- Какво е транзистор?
- Видове транзистори
- Как работи биполярният транзистор? Инструкции за манекени
- Как работи полевият транзистор? Обяснение за манекени
- Видео, обясняващо принципа на транзистора на прост език
Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!
Принципът за контрол на полупроводниковия електрически ток е известен още в началото на ХХ век. Въпреки факта, че инженерите, работещи в областта на електрониката, са знаели как работи транзисторът, те продължават да проектират устройства, базирани на вакуумни тръби. Причината за такова недоверие към полупроводниковите триоди е несъвършенството на първите точкови транзистори. Семейството на германиеви транзистори не се различава по стабилността на характеристиките и силно зависи от температурните режими.
Монолитни силициеви транзистори направиха сериозна конкуренция на електронните лампи едва в края на 50-те години. Оттогава електронната индустрия започва да процъфтява, а компактните полупроводникови триоди активно принуждават енергоемките лампи от електронни устройства. С появата на интегрални схеми, където броят на транзисторите може да достигне милиарди парчета, полупроводниковата електроника спечели убедителна победа в борбата за миниатюризация на устройствата.
Какво е транзистор?
В съвременния смисъл на транзистора се нарича полупроводников радио елемент, предназначен да променя параметрите на електрическия ток и контрола. Един обикновен полупроводников триод има три изхода: основа, на която се изпращат контролни сигнали, излъчвател и колектор. Има и многокомпонентни транзистори с висока мощност.
Тя влияе върху мащаба на размерите на полупроводниковите устройства - от няколко нанометра (неопаковани елементи, използвани в микрочипове) до сантиметри в диаметър на мощни транзистори, предназначени за електроцентрали и промишлено оборудване. Обратните напрежения на промишлени триоди могат да достигнат до 1000 V.
приспособление
Структурно триодът се състои от полупроводникови слоеве, затворени в корпус. Полупроводниците са материали, базирани на силиций, германий, галиев арсенид и други химични елементи. Днес се провеждат изследвания, които подготвят някои видове полимери за ролята на полупроводниковите материали и дори въглеродните нанотръби. Очевидно в близко бъдеще ще научим за новите свойства на графеновите полеви транзистори.
Преди това полупроводниковите кристали бяха разположени в метални кутии под формата на капачки с три крака. Този дизайн е типичен за точкови транзистори.
Днес, изграждането на най-плоски, включително силиконови полупроводникови устройства, направени въз основа на легирани в някои части на един кристал. Притискат се в пластмасови, метални или металокерамични кутии. Някои от тях имат изпъкнали метални пластини за разсейване на топлината, които са монтирани на радиатори.
Електродите на съвременните транзистори са подредени в един ред. Такова подреждане на краката е удобно за автоматично сглобяване на дъски. Щифтовете не са маркирани на загражденията. Видът на електрода се определя чрез справочници или чрез измервания.
За транзисторите се използват полупроводникови кристали с различни структури, като pnp или npn. Те се различават по полярността на напрежението на електродите.
Схематично структурата на транзистора може да бъде представена като две полупроводникови диоди, разделени от допълнителен слой. (Вижте Фигура 1). Това е наличието на този слой, което ви позволява да контролирате проводимостта на полупроводниковия триод.
Фигура 1 схематично показва структурата на биполярните триоди. Има и клас на полеви транзистори, които ще бъдат разгледани по-долу.
Основният принцип на работа
В покой между колектора и излъчвателя на биполярния триоден ток не тече. Електрическият ток се предотвратява от съпротивлението на емитерния възел, което се получава в резултат на взаимодействието на слоевете. За да включите транзистора, е необходимо да приложите леко напрежение към неговата основа.
Фигура 2 показва схема, която обяснява как работи триодът.
Чрез контролиране на базовите токове можете да включвате и изключвате устройството. Ако към основата се приложи аналогов сигнал, той ще промени амплитудата на изходните токове. В същото време, изходният сигнал ще повтори точно честотата на осцилация на базовия електрод. С други думи, ще има усилване на входящия електрически сигнал.
По този начин полупроводниковите триоди могат да работят в режим на електронни превключватели или в режим на усилване на входните сигнали.
Работата на устройството в електронния ключ може да се разбере от Фигура 3.
Обозначение на диаграми
Обикновено означение: "VT" или "Q", последвано от позиционен индекс. Например, VT 3. В по-ранни схеми можете да намерите остарели нотации: "T", "PP" или "PT". Транзисторът е изобразен като символични линии, указващи съответните електроди, обградени с или без него. Посоката на тока в излъчвателя се обозначава със стрелка.
Фигура 4 показва VLF верига, в която транзисторите са обозначени по нов начин, а Фигура 5 показва схематични изображения на различни типове полеви транзистори.
Видове транзистори
Съгласно принципа на експлоатация и структура се различават полупроводникови триоди:
- област;
- биполярно;
- комбинирани.
Тези транзистори изпълняват една и съща функция, но има различия в принципа на тяхната работа.
поле
Този тип триод се нарича още еднополюсен, поради своите електрически свойства - те имат само един полярност. Чрез структурата и вида на управлението, тези устройства са разделени на 3 вида:
- Транзистори с контролен pn преход (фиг. 6).
- С изолиран затвор (с вграден или индуциран канал).
- MDP, със структурата: метал-диелектрик-проводник.
Отличителна черта на изолираната врата е наличието на диелектрик между него и канала.
Частите са много чувствителни към статично електричество.
Образците на полето триоди са показани на фигура 5.
Обърнете внимание на името на електродите: източване, източник и порта.
Транзисторите с полеви ефект консумират много малко енергия. Те могат да работят повече от година от малка батерия или батерия. Ето защо те се използват широко в съвременните електронни устройства, като дистанционно управление, мобилни устройства и др.
двуполюсен
Много е казано за този тип транзистори в подраздел "Принцип на основната операция". Отбелязваме само, че името "биполярно" устройство е получено поради възможността да предава такси на противоположни знаци през един канал. Тяхната характеристика е ниска изходна устойчивост.
Транзисторите усилват сигналите, работят като комутационни устройства. Колекторната верига може да включва доста мощен товар. Благодарение на големия ток на колектора, съпротивлението на товара може да се намали.
По-подробно за структурата и принципа на действие ще разгледаме по-долу.
комбиниран
За да се постигнат определени електрически параметри от използването на един дискретен елемент, транзисторните дизайнери измислят комбинирани проекти. Сред тях са:
- биполярни транзистори с вградени резистори;
- комбинации от две триоди (от една и съща или различни конструкции) в една и съща опаковка;
- ламбда диоди - комбинация от две полеви триоди, образуващи участък с отрицателно съпротивление;
- конструкции, в които полето триод с изолиран порта контролира биполярния триод (използван за управление на електрически двигатели).
Комбинираните транзистори - всъщност е елементарен чип в един пакет.
Как работи биполярният транзистор? Инструкции за манекени
Работата на биполярните транзистори се основава на свойствата на полупроводниците и техните комбинации. За да разберем принципа на действието на триодите, нека разгледаме поведението на полупроводниците в електрическите вериги.
Полупроводници.
Някои кристали като силиций, германий и др. Са диелектрици. Но те имат една характеристика - ако добавите някои примеси, те стават проводници със специални свойства.
Някои добавки (донори) водят до появата на свободни електрони, докато други (акцептори) образуват „дупки“.
Ако например силицийът е легиран с фосфор (донор), тогава получаваме полупроводник с излишък на електрони (n-Si структура). Когато се добавя бор (акцептор), легираният силиций ще стане полупроводник с дупка проводимост (p-Si), т.е. положително заредените йони ще доминират в неговата структура.
Едностранна проводимост.
Нека да проведем ментален експеримент: свържете два различни типа полупроводник с източник на захранване и захранващ ток към нашия проект. Ще се случи нещо неочаквано. Ако свържете отрицателния проводник с n-тип кристал, веригата ще се затвори. Въпреки това, когато променим полярността, няма да има електричество във веригата. Защо се случва това?
В резултат на това комбинацията от кристали с различни видове проводимост между тях образува област с pn преход. Част от електроните (носители на заряд) от кристала от n-тип ще поток в кристала с дупка проводимост и рекомбинира дупки в контактната зона.
В резултат на това се появяват некомпенсирани такси: в областта от n-тип, от отрицателни йони и в областта на р-типа от положителни. Разликата в потенциала достига стойност от 0, 3 до 0, 6 V.
Връзката между концентрацията на напрежението и примесите може да се изрази по формулата:
V = VT * ln ( N n * N p ) / n 2 i, където
V T е стойността на термодинамичното напрежение, N n и N p са съответно концентрацията на електроните и дупките, а n i означава собствена концентрация.
Когато плюс е свързан с p-проводника, а минусът към n-тип полупроводник, електрическите заряди ще преодолеят бариерата, тъй като тяхното движение ще бъде насочено срещу електрическото поле вътре в pn-прехода. В този случай преходът е отворен. Но ако полюсите се разменят, преходът ще бъде затворен. Оттук и заключението: pn кръстопът образува едностранна проводимост. Това свойство се използва при изграждането на диоди.
От диод до транзистор.
Нека усложним експеримента. Добавете друг слой между двата полупроводника със същите структури. Например, между силициевите пластини от р-тип се вмъква слой за проводимост (n-Si). Не е трудно да се отгатне какво ще се случи в контактните зони. По аналогия с описания по-горе процес се формират области с pn преходи, които блокират движението на електрическите заряди между излъчвателя и колектора, независимо от полярността на тока.
Най-интересното ще се случи, когато приложим леко напрежение към междинния слой (база). В нашия случай даваме ток с отрицателен знак. Както и в случая на диод, се образува схема на емитер-база, през която протича ток. В същото време слоят ще започне да се насища с дупки, което ще доведе до провлачване на отвора между излъчвателя и колектора.
Вижте Фигура 7. Това показва, че положителните йони са запълнили цялото пространство на нашия конвенционален дизайн и сега нищо не пречи на текущата проводимост. Получихме визуален модел на биполярния транзистор на pnp структурата.
Когато основата е изтощена, транзисторът много бързо достига до първоначалното си състояние и съединителният възел се затваря.
Устройството може да работи в режим усилвател.
Токът на колектора е пряко пропорционален на базовия ток : I к = ß * I B, където ß е коефициентът на усилване на тока, I B е основният ток.
Ако промените величината на управляващия ток, интензивността на образуването на дупки в основата ще се промени, което ще доведе до пропорционална промяна в амплитудата на изходното напрежение, като същевременно се запази честотата на сигнала. Този принцип се използва за усилване на сигналите.
Прилагайки слаби импулси към базата, получаваме същата честота на усилване на изхода, но с много по-голяма амплитуда (дадена от напрежението, приложено към веригата на колекторния емитер).
Npn транзисторите работят по подобен начин. Променя се само полярността на напрежението. Устройствата с npn структура са директно проводими. Обратната проводимост има транзистори тип pnp.
Остава да добавим, че полупроводниковият кристал реагира по подобен начин на ултравиолетовия спектър на светлината. Включване и изключване на потока от фотони, или регулиране на неговата интензивност, можете да контролирате работата на триода или да промените съпротивлението на полупроводниковия резистор.
Биполярна транзисторна верига
Инженерите на схемите използват следните схеми на свързване: с обща основа, общи емитерни електроди и включване с общ колектор (фиг. 8).
За усилватели с обща базова характеристика:
- ниско входно съпротивление, което не надвишава 100 ома;
- добри температурни свойства и честотни параметри на триода;
- висок допустим стрес;
- изисква два различни източника на енергия.
Схеми с общ емитер имат:
- увеличаване на тока и напрежението;
- ниска мощност;
- инверсия на изходното напрежение спрямо входа.
При тази връзка е достатъчен един източник на захранване.
Схемата за връзка „общ колектор“ предвижда:
- голям вход и ниско изходно съпротивление;
- ниско съотношение напрежение (<1).
Как работи полевият транзистор? Обяснение за манекени
Структурата на полевия транзистор се различава от биполярния по това, че токът в него не пресича зоните на pn-прехода. Таксите се движат в регулирана зона, наречена затвор. Капацитетът на затвора се регулира от напрежение.
Пространството на pn-зоната намалява или нараства под действието на електрическо поле (виж фиг. 9). Съответно броят на свободните носители на заряда варира от пълно унищожаване до максимално насищане. В резултат на такова въздействие върху портата се регулира токът на електродите за източване (контактите, които задвижват обработения ток). Входящият ток преминава през контактите на източника.
По подобен принцип, полевите триоди работят с интегриран и индуциран канал. Техните схеми видяхте на фигура 5.
Превключване на полевия транзистор
На практика те използват диаграми на свързване по аналогия с биполярния триод:
- с общ източник - дава голямо увеличение на тока и мощността;
- общи схеми на врата, осигуряващи ниско входно съпротивление и ниско усилване (ограничена употреба);
- с общ изтичане, работещи по същия начин като обикновената емитерна верига.
Фигура 10 показва различните схеми на окабеляване.
На практика всяка верига може да работи при много ниски входни напрежения.