральных схем)^[10].

С появлением интегральных микросхем началась борьба за уменьшение размера элементарного транзистора. В 2012 году самые маленькие транзисторы содержали считанные атомы вещества^[11]. Транзисторы стали основной частью компьютеров и других цифровых устройств. В некоторых конструкциях процессоров их количество превышало миллиард штук.

Классификация транзисторов

	p-n-p		канал p-типа
	n-p-n		канал n-типа
Биполярные		Полевые

Обозначение транзисторов разных типов.
Условные обозначения:
Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база;
З — затвор, И — исток, С — сток.

Ниже приведена формальная классификация транзисторов, где ток образуется потоком носителей заряда, а состояния, между которыми переключается прибор, определяются по величине сигнала: малый сигнал — большой сигнал, закрытое состояние — открытое состояние, на которых реализуется двоичная логика работы транзистора. Современная технология может оперировать не только электрическим зарядом, но и магнитными моментами, спином отдельного электрона, фононами и световыми квантами, квантовыми состояниями в общем случае.

По основному полупроводниковому материалу

Помимо основного полупроводникового материала, применяемого обычно в виде легированного в некоторых частях монокристалла, транзистор содержит в своей конструкции металлические выводы, изолирующие элементы, корпус (пластиковый, металлостеклянный или металлокерамический). Иногда употребляются комбинированные наименования, частично описывающие технологические разновидности (например, «кремний на сапфире» или «металл-окисел-полупроводник»). Однако основная классификация указывает на применённый полупроводниковый материал — кремний, германий, арсенид галлия и др.

Другие материалы для транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов — полупроводниковые полимеры. Также имеются отдельные сообщения о транзисторах на основе углеродных нанотрубок^[12], о графеновых полевых транзисторах.

По структуре

Транзисторы

Биполярные

Полевые

p-n-p

n-p-n

С затвором в виде p-n-перехода

С изолированным затвором

С каналом n-типа

С каналом p-типа

Со встроенным каналом

С индуцированным каналом

С каналом n-типа

С каналом p-типа

С каналом n-типа

С каналом p-типа

Принцип действия и способы применения транзисторов существенно зависят от их типа и внутренней структуры.

• Биполярные
  • n-p-n структуры, «обратной проводимости».
  • p-n-p структуры, «прямой проводимости».

В биполярном транзисторе носители заряда движутся от эмиттера через тонкую базу к коллектору. База отделена от эмиттера и коллектора p-n переходами. Ток протекает через транзистор лишь тогда, когда носители заряда инжектируются из эмиттера в базу через p-n переход. В базе они являются неосновными носителями заряда и легко захватываются другим p-n переходом между базой и коллектором, ускоряясь при этом. В базовом слое носители заряда распространяются за счёт диффузионного механизма, если нет градиента легирующей примеси в слое базы, или по действием электрического поля при неравномерном легировании базы, для повышения быстродействия прибора толщина базового слоя должна быть как можно тоньше, но чрезмерное снижение толщины базы вызывает снижение предельно допустимого напряжения коллектора. Управление током между эмиттером и коллектором осуществляется изменением напряжения между базой и эмиттером, от которого зависят условия инжекции носителей заряда в базу и ток базы.

В полевом транзисторе ток протекает от истока к стоку через канал под затвором. Канал существует в легированном полупроводнике в промежутке между затвором и нелегированной подложкой, в которой нет носителей заряда, и она не может проводить ток. Преимущественно под затвором существует область обеднения, в которой тоже нет носителей заряда благодаря образованию между легированным полупроводником и металлическим затвором контакта Шоттки. Таким образом ширина канала ограничена пространством между подложкой и областью обеднения. Приложенное к затвору напряжение увеличивает или уменьшает ширину области обеднения и, тем самым, площадь поперечного сечения канала, управляя током стока и равного ему током истока.

Другие разновидности транзисторов

Работа биполярного транзистора. | Для дома, для семьи

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем разбираться с устройством и работой биполярного транзистора.
В предыдущей части мы узнали как устроен транзистор, в общих чертах рассмотрели технологии изготовления германиевых и кремниевых транзисторов и разобрались как они маркируются.

Сегодня мы проведем несколько опытов и убедимся, что биполярный транзистор действительно состоит из двух диодов, включенных встречно, и что транзистор является усилителем сигнала.

Нам понадобится маломощный германиевый транзистор структуры p-n-p из серии МП39 – МП42, лампа накаливания, рассчитанная на напряжение 2,5 Вольта и источник питания на 4 – 5 Вольт. Вообще, для начинающих радиолюбителей я рекомендую собрать небольшой регулируемый блок питания, с помощью которого Вы будете питать свои конструкции.

1. Транзистор состоит из двух диодов.

Чтобы убедиться в этом, соберем небольшую схему: базу транзистора VT1 соединим с минусом источника питания, а вывод коллектора с одним из выводов лампы накаливания EL. Теперь если второй вывод лампы соединить с плюсом источника питания, то лампочка загорится.

Лампочка загорелась потому, что на коллекторный переход транзистора мы подали прямое — пропускное напряжение, которое открыло коллекторный переход и через него потек прямой ток коллектора Iк. Величина этого тока зависит от сопротивления нити накала лампы и внутреннего сопротивления источника питания.

А теперь рассмотрим эту же схему, но транзистор изобразим в виде пластины полупроводника.

Основные носители заряда в базе электроны, преодолевая p-n переход, попадают в дырочную область коллектора и становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны базы поглощаются основными носителями в дырочной области коллектора дырками. Таким же образом дырки из области коллектора, попадая в электронную область базы, становятся неосновными и поглощаются основными носителями заряда в базе электронами.

На контакт базы, соединенный с отрицательным полюсом источника питания, будет поступать практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов из области базы. А контакт коллектора, соединенный с положительным полюсом источника питания через нить накала лампы, способен принять такое же количество электронов, благодаря чему будет восстанавливаться концентрация дырок в области базы.

Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через коллекторный переход будет течь ток коллектора Iк. И чем больший будет этот ток, тем ярче будет гореть лампа.

Лампочка будет гореть и в случае, если ее включить в цепь эмиттерного перехода. На рисунке ниже показан именно этот вариант схемы.

А теперь немного изменим схему и базу транзистора VT1 подключим к плюсу источника питания. В этом случае лампа гореть не будет, так как p-n переход транзистора мы включили в обратном направлении. А это значит, что сопротивление p-n перехода стало велико и через него течет лишь очень малый обратный ток коллектора Iкбо не способный раскалить нить накала лампы EL. В большинстве случаев этот ток не превышает нескольких микроампер.

А чтобы окончательно убедиться в этом, опять рассмотрим схему с транзистором, изображенным в виде пластины полупроводника.

Электроны, находящиеся в области базы, переместятся к плюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода. Дырки, находящиеся в области коллектора, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Но, так как в каждой из областей базы и коллектора присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через коллекторный переход будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и этого тока не будет хватать, чтобы зажечь нить накала лампы.

2. Работа транзистора в режиме переключения.

Сделаем еще один опыт, показывающий один из режимов работы транзистора.
Между коллектором и эмиттером транзистора включим последовательно соединенные источник питания и ту же лампу накаливания. Плюс источника питания соединим с эмиттером, а минус через нить накала лампы с коллектором. Лампа не горит. Почему?

Все очень просто: если приложить напряжение питания между эмиттером и коллектором, то при любой полярности один из переходов окажется в прямом, а другой в обратном направлении и будет мешать прохождению тока. В этом не трудно убедиться, если взглянуть на следующий рисунок.

На рисунке видно, что эмиттерный переход база-эмиттер включен в прямом направлении и находится в открытом состоянии и готов принять неограниченное количество электронов. Коллекторный переход база-коллектор, наоборот, включен в обратном направлении и препятствует прохождению электронов к базе.

Отсюда следует, что основные носители заряда в области эмиттера дырки, отталкиваемые плюсом источника питания, устремляются в область базы и там взаимопоглощаются (рекомбинируют) с основными носителями заряда в базе электронами. В момент насыщения, когда с той и с другой стороны свободных носителей заряда не останется, их движение прекратится, а значит, перестает течь ток. Почему? Потому что со стороны коллектора не будет подпитки электронами.

Получается, что основные носители заряда в коллекторе дырки притянулись отрицательным полюсом источника питания, а некоторые из них взаимно поглотились электронами, поступающими со стороны минуса источника питания. А в момент насыщения, когда с обеих сторон не останется свободных носителей заряда, дырки, за счет своего преобладания в области коллектора, заблокируют дальнейший проход электронам к базе.

Таким-образом между коллектором и базой образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Конечно, благодаря магнитному полю и тепловому воздействию мизерный ток все же протекать будет, но сила этого тока так мала, что не способна раскалить нить накала лампы.

Теперь в схему добавим проволочную перемычку и ей замкнем базу с эмиттером. Лампочка, включенная в коллекторную цепь транзистора, опять не будет гореть. Почему?

Потому что при замыкании базы и эмиттера перемычкой коллекторный переход становится просто диодом, на который подается обратное напряжение. Транзистор находится в закрытом состоянии и через него идет лишь незначительный обратный ток коллектора Iкбо.

А теперь схему еще немного изменим и добавим резистор Rб сопротивлением 200 – 300 Ом, и еще один источник напряжения Gб в виде пальчиковой батарейки.
Минус батарейки соедините через резистор Rб с базой транзистора, а плюс батарейки с эмиттером. Лампа загорелась.

Лампа загорелась потому, что мы подключили батарейку между базой и эмиттером, и тем самым подали на эмиттерный переход прямое отпирающее напряжение. Эмиттерный переход открылся и через него пошел прямой ток, который открыл коллекторный переход транзистора. Транзистор открылся и по цепи эмиттер-база-коллектор потек коллекторный ток Iк, во много раз больший тока цепи эмиттер-база. И благодаря этому току лампочка загорелась.

Если же мы поменяем полярность батарейки и на базу подадим плюс, то эмиттерный переход закроется, а вместе с ним закроется и коллекторный переход. Через транзистор потечет обратный коллекторный ток Iкбо и лампочка потухнет.

Резистор Rб ограничивает ток в базовой цепи. Если ток не ограничивать и на базу подать все 1,5 вольта, то через эмиттерный переход потечет слишком большой ток, в результате которого может произойти тепловой пробой перехода и транзистор выйдет из строя. Как правило, для германиевых транзисторов отпирающее напряжение составляет не более 0,2 вольта, а для кремниевых не более 0,7 вольта.

И опять разберем эту же схему, но транзистор представим в виде пластины полупроводника.

При подаче отпирающего напряжения на базу транзистора открывается эмиттерный переход и свободные дырки из эмиттера начинают взаимопоглощаться с электронами базы, создавая небольшой прямой базовый ток Iб.

Но не все дырки, вводимые из эмиттера в базу, рекомбинируют с ее электронами. Как правило, область базы делается тонкой, а при изготовлении транзисторов структуры p-n-p концентрацию дырок в эмиттере и коллекторе делают во много раз большей, чем концентрацию электронов в базе, поэтому лишь малая часть дырок поглощается электронами базы.

Основная же масса дырок эмиттера проходит базу и попадает под действие более высокого отрицательного напряжения действующего в коллекторе, и уже вместе с дырками коллектора перемещается к его отрицательному контакту, где и взаимопоглощается вводимыми электронами отрицательным полюсом источника питания GB.

В результате этого сопротивление коллекторной цепи эмиттер-база-коллектор уменьшится и в ней течет прямой коллекторный ток Iк во много раз превышающий базовый ток Iб цепи эмиттер-база.

Чем больше отпирающее напряжение на базе, тем больше дырок вводится из эмиттера в базу, тем значительнее ток в коллекторной цепи. И, наоборот, чем меньше отпирающее напряжение на базе, тем меньший ток в коллекторной цепи.

Если в момент работы транзистора в базовую и коллекторную цепи включить миллиамперметр, то при закрытом транзисторе токов в этих цепях практически не было бы.

При открытом же транзисторе ток базы Iб составлял бы 2-3 mA, а ток коллектора Iк был бы около 60 – 80 mA. Все это говорит о том, что транзистор может быть усилителем тока.

В этих опытах транзистор находился в одном из двух состояний: открытом или закрытом. Переключение транзистора из одного состояния в другое происходило под действием отпирающего напряжения на базе Uб. Такой режим транзистора называют режимом переключения или ключевым. Такой режим работы транзистора используют в приборах и устройствах автоматики.

На этом закончим, а в следующей части разберем работу транзистора в режиме усиления на примере простого усилителя звуковой частоты, собранного на одном транзисторе.
Удачи!

Литература:

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Е. Айсберг — Транзистор?.. Это очень просто! 1964г.

Типы транзисторов: работа и их применение

Транзистор является активным компонентом, который используется во всех электронных схемах. Они используются как усилители и коммутационные аппараты. В качестве усилителей они используются в каскадах высокого и низкого уровня, частотных каскадах, генераторах, модуляторах, детекторах и в любой цепи, которая должна выполнять определенную функцию. В цифровых схемах они используются как переключатели. В мире существует огромное количество производителей, которые производят полупроводники (транзисторы являются членами этого семейства устройств), поэтому существует ровно тысячи различных типов.Существуют транзисторы малой, средней и большой мощности, для работы с высокими и низкими частотами, для работы с очень большим током или высоким напряжением. В этой статье дается обзор того, что такое транзистор, различных типов транзисторов и их применения.

Что такое транзистор

Транзистор — это электронное оборудование. Это сделано через полупроводник p- и n-типа. Когда полупроводник помещается в центр между полупроводниками одного типа, такое устройство называется транзисторами.Можно сказать, что транзистор — это комбинация двух диодов, это соединение спина к спине. Транзистор — это устройство, которое регулирует ток или напряжение и действует как кнопка или затвор для электронных сигналов.

Типы транзисторов

Транзисторы состоят из трех слоев полупроводникового устройства, каждый из которых может перемещать ток. Полупроводник — это такой материал, как германий и кремний, который проводит электричество «полу-энтузиазмом». Это где-то между настоящим проводником, таким как медь, и изолятором (аналогично обернутым пластиком проводам).

Символ транзистора

Показана схематическая форма транзисторов n-p-n и p-n-p. Внутрисхемная форма соединения используется. Символ стрелки определяет ток эмиттера. В соединении n-p-n мы идентифицируем поток электронов в эмиттер. Это означает, что из эмиттера вытекает консервативный ток, как показано исходящей стрелкой. Точно так же можно видеть, что для соединения p-n-p консервативный ток течет в эмиттер, как показано направленной внутрь стрелкой на рисунке.

Транзисторы PNP и NPN

Существует так много типов транзисторов, каждый из которых различается по своим характеристикам, и у каждого есть свои преимущества и недостатки. Некоторые типы транзисторов используются в основном для коммутации. Остальные могут использоваться как для переключения, так и для усиления. Тем не менее, другие транзисторы находятся в особой группе, например фототранзисторы, которые реагируют на количество падающего на них света, создавая ток, протекающий через них. Ниже приведен список различных типов транзисторов; мы рассмотрим их характеристики.

Каковы два основных типа транзисторов?

Транзисторы подразделяются на два типа, такие как BJT и полевые транзисторы.

Биполярный переходной транзистор (BJT)

Биполярный переходный транзистор — это транзисторы, состоящие из трех областей: базы, коллектора и эмиттера. Транзисторы с биполярным соединением, различные полевые транзисторы, являются устройствами с регулируемым током. Небольшой ток, поступающий в базовую область транзистора, вызывает гораздо больший ток, протекающий от эмиттера к области коллектора. Биполярные транзисторы бывают двух основных типов: NPN и PNP. NPN-транзистор — это транзистор, в котором большинство носителей тока — электроны.

Электрон, протекающий от эмиттера к коллектору, формирует основу большей части тока, протекающего через транзистор. Остальные типы заряда — дырки — составляют меньшинство. На транзисторах PNP все наоборот. В транзисторах PNP большинство дырок носителей тока. Биполярные транзисторы доступны двух типов, а именно: PNP и NPN.

Контакты биполярного переходного транзистора.

PNP-транзистор

. Этот транзистор представляет собой еще один вид биполярных переходных транзисторов BJT, и он содержит два полупроводниковых материала p-типа. Эти материалы разделены тонким полупроводниковым слоем n-типа. В этих транзисторах основными носителями заряда являются дырки, а неосновными носителями заряда являются электроны.

В этом транзисторе стрелка указывает на обычный ток. Направление тока в этом транзисторе — от вывода эмиттера к выводу коллектора. Этот транзистор будет включен, когда клемма базы переместится в низкий уровень по сравнению с клеммой эмиттера. Транзистор PNP с символом показан ниже.

NPN-транзистор

NPN также является одним из видов BJT (биполярных переходных транзисторов) и включает в себя два полупроводниковых материала n-типа, разделенных тонким полупроводниковым слоем p-типа. В транзисторе NPN основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями заряда — дырки. Электроны, протекающие от вывода эмиттера к выводу коллектора, будут формировать ток внутри вывода базы транзистора.

В транзисторе меньшая величина тока, подаваемого на вывод базы, может вызвать подачу большого количества тока от вывода эмиттера к коллектору. В настоящее время обычно используются транзисторы NPN, поскольку подвижность электронов выше, чем подвижность дырок. Ниже показан NPN-транзистор с символом.

Полевой транзистор

Полевой транзистор состоит из 3 областей: затвора, истока и стока. Различные биполярные транзисторы, полевые транзисторы — это устройства, управляемые напряжением. Напряжение, подаваемое на затвор, управляет током, протекающим от истока к стоку транзистора. Полевые транзисторы имеют очень высокий входной импеданс, от нескольких мегамом (МОм) до гораздо больших значений.

Из-за высокого входного импеданса через них проходит очень небольшой ток. (Согласно закону Ома, на ток обратно пропорционально влияет значение импеданса цепи. Если импеданс высокий, ток очень низкий.) Таким образом, оба полевых транзистора потребляют очень небольшой ток от источника питания схемы.

Полевые транзисторы

Таким образом, это идеальный вариант, поскольку они не нарушают работу силовых элементов исходной схемы, к которым они подключены. Они не приведут к перегрузке источника питания.Недостатком полевых транзисторов является то, что они не обеспечивают такого же усиления, которое можно получить от биполярных транзисторов.

Биполярные транзисторы лучше в том, что они обеспечивают большее усиление, хотя полевые транзисторы лучше в том, что они вызывают меньшую нагрузку, дешевле и проще в производстве. Полевые транзисторы бывают двух основных типов: полевые полевые транзисторы и полевые МОП-транзисторы. JFET и MOSFET очень похожи, но MOSFET имеют даже более высокие значения входного импеданса, чем JFET. Это вызывает еще меньшую нагрузку в цепи.Полевые транзисторы делятся на два типа, а именно JFET и MOSFET.

JFET

JFET расшифровывается как Junction-Field-Effect Transistor. Это простой, а также первый тип полевых транзисторов, которые используются как резисторы, усилители, переключатели и т. Д. Это устройство, управляемое напряжением, и оно не использует никакого тока смещения. Как только напряжение приложено между выводами затвора и истока, оно управляет током между истоком и стоком транзистора JFET.

Переходный полевой транзистор (JUGFET или JFET) не имеет PN-переходов, но вместо него имеет узкую часть из полупроводникового материала с высоким удельным сопротивлением, образующую «канал» кремния N-типа или P-типа для основных носителей заряда. протекает через два омических электрических соединения на обоих концах, обычно называемых стоком и источником соответственно.

Соединительные полевые транзисторы

Существуют две основные конфигурации соединительных полевых транзисторов: N-канальный JFET и P-канальный JFET.Канал N-канального JFET легирован донорными примесями, что означает, что ток через канал отрицательный (отсюда и термин N-канал) в форме электронов. Эти транзисторы доступны как в P-канальном, так и в N-канальном исполнении.

MOSFET

MOSFET или полевой транзистор металл-оксид-полупроводник наиболее часто используется среди всех видов транзисторов. Как следует из названия, он включает в себя вывод металлических ворот. Этот транзистор включает в себя четыре вывода, таких как исток, сток, затвор и подложка или корпус.

MOSFET

По сравнению с BJT и JFET, полевые МОП-транзисторы имеют ряд преимуществ, так как они обеспечивают высокий импеданс i / p, а также низкий импеданс o / p. МОП-транзисторы в основном используются в схемах малой мощности, особенно при разработке микросхем. Эти транзисторы доступны в двух типах, таких как истощение и улучшение. Кроме того, эти типы подразделяются на типы P-канала и N-канала.

Основные характеристики FET включают следующее.

• Он униполярен, потому что носители заряда, такие как электроны или дырки, ответственны за передачу.
• В полевом транзисторе входной ток будет протекать из-за обратного смещения. Следовательно, входной импеданс этого транзистора высокий.
• Когда напряжение o / p полевого транзистора регулируется через входное напряжение затвора, тогда этот транзистор называется устройством, управляемым напряжением.
• В проводящей полосе переходов нет. Таким образом, полевые транзисторы имеют меньше шума по сравнению с BJT.
• Определение коэффициента усиления может быть выполнено с помощью крутизны, потому что это отношение тока изменения o / p к изменению входного напряжения.
• Сопротивление o / p полевого транзистора низкое.

Преимущества полевого транзистора

Преимущества полевого транзистора по сравнению с BJT заключаются в следующем.

• FET — это униполярное устройство, тогда как BJT — биполярное устройство
• FET — это устройство, управляемое напряжением, тогда как BJT — это устройство, управляемое током
• I / p-импеданс полевого транзистора высокое, тогда как BJT имеет низкое
• Уровень шума полевого транзистора низкий по сравнению с BJT.
• У полевого транзистора термическая стабильность высока, а у полевого транзистора — низкая.
• Характеристика усиления полевого транзистора может быть выполнена через крутизну, тогда как в BJT с усилением по напряжению

Применение полевого транзистора

Применение полевого транзистора включает следующее.

• Эти транзисторы используются в различных схемах для уменьшения эффекта нагрузки.
• Они используются в нескольких схемах, например, в генераторах фазового сдвига, вольтметрах и буферных усилителях.

Клеммы полевого транзистора

Полевой транзистор имеет три клеммы, такие как исток, затвор и сток, которые не похожи на клеммы BJT. В FET терминал источника аналогичен терминалу эмиттера BJT, тогда как терминал затвора аналогичен терминалу основания, а терминал стока — терминалу коллектора.

Терминал источника

• В FET терминал источника — это тот, через который носители заряда входят в канал.
• Это похоже на вывод эмиттера BJT
• Терминал истока может быть обозначен буквой «S».
• Поток тока через канал на выводе источника можно указать как IS.
  Терминал затвора
• В полевом транзисторе терминал затвора играет важную роль в управлении потоком тока по каналу.
• Поток тока можно контролировать через клемму затвора, подав на нее внешнее напряжение.
• Вывод затвора представляет собой смесь двух выводов, которые соединены внутри и сильно легированы. Проводимость канала можно модулировать через терминал Gate.
• Это похоже на базовый терминал BJT
• Терминал затвора может быть обозначен буквой «G».
• Поток тока через канал на терминале ворот можно указать как IG.

Дренажный терминал

• В полевом транзисторе дренажный терминал — это тот терминал, через который носители покидают канал.
• Это аналог клеммы коллектора в биполярном переходном транзисторе.
• Напряжение стока в источник обозначено как VDS.
• Дренажный терминал может быть обозначен как D.
• Поток тока, движущийся от канала на дренажном терминале, можно указать как ID.

Различные типы транзисторов

Существуют различные типы транзисторов в зависимости от их функции, такие как малосигнальный, малый коммутационный, силовой, высокочастотный, фототранзистор, UJT. Некоторые виды транзисторов в основном используются для усиления или переключения.

Типы транзисторов с малым сигналом

Транзисторы с малым сигналом используются в основном для усиления сигналов низкого уровня, но могут также хорошо работать в качестве переключателей. Эти транзисторы доступны через значение hFE, которое указывает, как транзистор усиливает входные сигналы. Диапазон типичных значений hFE составляет от 10 до 500, включая самые высокие номинальные значения тока коллектора (Ic) от 80 мА до 600 мА.

Эти транзисторы доступны в двух формах, например, PNP и NPN. Наибольшие рабочие частоты этого транзистора имеют от 1 до 300 МГц. Эти транзисторы используются при усилении слабых сигналов, таких как несколько вольт, и просто, когда используется ток миллиампер. Силовой транзистор применим, когда используется большое напряжение, а также ток.

Типы транзисторов с малой коммутацией

Транзисторы с малой коммутацией используются как переключатели, а также как усилители. Типичные значения hFE для этих транзисторов находятся в диапазоне от 10 до 200, включая наименьший номинальный ток коллектора, который находится в диапазоне от 10 мА до 1000 мА.Эти транзисторы доступны в двух формах, таких как PNP и NPN

. Эти транзисторы не способны к усилению слабого сигнала транзисторов, которое может включать до 500 усилений. Так что это сделает транзисторы более удобными для переключения, хотя они могут использоваться в качестве усилителей для обеспечения усиления. Если вам потребуется дополнительное усиление, эти транзисторы будут лучше работать как усилители.

Силовые транзисторы

Эти транзисторы применимы там, где используется большая мощность.Вывод коллектора этого транзистора соединен с металлическим выводом базы, поэтому он работает как теплоотвод для отвода избыточной энергии. Диапазон типичных номинальных мощностей в основном колеблется от примерно 10 Вт до 300 Вт, включая номинальные частоты от 1 МГц до 100 МГц.

Силовой транзистор

Значения максимального тока коллектора будут находиться в диапазоне от 1 до 100 А. Силовые транзисторы доступны в формах PNP и NPN, тогда как транзисторы Дарлингтона доступны в формах PNP или NPN.

Высокочастотные типы транзисторов

Высокочастотные транзисторы используются особенно для небольших сигналов, которые работают на высоких частотах и ​​используются в приложениях для высокоскоростной коммутации. Эти транзисторы применимы в высокочастотных сигналах и должны иметь возможность включения / выключения на чрезвычайно высоких скоростях.

Применение высокочастотных транзисторов в основном включает усилители HF, UHF, VHF, MATV и CATV, а также генераторы. Диапазон максимальной номинальной частоты составляет около 2000 МГц, а максимальный ток коллектора находится в диапазоне от 10 мА до 600 мА.Их можно получить в формах PNP и NPN.

Фототранзистор

Эти транзисторы светочувствительны, и общий тип этого транзистора выглядит как биполярный транзистор, в котором вывод базы этого транзистора удален, а также заменен через светочувствительную область. Это причина того, что фототранзистор включает в себя просто две клеммы вместо трех. Когда внешняя область остается в тени, устройство будет выключено.

Фототранзистор

Как правило, ток от областей коллектора к эмиттеру не протекает.Но всякий раз, когда светочувствительная область подвергается воздействию дневного света, может быть произведено небольшое количество базового тока для управления гораздо большим током коллектора к эмиттеру.

Подобно обычным транзисторам, это могут быть как полевые транзисторы, так и BJT. Полевые транзисторы — это светочувствительные транзисторы, в отличие от фотобиполярных транзисторов, фотобиполярные транзисторы используют свет для создания напряжения затвора, которое в основном используется для управления током сток-исток. Они очень чувствительны к изменениям света, а также более чувствительны по сравнению с биполярными фототранзисторами.

Типы однопереходных транзисторов

Однопереходные транзисторы (UJT) включают в себя три вывода, которые работают полностью как электрические переключатели, поэтому их не используют как усилители. Как правило, транзисторы работают как коммутатор, а также как усилитель. Однако UJT не дает никакого усиления из-за своей конструкции. Таким образом, он не предназначен для обеспечения достаточного напряжения, иначе тока.

Выводы этих транзисторов: B1, B2 и вывод эмиттера. Работа этого транзистора проста.Когда напряжение существует между его эмиттерным или базовым выводом, будет небольшой ток от B2 к B1.

Однопереходный транзистор

Управляющие провода в других типах транзисторов будут обеспечивать небольшой дополнительный ток, тогда как в UJT все наоборот. Основным источником транзистора является его эмиттерный ток. Прохождение тока от B2 к B1 — это просто небольшая часть всего комбинированного тока, что означает, что UJT не подходят для усиления, но они подходят для переключения.

Биполярный транзистор с гетеропереходом (HBT)

Биполярные транзисторы с гетеропереходом AlgaAs / GaAs (HBT) используются для цифровых и аналоговых микроволновых приложений с частотами вплоть до Ku-диапазона. HBT могут обеспечивать более высокую скорость переключения, чем кремниевые биполярные транзисторы, в основном из-за пониженного сопротивления базы и емкости между коллектором и подложкой. Обработка HBT требует менее сложной литографии, чем полевые транзисторы GaAs, поэтому производство HBT бесценно и может обеспечить лучший литографический выход.

Эта технология также может обеспечить более высокое напряжение пробоя и более простое согласование широкополосного импеданса, чем полевые транзисторы на основе GaAs. При оценке Si-транзисторов с биполярным переходом (BJT), HBT демонстрируют лучшее представление с точки зрения эффективности инжекции эмиттера, сопротивления базы, емкости база-эмиттер и частоты среза. Они также обладают хорошей линейностью, низким фазовым шумом и высоким КПД. HBT используются как в прибыльных, так и в высоконадежных приложениях, таких как усилители мощности в мобильных телефонах и лазерные драйверы.

Транзистор Дарлингтона

Транзистор Дарлингтона, который иногда называют «парой Дарлингтона», представляет собой схему транзистора, состоящую из двух транзисторов. Его изобрел Сидни Дарлингтон. Он похож на транзистор, но имеет гораздо более высокую способность к увеличению тока. Схема может состоять из двух дискретных транзисторов или находиться внутри интегральной схемы.

Параметр hfe для транзистора Дарлингтона — это взаимное умножение hfe каждого транзистора. Схема полезна в усилителях звука или в датчике, который измеряет очень небольшой ток, который проходит через воду.Он настолько чувствителен, что может улавливать ток через кожу. Если вы подключите его к куску металла, вы можете построить сенсорную кнопку.

Транзистор Дарлингтона

Транзистор Шоттки

Транзистор Шоттки представляет собой комбинацию транзистора и диода Шоттки, которая предотвращает насыщение транзистора за счет отклонения крайнего входного тока. Его также называют транзистором с зажимом Шоттки.

Транзистор с несколькими эмиттерами

Транзистор с несколькими эмиттерами — это специализированный биполярный транзистор, часто используемый в качестве входов логических вентилей NAND транзисторной логики (TTL). Входные сигналы подаются на излучатели. Ток коллектора перестает течь просто, если все эмиттеры управляются логическим высоким напряжением, таким образом выполняя логический процесс NAND с использованием одного транзистора. Транзисторы с несколькими эмиттерами заменяют диоды DTL и позволяют сократить время переключения и рассеиваемую мощность.

МОП-транзистор с двойным затвором

Одной из разновидностей МОП-транзистора, который особенно популярен в нескольких ВЧ-приложениях, является МОП-транзистор с двумя затворами. MOSFET с двойным затвором используется во многих ВЧ и других приложениях, где требуются два управляющих затвора последовательно.МОП-транзистор с двумя затворами по сути является формой МОП-транзистора, в котором два затвора расположены по длине канала один за другим.

Таким образом, оба затвора влияют на уровень тока, протекающего между истоком и стоком. Фактически, двухзатворный полевой МОП-транзистор можно рассматривать как работу двух последовательно соединенных полевых МОП-транзисторов. Оба затвора влияют на общую работу MOSFET и, следовательно, на выходной сигнал. МОП-транзистор с двойным затвором может использоваться во многих приложениях, включая ВЧ-смесители / умножители, ВЧ-усилители, усилители с регулировкой усиления и т.п.

Лавинный транзистор

Лавинный транзистор — это транзистор с биполярным переходом, предназначенный для обработки в области характеристик напряжения коллектор-ток / коллектор-эмиттер за пределами напряжения пробоя коллектор-эмиттер, называемой областью лавинного пробоя. Эта область характеризуется лавинным пробоем, подобным разряду Таунсенда для газов, и отрицательным дифференциальным сопротивлением. Работа в области лавинного пробоя называется работой в лавинном режиме: она дает лавинным транзисторам возможность переключать очень высокие токи с временем нарастания и спада менее наносекунд (время перехода).

Транзисторы, специально не предназначенные для этой цели, могут иметь достаточно стабильные лавинные свойства; например, 82% образцов высокоскоростного переключателя 2N2369 на 15 В, изготовленных за 12-летний период, были способны генерировать импульсы лавинного пробоя с временем нарастания 350 пс или меньше, используя источник питания 90 В, как пишет Джим Уильямс. .

Диффузионный транзистор

Диффузионный транзистор — это биполярный переходной транзистор (BJT), образованный диффузией присадок в полупроводниковую подложку.Процесс диффузии был реализован позже, чем процессы соединения сплава и выращивания соединения для изготовления BJT. Bell Labs разработала первый прототип диффузионных транзисторов в 1954 году. Первоначальные диффузионные транзисторы были транзисторами с диффузной базой.

У этих транзисторов все еще были эмиттеры из сплава, а иногда и коллекторы из сплава, как в более ранних транзисторах с переходом из сплава. В подложку распылялась только основа. Иногда коллектор производился из подложки, но в транзисторах, таких как диффузионные транзисторы из микролегированного сплава Philco, подложка составляла основную часть базы.

Применение типов транзисторов

Соответствующее применение силовых полупроводников требует понимания их максимальных номинальных и электрических характеристик, информации, которая представлена ​​в техническом описании устройства. В надлежащей практике проектирования используются пределы из таблицы данных, а не информация, полученная из небольших партий образцов. Рейтинг — это максимальное или минимальное значение, ограничивающее возможности устройства. Действия с превышением номинального значения могут привести к необратимой деградации или отказу устройства.Максимальные рейтинги означают экстремальные возможности устройства. Их нельзя использовать в качестве конструктивных обстоятельств.

Характеристика — это мера производительности устройства в отдельных условиях эксплуатации, выраженная минимальными, характеристическими и / или максимальными значениями или отображаемая графически.

Таким образом, это все о том, что такое транзистор, а также о различных типах транзисторов и их применениях. Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию или реализуете проекты в области электротехники и электроники, пожалуйста, дайте свои ценные предложения, комментируя в разделе комментариев ниже.Вот вам вопрос, какова основная функция транзистора?

Введение в транзисторы — типы, режимы объединения и преимущества

Введение в транзисторы:

Раньше критическим и важным компонентом электронного устройства была электронная лампа; это электронная трубка, используемая для контроля электрического тока. Вакуумные лампы работали, но они громоздкие, требуют более высоких рабочих напряжений, высокого энергопотребления, дают более низкий КПД, а катодные материалы, излучающие электроны, расходуются в процессе работы.Итак, это привело к нагреву, который сократил срок службы самой трубки. Чтобы преодолеть эти проблемы, Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли изобрели транзистор в Bell Labs в 1947 году. Это новое устройство было гораздо более элегантным решением, позволяющим преодолеть многие из фундаментальных ограничений электронных ламп.

Транзистор — это полупроводниковый прибор, который может как проводить, так и изолировать. Транзистор может действовать как переключатель и усилитель. Он преобразует звуковые волны в электронные волны и резисторы, управляя электронным током.Транзисторы имеют очень долгий срок службы, меньше по размеру, могут работать от источников более низкого напряжения для большей безопасности и не требуют тока накала. Первый транзистор был изготовлен из германия. Транзистор выполняет ту же функцию, что и триод для вакуумной лампы, но с использованием полупроводниковых переходов вместо нагретых электродов в вакуумной камере. Это фундаментальный строительный блок современных электронных устройств, который можно найти повсюду в современных электронных системах.

Основы транзисторов:

Транзистор — это трехконтактное устройство.А именно

• База: отвечает за активацию транзистора.
• Коллектор: это положительный вывод.
• Излучатель: это отрицательный провод.

Основная идея транзистора состоит в том, что он позволяет вам управлять потоком тока через один канал, изменяя интенсивность гораздо меньшего тока, протекающего через второй канал.

Типы транзисторов:

Есть два типа транзисторов; это биполярные переходные транзисторы (BJT), полевые транзисторы (FET).Между базой и эмиттером протекает небольшой ток; клемма базы может управлять большим током между клеммами коллектора и эмиттера. Для полевого транзистора он также имеет три вывода: затвор, исток и сток, а напряжение на затворе может управлять током между истоком и стоком. Простые схемы BJT и FET показаны на рисунке ниже:

Биполярный транзистор (BJT) Полевые транзисторы (FET)

Как вы можете видеть, транзисторы бывают разных размеров и форм.Все эти транзисторы объединяет то, что у каждого из них по три вывода.

• Биполярный переходной транзистор:

Биполярный переходный транзистор (BJT) имеет три клеммы, подключенные к трем легированным полупроводниковым областям. Поставляется двух типов: P-N-P и N-P-N.

Транзистор P-N-P, состоящий из слоя полупроводника с примесью азота, расположенного между двумя слоями материала с примесью фосфора. Ток базы, поступающий на коллектор, усиливается на его выходе.

То есть, когда транзистор PNP включен, когда его база опущена относительно эмиттера. Стрелки на транзисторе PNP обозначают направление тока, когда устройство находится в активном режиме пересылки.

Транзистор N-P-N, состоящий из слоя полупроводника с примесью фосфора между двумя слоями материала с примесью азота. Усиливая ток базы, мы получаем высокий ток коллектора и эмиттера.

То есть, когда транзистор NPN включен, когда его база понижена относительно эмиттера.Когда транзистор находится в состоянии ВКЛ, ток проходит между коллектором и эмиттером транзистора. На основе неосновных носителей в области P-типа электроны движутся от эмиттера к коллектору. Это позволяет больший ток и более быструю работу; по этой причине большинство используемых сегодня биполярных транзисторов являются NPN.

• Полевой транзистор (FET):

Полевой транзистор представляет собой униполярный транзистор, для проводимости используются полевые транзисторы с N-каналом или P-каналом.Три вывода полевого транзистора — это исток, затвор и сток. Основные n-канальные и p-канальные полевые транзисторы показаны выше. Для n-канального полевого транзистора устройство выполнено из материала n-типа. Между истоком и стоком материал этого типа действует как резистор.

Этот транзистор контролирует положительные и отрицательные носители дырок или электронов. Канал полевого транзистора формируется перемещением положительных и отрицательных носителей заряда. Канал полевого транзистора из кремния.

Существует много типов полевых транзисторов, полевых МОП-транзисторов, полевых транзисторов и т. Д.Применения полевых транзисторов — малошумящий усилитель, буферный усилитель и аналоговый переключатель.

Смещение биполярного переходного транзистора

Транзисторы являются наиболее важными полупроводниковыми активными устройствами, необходимыми почти для всех схем. Они используются как электронные переключатели, усилители и т. Д. В схемах. Транзисторы могут быть NPN, PNP, FET, JFET и т. Д., Которые имеют разные функции в электронных схемах. Для правильной работы схемы необходимо смещать транзистор с помощью резисторных цепей.Рабочая точка — это точка на выходных характеристиках, которая показывает напряжение коллектор-эмиттер и ток коллектора при отсутствии входного сигнала. Рабочая точка также известна как точка смещения или точка Q (точка покоя).

Под смещением подразумеваются резисторы, конденсаторы, напряжение питания и т. Д. Для обеспечения надлежащих рабочих характеристик транзисторов. Смещение постоянного тока используется для получения постоянного тока коллектора при определенном напряжении коллектора. Значение этого напряжения и тока выражается через точку Q.В конфигурации транзисторного усилителя IC (max) — это максимальный ток, который может протекать через транзистор, а VCE (max) — это максимальное напряжение, приложенное к устройству. Чтобы транзистор работал в качестве усилителя, к коллектору необходимо подключить нагрузочный резистор RC. Смещение устанавливает рабочее напряжение и ток постоянного тока на правильный уровень, так что входной сигнал переменного тока может быть должным образом усилен транзистором. Правильная точка смещения находится где-то между полностью включенным или полностью выключенным состояниями транзистора.Эта центральная точка является точкой Q, и если транзистор правильно смещен, точка Q будет центральной рабочей точкой транзистора. Это помогает выходному току увеличиваться и уменьшаться по мере того, как входной сигнал проходит через полный цикл.

Для установки правильной точки Q транзистора используется резистор коллектора, чтобы установить ток коллектора на постоянное и устойчивое значение без какого-либо сигнала в его базе. Эта стабильная рабочая точка постоянного тока устанавливается значением напряжения питания и сопротивлением смещения базы.Резисторы смещения базы используются во всех трех конфигурациях транзисторов, таких как общая база, общий коллектор и общий эмиттер.

Режимы смещения:

Ниже приведены различные режимы смещения базы транзистора:

1. Смещение тока:

Как показано на рисунке 1, два резистора RC и RB используются для установки смещения базы. Эти резисторы устанавливают начальную рабочую область транзистора с фиксированным током смещения.

Транзистор смещается в прямом направлении с положительным напряжением смещения базы через RB.Прямое падение напряжения база-эмиттер составляет 0,7 В. Следовательно, ток через RB равен I _B = (V _cc — V _BE ) / I _B

2. Смещение обратной связи:

На рис. 2 показано смещение транзистора с помощью резистора обратной связи. . Смещение базы получается из напряжения коллектора. Коллекторная обратная связь обеспечивает постоянное смещение транзистора в активной области. Когда ток коллектора увеличивается, напряжение на коллекторе падает.Это уменьшает базовый привод, что, в свою очередь, снижает ток коллектора. Такая конфигурация обратной связи идеальна для транзисторных усилителей.

3. Смещение с двойной обратной связью:

На рис.3 показано, как смещение достигается с помощью резисторов с двойной обратной связью.

За счет использования двух резисторов RB1 и RB2 повышается стабильность в отношении вариаций бета за счет увеличения тока, протекающего через резисторы смещения базы. В этой конфигурации ток в RB1 равен 10% тока коллектора.

4. Смещение делителя напряжения:

На рисунке 4 показано смещение делителя напряжения, в котором два резистора RB1 и RB2 подключены к базе транзистора, образуя сеть делителя напряжения. Транзистор смещается из-за падения напряжения на RB2. Такая конфигурация смещения широко используется в схемах усилителей.

5. Двойное смещение базы:

На рис.5 показана двойная обратная связь для стабилизации. Он использует как эмиттерную, так и коллекторную обратную связь для улучшения стабилизации за счет управления током коллектора.Значения резистора следует выбирать так, чтобы падение напряжения на резисторе эмиттера составляло 10% от напряжения питания, а ток через RB1 — 10% от тока коллектора.

Преимущества транзистора:

1. Меньшая механическая чувствительность.
2. Более низкая стоимость и меньший размер, особенно в схемах слабого сигнала.
3. Низкое рабочее напряжение для большей безопасности, меньших затрат и меньших зазоров.
4. Чрезвычайно долгий срок службы.
5. Нет потребления энергии катодным нагревателем.
6. Быстрое переключение.

Он может поддерживать конструкцию схем дополнительной симметрии, что невозможно с электронными лампами. Если у вас есть какие-либо вопросы по этой теме или электрическим и электронным проектам, оставьте комментарии ниже.

Ваше полное руководство по их использованию в электронике

Здесь вы найдете полное руководство по транзисторам.

В этом руководстве по транзисторам я расскажу вам об основах транзисторов, различных типах, наиболее популярных частях и способах их использования в схемах.

Это часть нашей серии статей, посвященных диодам и транзисторам.

Что такое транзистор?

Давайте начнем с простого для понимания определения транзистора. Чтобы дать определение транзистору, мы хотим взглянуть на общую картину и на то, как она вписывается в электронику.

Мы можем определить это следующим образом:

транзистор = электронное устройство, которое может использоваться для переключения или усиления электрической энергии

# 1 Уроки: из транзисторов получаются отличные переключатели и усилители, и есть два основных типа из них:

Биполярные переходные транзисторы (BJT) — вы используете ток для управления

полевых транзисторов (FET) — вы используете напряжение для управления

Транзистор — это фундаментальный строительный блок современной электроники. Когда он был изобретен, он привел к электронной революции, которая открыла новую эру технологий.

Транзисторный радиоприемник был одним из первых, кто произвел революцию в этой технологии. Размер радиоприемника резко уменьшился, поскольку больше не было необходимости использовать электронные лампы

Без транзистора не было бы современной электроники.

Кто изобрел транзистор?

Вы можете спросить: а когда же был изобретен транзистор? В отношении изобретения транзистора есть три важные даты:

1927 — Юлиус Лилиенфельд запатентовал полевой транзистор, но не смог произвести его в то время из-за ограничений технологии.

1947 — Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели транзистор с точечным контактом в компании Bell Telephone Laboratories, Inc.

1956 — Нобелевская премия по физике присуждена Шокли, Бардину и Браттейну за транзистор.

Что делает транзистор?

Две основные функции транзистора — усилитель и переключатель, работают как с отдельными транзисторами, так и с их комбинациями.

Соединение нескольких транзисторов с другими электрическими компонентами, такими как резисторы и диоды, может даже создать логические вентили.

Далее мы рассмотрим каждый из них более подробно

Транзисторный усилитель

Каждый раз, когда вы хотите использовать немного чего-то, чтобы получить еще больше, это называется усилением.

В качестве аналогии рассмотрим механическое плечо. Когда вам нужно выполнить механическую работу над чем-то, если вы добавите рычаги воздействия, вы сможете усилить свою работу.

Физика транзисторов позволяет нам использовать напряжение или ток для управления передачей электрической энергии в транзисторе.

В результате мы можем использовать небольшое напряжение или ток для управления гораздо большим напряжением или током. Это то, что мы называем усилителем.

Мы рассмотрим это более подробно, когда рассмотрим различные типы транзисторов позже.

Транзисторный переключатель

Одна из лучших характеристик транзисторов, которые позволяют использовать современную цифровую электронику, заключается в том, что транзистор может действовать как переключатель.

Когда вы включаете выключатель света в своем доме, вы делаете небольшую механическую работу руками, которая позволяет электричеству течь через ваши лампочки.

Использование транзистора в качестве переключателя, подобного выключателю света, позволяет нам использовать напряжение или ток для его включения или выключения, что затем позволяет току течь через другую часть схемы.

Соединение множества разных переключателей вместе в различных комбинациях позволяет нам создавать всевозможные логические вентили, которые мы рассмотрим далее.

Транзисторный вентиль

Типичный логический вентиль в наши дни имеет несколько транзисторов, а также другие компоненты. создание логических вентилей в схемах претерпело долгую эволюцию по мере того, как производственные технологии становились все лучше и лучше.

Транзисторные логические вентили в наши дни обычно изготавливаются из полевых МОП-транзисторов, в частности, из КМОП. Мы рассмотрим их подробно позже.

Транзистор И затвор, например, может быть выполнен как минимум с двумя транзисторами. Чтобы увидеть, как другие вентили могут быть сделаны из транзисторов, ознакомьтесь с этим замечательным средством.

С годами развития транзисторы становятся все меньше и меньше. Например, в 1971 году транзисторы были 10 микрометров.

По состоянию на 2014 год они составляют 14 нанометров с ожидаемыми 10 нанометрами к 2017 году.Если посчитать, то всего за 46 лет размер уменьшится примерно на 1000 человек.

Имейте в виду, что это то, что можно производить. Есть группы исследований и разработок, которые достигли размера транзисторов в 1 нанометр. Это самый маленький из известных транзисторов на 2017 год.

Уменьшение размера транзистора позволяет размещать все больше и больше транзисторов в таких устройствах, как центральные процессоры (ЦП) в компьютерах.

Общая тенденция уменьшения размеров компонентов, приводящая к удвоению количества, которое вы можете разместить в устройстве, известна как закон Мура.Всегда интересно увидеть количество транзисторов в устройствах за разные годы.

Например, количество транзисторов современных процессоров Intel исчисляется миллиардами и продолжает расти. Популярный процессор i7 содержит около 1,75 миллиарда транзисторов.

Кроме того, способ оптимизации количества транзисторов, используемых в затворах, называется логикой проходных транзисторов.Технология всегда расширяет границы, позволяя получить больше при меньшем размере и меньшем количестве компонентов. Это приводит к тому, что в том же физическом пространстве помещается больше возможностей.

Символ транзистора

Так как же выглядит схема транзистора? Давайте выясним.

Чтобы упростить задачу, мы рассмотрим 6 различных типов транзисторов, с которыми вы чаще всего сталкиваетесь.

Символ транзистора NPN и символ транзистора PNP являются наиболее распространенными. Они являются частью биполярной семьи.

Также будет включать N-канальный JFET и P-канальный JFET, которые представляют собой полевые транзисторы с переходным затвором.

И наконец, что не менее важно, у нас есть полевые МОП-транзисторы с N-каналом и P-каналом, которые представляют собой металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы.

Примечание для NMOS и PMOS (MOSFET) на схеме: пунктирная линия в середине означает, что они находятся в расширенном режиме. Если бы они были прямыми линиями без тире, это были бы транзисторы с режимом истощения.

Мы рассмотрим каждый из этих типов транзисторов более подробно. Вот символы для каждого из них:

Обратите внимание, что направление стрелки на символах обычно указывает на n-тип по сравнению с p-типом.

Распиновка транзистора

Как видно из символьной диаграммы, у нас есть несколько разных выводов для каждого типа транзистора.

Для биполярного транзистора три основных контакта — это база (B), коллектор (C) и эмиттер (E).

В то время как для полевых транзисторов (JFET и MOSFET), контакты являются нашими Source (S), Gate (G) и Drain (D).

Мы рассмотрим, что эти контакты делают в следующем разделе.

Как работает транзистор?

Мы рассмотрели, что такое транзисторы, для чего они нужны, и какие символы мы используем для них в схемах. Теперь давайте посмотрим, как работает транзистор более подробно

Мы рассмотрим некоторые основы работы с транзисторами, а затем покажем вам режимы работы каждого типа.

Вся цель транзистора состоит в том, чтобы позволить вам использовать немного электроэнергии для управления гораздо большим количеством электроэнергии.

Мы можем сделать это либо в двоичном режиме (включен или выключен), как в переключателе, либо мы можем использовать полный диапазон работы транзистора и создать усилитель.

С учетом сказанного, есть два основных транзистора типы, которые работают по-разному. Мы собираемся поддерживать теорию на высоком уровне, чтобы вы могли использовать ее на практике в электронике.

Если вас интересует вся физика, лежащая в основе этого, существуют целые области изучения полупроводников и множество книг, которые вы можете изучить. Помните, что люди делают карьеру из этого материала.

Биполярный переходной транзистор

Первый тип называется биполярным переходным транзистором (BJT). BJT-транзистор использует как электронные, так и дырочные носители, как и диоды.

Дырки и носители создаются полупроводниковыми материалами, известными как P-тип (дырки) и N-тип (электроны).

Материалы как N-типа, так и P-типа ведут себя определенным образом, и, если их сложить вместе, можно получить еще более интересные эффекты.

Типичный диод обычно представляет собой материал N-типа и P-типа вместе. В то время как BJT — это их три вместе.Транзисторы бывают как типа NPN, так и PNP.

Например, NPN — это именно то, как оно названо, где есть сэндвич из материала N-типа, P-типа и N-типа вместе взятых.

В свое время германиевые транзисторы были обычным способом изготовления биполярных транзисторов.Однако сейчас кремниевые транзисторы стали нормой.

Несколько ключевых моментов, связанных с BJT, — это то, что hfe (иногда называемый бета) — это быстрый индикатор способности транзистора к усилению, также известный как усиление постоянного тока.

Кроме того, насыщение транзистора просто означает, что больше тока через базу не даст больше тока через коллектор и эмиттер.

Теперь давайте посмотрим на транзисторы NPN и PNP, чтобы лучше понять, как они работают.

Транзистор NPN

NPN — это именно то, как его называют, где есть сэндвич из материалов N-типа, P-типа и N-типа, соединенных вместе.Пример конструкции можно увидеть ниже.

Конструкция этого устройства устроена так, что ток обычно не течет между двумя материалами N-типа, потому что материал P-типа разделяет их.

Что интересно, так это то, что когда мы манипулируем материалом P-типа с помощью тока, мы можем создать мост между двумя материалами N-типа, который позволяет току течь между ними.

Например, для типичного одиночного NPN , если мы подадим на базу около 0,7 Вольт, то ток будет течь через базу к эмиттеру.

Это, в свою очередь, позволит току легче проходить через материал P-типа. Это позволяет току течь от коллектора к эмиттеру в качестве конечного результата. Это разрешает манипуляции с материалами.

Основы, которые вам необходимо знать здесь на высоком уровне, следующие:

Для BJT NPN, когда ток течет от базы к эмиттеру, он включает транзистор и позволяет гораздо больше. ток течет от коллектора к эмиттеру.

Вот почему мы часто называем BJT устройствами с контролем тока.

NPN Operation

Теперь давайте рассмотрим несколько общих способов работы с NPN. Мы знаем, что контакты — это база (B), коллектор (C) и эмиттер (E).

• Отсечка («выкл.»): Эмиттер> База <Коллектор
• Насыщенность («Вкл.»): Эмиттер <База> Коллектор
• Активный вперед («пропорциональный»): Излучатель <База <Коллектор
• Обратно Активный («отрицательный пропорциональный»): Emitter> Base> Collector

Для этих различных режимов переключатель будет использовать режимы отсечки и насыщения.

Усилитель будет использовать прямой активный режим, в котором ток от коллектора к эмиттеру пропорционален току от базы к эмиттеру.

Обратный активный режим — это когда ток течет от эмиттера к коллектору, что является обратным нормальному активному режиму. Этот режим используется нечасто.

Ключевым моментом здесь является то, что напряжение между базой и эмиттером (Vbe), обычно около 0,7 В, является одним из основных ингредиентов для включения NPN.

Конечно, поведение NPN намного сложнее, но это это общий вынос.

Транзистор PNP

Аналогичным образом, PNP имеют порядок материалов P-типа, N-типа и P-типа, как показано ниже.

PNP похожи на NPN, но направление тока другое.

Основная идея этого устройства заключается в том, что два материала P-типа разделены между собой N-типом, что означает, что ток не будет нормально течь между двумя материалами P-типа.

Однако, когда мы добавляем ток в смесь, мы можем управлять материалом N-типа, чтобы он действовал как мост между материалами P-типа, позволяя току течь.

Вот наш главный вывод:

Для BJT PNP, когда ток течет от эмиттера к базе, гораздо больше тока может течь от эмиттера к коллектору.

Работа PNP

Далее мы рассмотрим различные способы работы PNP. Мы помним, что контакты — это база (B), коллектор (C) и эмиттер (E).

• Отсечка («выкл.»): Эмиттер <База> Коллектор
• Насыщенность («Вкл.»): Излучатель> База <Коллектор
• Активный вперед («пропорциональный»): Излучатель> База> Коллектор
• Обратно Активный («отрицательный пропорциональный»): Эмиттер <База <Коллектор

PNP аналогичен NPN, но токи меняются местами.Использование NPN гораздо более распространено, но иногда вы можете встретить PNP.

Часто NPN и PNP используются вместе, чтобы получить более сложное поведение схемы. Хорошим примером является схема двухтактного усилителя.

Опять же, PNP немного сложнее, но для большинства схем это все, что вам нужно знать

Полевой транзистор

Что может быть круче, чем манипулирование материалом с помощью тока? Вместо этого манипулируем напряжением! Именно это мы и делаем с полевыми транзисторами (FET).

Полевые транзисторы

позволяют нам использовать электрическое поле для управления электропроводностью канала в них, который управляет переключателем.

Давайте более подробно рассмотрим два основных типа полевых транзисторов.

JFET-транзистор

Переходный полевой транзистор (JFET) — очень простое устройство.

Основная идея состоит в том, что JFET обычно проводит ток между Источником и Стоком, если на затвор не подается напряжение.

Это означает, что JFET обычно включен, пока напряжение на затворе не отключит его.

Напряжение создает электрическое поле, которое «зажимает» канал, по которому течет ток. Точно так же, как если бы вы зажали садовый шланг, чтобы вода не протекала через него.

Здесь есть два аромата, где для канала можно использовать материал N-типа или P-типа. Тип материала будет определять, какое напряжение необходимо приложить к затвору.

N-канальный JFET

Типичная конструкция n-канального JFET представлена ​​ниже.

Основные сведения о N-канальном JFET:

• Напряжение между источником и стоком вызывает протекание тока. Повышение напряжения увеличивает ток до определенного момента. В режиме насыщения ток остается неизменным при увеличении напряжения от стока до источника, Vds.
• Подача напряжения на затвор и источник ограничит общий ток от источника до стока в зависимости от величины напряжения. Как только напряжение затвора к источнику достигает напряжения отсечки, ток не течет от источника к стоку.Это отключает устройство.
  

Чтобы разобраться в этом, посмотрите эту потрясающую визуализацию.

P-Channel JFET

Напротив, типичная конструкция JFET с p-каналом показана ниже.

P-канальный JFET работает очень похоже на N-канальный JFET, за исключением того, что токи и напряжения меняются местами.

МОП-транзистор

Гораздо более популярной формой полевого транзистора является металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (МОП-транзистор).Иногда люди для краткости называют их МОП-транзисторами.

Как мы увидим, часть имени MOS происходит от структуры транзистора, что упрощает запоминание его общей функции.

MOSFET обычно выключен до тех пор, пока напряжение на затворе не включит транзистор и позволяет току течь между источником и стоком.

Они обычно используются в цифровой электронике и процессорах.

Существует две формы полевого МОП-транзистора. Это N-канал (NMOS) и P-канал (PMOS).Давайте теперь подробно рассмотрим различия.

NMOS-транзистор

Для NMOS у нас есть простая структура, в которой исток и сток представляют собой материал N-типа, и они разделены материалом P-типа. Поверх разделения находится оксидный слой, а поверх него — металлический слой, который является воротами.

Вы можете увидеть эту структуру ниже.

По сути, всякий раз, когда на Воротах Источника присутствует напряжение (Vgs), создаваемое электрическое поле воздействует на материал P-типа, образуя канал между двумя другими материалами N-типа, которые являются Источником и Стоком.

Это напряжение создает канал и позволяет току течь по нему между Источником и Стоком.

Далее давайте более подробно рассмотрим различные режимы работы для режима расширения NMOS.

Основными переменными являются Vgs (напряжение от затвора до источника), Vth (пороговое напряжение Vgs), Vds (напряжение от стока до источника) и Vds-sat (напряжение насыщения Vds).

• Отсечка: Vgs
• Омический: Vgs> Vth и Vds
• Насыщение : Vgs> Vth и Vds> Vds-sat, канал полностью сформирован, увеличение Vds не вызывает увеличения тока

Здесь можно найти отличную визуализацию для этих режимов.В таблице данных для вашей части NMOS должно быть несколько графиков, отображающих ток стока (Id) в зависимости от Vds, с линиями, представляющими разные Vgs.

Отличным примером сильноточного NMOS является IRLML6344TRPBF.

Если вы откроете таблицу данных для этой части, вы увидите, что для этого требуется, чтобы напряжение Vgs было выше 1,1 вольт (Vth). Кривая показывает нам, что для разных уровней Vgs выше этого порогового напряжения мы получаем разные кривые тока стока.

В большинстве случаев напряжение Vds-sat составляет около 1 В, и именно здесь кривые переходят в плоскую линию.

Для CMOS, когда напряжение на затворе высокое, транзистор включен, а когда на затворе низкое напряжение, транзистор выключен.

Транзистор PMOS

Для PMOS он очень похож на NMOS, за исключением того, что материалы N-типа и P-типа поменяны местами. Вы можете увидеть структуру ниже.

PMOS работает очень похоже на NMOS, за исключением того, что некоторые вещи работают наоборот. Давайте посмотрим на разные режимы.

Основными переменными являются Vgs (напряжение от затвора до источника), Vth (пороговое напряжение Vgs), Vds (напряжение от стока до источника) и Vds-sat (напряжение насыщения Vds).

• Отсечка: Vgs> -Vth, ток не течет от источника к стоку
• Омический: Vgs <-Vth и -Vds> -Vds-sat, канал формируется на основе Vgs, -Vds более отрицательное значение вызывает больший ток линейно
• Насыщенность: Vgs <-Vth и -Vds <-Vds-sat, канал полностью сформирован, -Vds становится более отрицательным, не вызывает больше тока

Вот главный момент:

Для PMOS, когда напряжение на затворе высокое, транзистор выключен, а когда напряжение на затворе низкое, транзистор включен.

CMOS-транзистор

Что происходит, когда вы объединяете NMOS и PMOS в одной детали? Вы получаете очень удобный компонент.

Фактически, комплементарная МОП (CMOS) лежит в основе процессоров, SRAM и логических микросхем. Использование КМОП дает множество технических преимуществ, подробности см. Здесь

Упаковка транзисторов

Транзисторы поставляются в различных вариантах корпусов, включая сквозное отверстие, поверхностный монтаж и монтаж на шасси.

В большинстве конструкций электроники используется поверхностный монтаж.Однако любители часто используют варианты сквозных отверстий.

Для более высокого рассеивания мощности может потребоваться установка через отверстие или монтаж на шасси для отвода тепла от схемы

Распространенным корпусом для сквозных отверстий является TO-92, который имеет пластиковый корпус с тремя выводами. Популярным корпусом для поверхностного монтажа является SOT-23, который также имеет 3 контакта.

Самые популярные транзисторы

Транзистор Дарлингтона

Допустим, вам нужен усилитель или переключатель тока NPN, но найденные вами одиночные транзисторы просто не имеют достаточно высокого коэффициента усиления (hfe), чтобы вывести на вход слабого тока высокий выходной ток.

Мы знаем, что можем усилить ток одним транзистором, тогда почему мы не можем сделать это дважды, чтобы получить еще больше?

Ответ — мы можем.Многочисленные транзисторы вызывают несколько ступеней усиления, которые умножаются друг на друга, что дает нам гораздо больший общий коэффициент усиления.

Это так же просто, как соединить два коллектора NPN вместе и подключить эмиттер первого к основанию второго.

Символ Дарлингтона показан ниже, чтобы проиллюстрировать эту установку.

Оказывается, это очень мощный аппарат. Конечно, мы могли бы создать его с двумя дискретными транзисторами, но он сэкономит намного больше места, если будет выполнен на той же интегральной схеме.

Например, с FZT605TA мы могли бы использовать 1 миллиампер для управления первым транзистором, который усиливается для управления вторым транзистором и позволяет нам контролировать ток, протекающий от коллектора к эмиттеру, более 1 ампер.

Это усиление более чем в 1000 раз!

Силовой транзистор

Когда мы говорим силовой транзистор, мы обычно подразумеваем транзисторы, которые могут обрабатывать более 1 А на выходной стороне.Это означает, что для BJT, тока коллектора и эмиттера, а также для полевых транзисторов, ток источника и стока имеет максимальное значение более 1 Ампер.

Некоторые вещи, на которые следует обращать внимание при поиске такого транзистора, — это его внутреннее сопротивление и максимальное тепловыделение.

Кроме того, если вы имеете дело с большим количеством тепла, есть ли у него упаковка, позволяющая подключить его к радиатору?

Корпус TO220 — это знаменитый корпус со сквозными отверстиями, в котором есть хорошая металлическая посадочная площадка и отверстие для винта для установки различных радиаторов.

Серия транзисторов TIP — это популярный вариант BJT в этом классе деталей. Вот несколько отличных примеров:

Транзистор TIP31 — ток коллектора макс = 3 А, hfe = 10, максимальная мощность = 2 Вт, л чернил

Транзистор TIP120 — ток коллектора макс = 5 А, hfe = 1000, максимальная мощность = 2 Вт, ссылка

Если вам нужен силовой полевой транзистор, то популярным выбором будет IRLML6344TRPBF. Он имеет максимальный ток стока 5 А и максимальную мощность 1,3 Вт. FET — это NMOS расширенного режима.

Фототранзистор

Если вы хотите преобразовать фотоны в ток, наиболее распространенным способом является использование фотодиода. Однако иногда диод не производит большого тока из-за количества света, которому он подвергается.

Поскольку мы уже знаем, что из транзисторов получаются отличные усилители тока, почему бы не использовать транзистор, чтобы довести выходной ток до желаемого уровня?

Здесь явно два варианта.

1. Как разработчик схем, мы могли бы использовать фотодиод с транзистором, чтобы получить более высокий выходной ток с диода.Их часто называют схемами усилителя фототока.

2. Другой вариант заключается в том, что для специализированных случаев производители фактически делают отдельные детали (например, PT15-21B / TR8), в которых просто вырезано окно, чтобы подвергать транзистор фотонам, которые напрямую влияют на транзистор в детали. . Он также известен как оптический транзистор.

В зависимости от ситуации вы можете выбрать, какой из них использовать, исходя из ваших требований.

Есть некоторые фототранзисторы, работающие в диапазоне видимого света.Чаще они предназначены для инфракрасного диапазона спектра. Таким образом, они невидимы для человеческого глаза. Скорее всего, ваш ТВ-приемник для вашего пульта дистанционного управления использует один из них

Если вы можете найти решение, состоящее из одной детали, по приемлемой цене и для нужной длины волны света, тогда сделайте это. Если нет, вы всегда можете использовать фотодиод и транзистор вместе для усиления тока с фотодиода.

Оказывается, Sharp выпустила отличное приложение для этих типов схем, которое охватывает все различные варианты.Вы можете найти его здесь: SMA99017

Оптоизоляторы

Кроме того, оптоизоляторы (также известные как оптопары) — это части, которые работают за счет встроенных в корпус светодиода и фототранзистора.

См. Например, FOD817. Таким образом, вы получаете настоящую электрическую изоляцию, поскольку внутренние компоненты взаимодействуют только с помощью фотонов.

Photointerruptor

С механической стороны, если вам нужен способ обнаружить что-то в движении, которое может точно пройти через прорезь в материале , то фотопрерыватель — это изящное маленькое устройство.

Он работает так же, имея светодиод и фототранзистор, так что ваша схема может определять, когда свет между ними прерывается, а когда нет. GP1S094HCZ0F — отличный тому пример.

2n2222 Транзистор

На протяжении многих лет одним из самых популярных транзисторов для малых токов и малой мощности был транзистор 2n2222. Его также часто называют 2n2222a. Эта часть представляет собой BJT NPN.

Вот типичные характеристики 2n2222a:

• Максимальный ток коллектора = 0.8 А
• Максимальная мощность = 0,5 Вт
• Коэффициент усиления постоянного тока = 100
• Пробой между коллектором и эмиттером = 40 В

Деталь до сих пор очень популярна. Большинство людей выбирают вариант с пластиковой упаковкой, так как он намного экономичнее. Эта версия известна как Pn2222a, а примером является PN2222ABU.

2n3055 Транзистор

Если вам нужен сильноточный транзистор, то 2n3055 — отличный вариант. Это BJT NPN и поставляется в мощной упаковке TO-3.

Вот типичные характеристики 2 n30 55:

• Максимальный ток коллектора = 15 А
• Максимальная мощность = 115 Вт
• Коэффициент усиления постоянного тока = 20
• Пробой коллектора к эмиттеру = 60 Вольт

2n3904 Транзистор

Другой чрезвычайно популярный слаботочный транзистор — 2n3904. Это также BJT NPN.

Этот транзистор — один из лучших вариантов для усилителей тока цепи общего назначения, если он соответствует вашим требованиям.

Вот типичные характеристики транзистора 3904:

• Максимальный ток коллектора = 0,2 А
• Максимальная мощность = 0,625 Вт
• Коэффициент усиления постоянного тока = 100
• Пробой коллектора к эмиттеру = 40 В

Деталь предлагается в пластиковом корпусе TO-92, что делает ее очень экономичной для большинства применений, где требуются детали со сквозными отверстиями. Любители часто выбирают этот транзистор.

Транзистор 2n3906 является версией PNP, и здесь можно найти один из самых популярных транзисторов.

2n4401 Транзистор

Если вам нужен транзистор общего назначения, но требуется немного больше тока, чем у 2n3904, то 2n4401 — хороший выбор.

Вот типичные характеристики для 2n4401:

• Максимальный ток коллектора = 0,6 А
• Максимальная мощность = 0,625 Вт
• Усиление постоянного тока = 100
• Пробой между коллектором и эмиттером = 40 В

BC547 Транзистор

Еще один популярный слаботочный транзистор — BC547.Это также BJT NPN. Он известен своим сверхвысоким коэффициентом усиления по току.

Вот типичные характеристики BC547:

• Максимальный ток коллектора = 0,1 А
• Максимальная мощность = 0,5 Вт
• Усиление постоянного тока = 420
• Пробой коллектора к эмиттеру = 45 В

Использование транзисторов

Теперь, когда мы ознакомились с большей частью теории и различными частями, давайте рассмотрим некоторые полезные схемы транзисторов.

Прежде чем мы перейдем к некоторым учебным пособиям по транзисторам, давайте рассмотрим очень базовую концепцию, которую важно знать дальше.

Смещение транзистора

Проще говоря, смещение транзистора задает уровни напряжения и / или тока на оптимальном уровне, чтобы транзистор должным образом усиливал сигнал переменного тока по своему вкусу.

Очевидно, во многом это зависит от используемого транзистора, а также от окружающей цепи и напряжений.

Лучший совет — внимательно ознакомиться с таблицей данных транзистора, так как там можно найти все напряжения и токи для различных режимов.

В таблицах данных также обычно есть несколько отличных примеров схем, которые вы можете использовать в качестве справочника для своего проекта

Следующий совет — использовать программное обеспечение типа SPICE для моделирования вашей схемы. Удивительно, чему вы можете научиться, когда можете быстро преодолеть массовые отказы с молниеносной скоростью с помощью программного обеспечения для моделирования.

Следующее лучшее — это смонтировать схему и поиграть. Вы можете пойти на больший риск, если имеете дело с дешевыми запчастями на случай, если что-то взорвется.Однако, если вы имеете дело с дорогими деталями, которые трудно заменить, то сначала выполните описанные выше варианты.

Схема транзисторного усилителя

Если у вас есть слабый сигнал, который вам нужно усилить или даже управлять динамиком, тогда использование транзистора — вариант.

Суть заключается в том, что вы используете транзистор для тяжелой работы с током.

Есть несколько способов сделать это:

1. Emitter F ollower — один из наиболее распространенных, также известный как обычный коллектор, см. Пример
2. Common Emitter — см. Пример
3. Push Pull — см. Пример

Для простых усилителей лучше всего использовать транзистор.Если вам нужно более продвинутое усиление, вам действительно стоит подумать об использовании операционного усилителя. Таким образом вы сможете лучше контролировать полосу пропускания и уровень шума в цепи.

Если вы этого еще не знали, операционные усилители в основном состоят из транзисторов. В Spa rkfun есть отличная статья, в которой они познакомят вас с самыми основными схемами усиления, а в конечном итоге соберут все это вместе и покажут основы внутреннего устройства операционного усилителя.

Есть причина, по которой операционные усилители имеют много транзисторов. в них, чтобы контролировать все маленькие эффекты.Не бойтесь использовать операционный усилитель по назначению.

Операционный усилитель общего назначения будет стоить столько же, сколько один или два транзистора, так что зачем создавать сложную схему усилителя на транзисторах, если можно просто взять операционный усилитель и получить гораздо лучший результат.

Транзисторный переключатель NPN

Часто у нас есть процессор или микроконтроллер с цифровым выводом, который может подавать только около 10–20 мА (проверьте свое техническое описание). Следовательно, мы не можем напрямую управлять чем-либо с большим током.

Транзистор — отличный буфер, который мы можем использовать для усиления тока для управления вещами. Например, вентилятор, нагреватель или другое устройство со средним или большим током. BJT NPN — популярный выбор для таких ситуаций.

Пример конструкции

В следующей схеме транзистора NPN мы используем NPN для управления большим током вентилятора, позволяя нам управлять вентилятором с помощью слаботочного цифрового вывода.

В этом примере мы используем BJT как переключатель NPN, поскольку два рабочих состояния либо включены, либо выключены.

На схеме видно, что распиновка NPN-транзистора такова, что база подключена к управляющему сигналу с помощью резистора, коллектор подключен к нижнему концу вентилятора, а эмиттер подключен к земле.

Выбор транзистора

Итак, как выбрать подходящий транзистор для работы? В этом случае мы рассмотрим несколько ключевых характеристик, и нам нужно снизить номинальные характеристики, выбрав для нашего транзистора значения 2x-3x.

• Максимальный ток от коллектора к эмиттеру должен быть в 2–3 раза больше тока через вентилятор.Пример: если вентилятор потребляет 0,15 А, NPN должен иметь ток коллектора (Ic) max более 0,3 А.
• ВЧ должен быть достаточно высоким, чтобы по крайней мере быть током через вентилятор, деленным на ток с нашего цифрового вывода. Пример: если наш вентилятор потребляет 0,15 А, и мы можем подавать 0,01 А через цифровой вывод, тогда hfe должно быть больше 15 (0,15 / 0,01)
• Максимальное напряжение пробоя коллектора NPN-эмиттер (Vce) должно быть в 2 раза больше. -3x наше напряжение питания для нашего вентилятора. Пример: если у нас есть вентилятор на 12 В, то нам нужно максимальное напряжение 24 В или больше

Это основные вещи, на которые следует обращать внимание при выборе транзистора для этой схемы.Имейте в виду, что в разработку этой схемы было вложено гораздо больше, над чем кто-то давно работал.

Когда мы смотрим на доступные детали, мы обнаруживаем, что PN2222ABU отвечает всем нашим требованиям. Он имеет Ic = 1 ампер макс, Vce = 40 вольт макс и hfe = 50 мин при Ic = 0,15 ампер.

Чтобы получить дополнительную маржу, мы можем разделить hFE на 2, что станет 25. Это больше, чем наши требуемые 15, чего мы и хотим.

Значит, нам, вероятно, сойдет с рук 0.006 А базового тока для управления током коллектора 0,15 А (0,15 / 25). Мы планируем использовать базовый ток 0,01 А, что еще больше переведет нас в режим насыщения.

Что делать, если ваш вентилятор или нагрузка потребляют намного больше тока, чем в нашем примере? Возможно, вам понадобится более мощный NPN. TIP120 — это чудовище с минимальным значением hFE 1000 на многих токах коллектора. Это также не намного дороже, чем наш предыдущий выбор.

Выбор резистора

Для пытливых умов, чтобы выбрать правильное значение резистора R1, нам нужно заглянуть в лист данных транзистора и увидеть максимальное напряжение между базой и эмиттером, Vbe.Для этого транзистора его 1,2 Вольт.

Затем, какой бы логический уровень мы ни использовали, мы можем рассчитать резистор. Например:

3.3 Вольтовая логика — 0.6 В Vbe = 2.7 В

Теперь мы берем:

2.7 В / 0,01 А Базовый ток = 270 Ом для R1

Это ограничивает ток от нашего цифрового вывода до 0,01 А макс. 0,6 Vbe, а ток составляет 0,008 ампер мин при 1,2 Vbe. Мы должны быть в насыщении NPN для обоих из них.

Выбор диода

Диод присутствует из-за индуктивной нагрузки вентилятора.Диод не нужен, если нагрузка представляет собой нагреватель, светодиод или другую резистивную нагрузку.

Типичным диодом для D1 в этой ситуации является 1N4001. Он имеет прямой ток 1 А и максимальное обратное смещение 50 В.

Транзистор hFE

При выборе правильного транзистора hFE:

Большинство интернет-источников имеют практическое правило рассматривать каждый транзистор как имеющий значение 10. Это своего рода глупо, так как отчасти устраняется необходимость наличия большого количества различных транзисторов. Выбери из.

Какой нормальный путь выбрать для определения того, имеет ли транзистор достаточно высокое hfe и какой базовый ток требуется, — это посмотреть в таблице данных.

Вы хотите найти кривые насыщения, согласовать максимальный ток коллектора для вашей схемы и определить базовый ток, который переводит транзистор в режим полного насыщения. Кривая будет похожа на хоккейную клюшку.

Насыщение означает, что больший базовый ток не дает больше коллекторного тока на кривой.Пройдите немного дальше по кривой после того, как она выровнена ровно. Это золотая середина.

В некоторых технических паспортах этих кривых нет, поэтому вам придется полагаться на таблицу, которая сообщает вам hFE при определенных токах коллектора. Это типичный сценарий.

Попытайтесь сопоставить ток коллектора вашей схемы в таблице, а затем выберите минимальное значение hFE. На всякий случай, вы можете разделить hFE на 2, чтобы получить достаточный запас на ошибку.

Многие люди ошибаются здесь и получают ток коллектора из таблицы, который не соответствует их цепи, поэтому hfe, которое они используют, неправильное. .

Затем соберите и протестируйте свою схему, чтобы убедиться, что она работает правильно. Попробуйте поменять местами несколько транзисторов с одинаковым номером детали, чтобы убедиться, что все они работают.Схема должна работать, а транзистор не должен нагреваться.

Если ваша схема требует, чтобы вы подавали ток через транзистор (вместо потребляемого тока для NPN), вы можете вместо этого сделать схему переключения транзистора PNP. Хотя это не так часто, как использование NPN в этой ситуации. .

Тестирование транзисторов

Время от времени вам может потребоваться убедиться, что часть транзистора работает правильно.

Оказывается, довольно легко проверить транзистор, если вы можете изолировать часть от цепи. Далее мы рассмотрим некоторые методы:

Как проверить транзистор

Есть два основных способа проверить транзистор, и мы рассмотрим их оба. Важно удалить транзистор из схемы.

Если он находится в цепи, эти тесты, вероятно, не будут работать эффективно

Ручной метод мультиметра

Большинство современных мультиметров имеют режим проверки диодов.Иногда это комбинируется с измерением сопротивления, или это может быть отдельный режим регулятора. Ниже приведен пример счетчика Craftsman. Обратите внимание на символы диодов, кнопку и режим ручки.

Чтобы проверить транзистор, нам нужно вынуть его из схемы. В противном случае тест может быть неточным.

Чтобы измерить наш транзистор, мы делаем эти 4 шага:

1. Мы переводим нашу ручку-селектор в режим измерения диодов. В зависимости от нашего измерителя нам может потребоваться дополнительно нажать кнопку режима вверху, чтобы перейти из звукового сигнала в режим диода.Визуальный дисплей должен сообщить нам, в каком режиме мы находимся.

2. Для NPN поместите красный датчик на вывод Base, а черный датчик на вывод эмиттера. Обычно вы должны измерять от 0,4 до 1 В в зависимости от транзистора.

3. Для PNP поместите красный датчик на вывод эмиттера, а черный датчик на вывод основания. Обычно вы должны измерять от 0,4 до 1 В в зависимости от транзистора.

4. Для NPN или PNP поместите один датчик на коллектор, а другой датчик на излучатель.Здесь вы не должны получить достоверное прочтение. Поменяйте местами датчики, и снова вы не должны получить правильные показания.

Если транзистор проходит эти шаги, это хорошо. Если нет, то это плохо.

Автоматический метод мультиметра

В этом методе мы воспользуемся преимуществами тестера транзисторов, который встроен во многие мультиметры. Конечно, вам понадобится мультиметр, поддерживающий эту возможность.

Этот тест предназначен для деталей со сквозным отверстием. Если ваша деталь монтируется на поверхность, вам понадобится испытательные провода для подключения вашей детали к измерителю.

Если в вашем глюкометре есть эта функция, то где-нибудь на элементах управления вы найдете несколько отверстий с прорезями с метками для NPN и PNP. См. Пример ниже для счетчика мастера.

Этот тест состоит из трех этапов:

1. Сначала переместите ручку переключателя в раздел, обозначенный «hFE».