Для чего нужны транзисторы?

Транзистор: виды, применение и принципы работы

Что такое транзистор? Наверняка каждый человек хотя бы раз в жизни слышал это слово. Однако далеко не каждый знаком с его значением, а тем более с устройством и назначением транзистора. Это понятие подробно изучают студенты технических ВУЗов. При этом довольно часто технические знания пригождаются в жизни людям, не имеющим ничего общего с инженерной деятельностью. В этой статье мы рассмотрим в каких областях они применяются.

Принцип работы прибора

Транзистор — полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрического сигнала. Благодаря особому строению кристаллических решёток и полупроводниковым свойствам, этот прибор способен увеличивать амплитуду протекающего тока.

Полупроводники — вещества, которые способны проводить ток, а также препятствовать его прохождению. Самыми яркими их представителями являются кремний и германий. Существует два вида полупроводников:

1. Электронные.
2. Дырочные.

В полупроводниках электрический ток возникает из-за недостатка или переизбытка свободных электронов. Например, кристаллическая решётка атома состоит из трёх электронов. Однако если ввести в это вещество атом, состоящий из четырёх электронов, один будет лишним. Он является свободным электроном. Соответственно, чем больше таких электронов, тем ближе это вещество по своим свойствам к металлу. А значит, и проводимость тока больше. Такие полупроводники называются электронными.

Теперь поговорим о дырочных. Для их создания в вещество вводятся атомы другого вещества, кристаллическая решётка которого содержит больше атомов. Соответственно, в нашем полупроводнике становится меньше электронов. Образуются вакантные места для электронов. Валентные связи будут разрушаться, так как электроны будут стремиться занять эти вакантные места. Далее, мы будем называть их дырками.

Электроны постоянно стремятся занять дырку и, начиная движение, образуют новую дырку. Таким поведением обладают абсолютно все электроны. В полупроводнике происходит их движение, а значит, начинает проводиться ток. Такие полупроводники называются дырочными.

Таким образом, вводя недостаток или избыток электронов в кремний или германий, мы способствуем их движению. Получается ток. Транзисторы состоят из соединений этих полупроводников по определённому принципу. С их помощью можно управлять протекающими токами и другими параметрами электрических сигналов.

Виды транзисторов

Существует несколько видов транзисторов. Их около четырёх. Однако основные из них это:

• Полевые.
• Биполярные.

Остальные виды собираются из полевых и биполярных. Рассмотрим более подробно каждый вид.

Полевые

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

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

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

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

Существует два вида приборов с изолированным затвором:

• Со встроенным каналом.
• С индуцированным каналом.

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

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

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

1. Входное сопротивление.
2. Амплитуда напряжения, которое необходимо подать на затвор.
3. Полярность.

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

Биполярные

Слово «биполярные» означает две полярности. То есть, такие приборы имеют две полярности, благодаря особенностям своего строения. Особенность их строения заключается в том, что они состоят из трёх полупроводниковых областей. Типы проводимости бывают следующими:

1. Электронная, далее n.
2. Дырочная, далее p.

Соответственно, можно сделать вывод, что существует два вида биполярных транзисторов:

• pnp;
• npn.

Разница между ними заключается в том, что для корректной работы необходимо подавать напряжение разной полярности. К каждой из трёх полупроводниковых областей подключено по одному выводу. Всего их три:

1. База — центральный слой. Он является самым тонким. На выводе базы находится управляющий ток с небольшой амплитудой.
2. Коллектор — один из крайних слоёв. Он является самым широким. На него подаётся ток с большой амплитудой.
3. Эмиттер — вывод, на который подаётся ток с коллектора. На его выходе амплитуда тока немного больше, чем на входе.

Существует три схемы подключения биполярных транзисторов:

1. С общим эмиттером — входной сигнал подаётся на базу, а выходной снимается с коллектора.
2. С общим коллектором — входной сигнал подаётся на базу, а снимается с эмиттера.
3. С общей базой — входной сигнал подаётся на эмиттер, а снимается с коллектора.

Благодаря нескольким электронно-дырочным переходам, образующимся в биполярном транзисторе, можно управлять параметрами электрического сигнала. Полярность и амплитуда подаваемого напряжения зависят от типа биполярного транзистора.

Применение транзисторов в жизни

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

1. Усилительные схемы.
2. Генераторы сигналов.
3. Электронные ключи.

Во всех устройствах связи усиление сигнала необходимо. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, довольно часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала недостаточно для корректной работы устройства. Информация передаётся с помощью электрических сигналов. Чтобы доставка была гарантированной и качество информации высоким, нам необходимо усиливать сигналы.

Транзисторы способны влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора.

Электронные ключи нужны для управления силой тока в цепи. В состав этих ключей входит множество транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов схем. На их основе работают компьютеры, телевизоры и другие электрические приборы, без которых в современной жизни не обойтись.

Литература по электронике

Наука, которая изучает транзисторы и другие приборы, называется электроника. Целый ее раздел посвящён полупроводниковым приборам. Если вам интересно получить больше информации о работе транзисторов, можно почитать следующие книги по этой тематике:

1. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера — Дэвид М.
2. Операционные системы. Разработка и реализация — Эндрю Т.
3. Силовая электроника для любителей и профессионалов — Б. Ю. Семенов .

В этих книгах описываются различные средства программируемой электроники. Конечно же, в основе всех программируемых схем, лежат транзисторы. Благодаря этим книгам вы не только получите новые знания о транзисторах, но и навыки, которые, возможно, принесут вам доход.

Теперь вы знаете, как работают транзисторы, и где они применяются в жизни. Если вам интересна эта тема, продолжайте её изучать, ведь прогресс не стоит на месте, и все технические устройства постоянно совершенствуются. В этом деле очень важно идти в ногу со временем. Успехов вам!

Транзисторы: принцип работы и​ чем они отличаются

Транзистор — повсеместный и важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.

В частноти, его можно использовать как управляемую «заслонку»: отсутствием сигнала на «воротах» блокировать течение тока, подачей — разрешать. Иными словами: это кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения. В цифровой электронике такое применение наиболее распространено.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах: один и тот же транзистор может внешне выглядеть совершенно по разному. В прототипировании чаще остальных встречаются корпусы:

Обозначение на схемах также варьируется в зависимости от типа транзистора и стандарта обозначений, который использовался при составлении. Но вне зависимости от вариации, его символ остаётся узнаваемым.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:

Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель h_fe также известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.

Например, если h_fe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропустит через себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент, который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас». Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные 10 мА.

Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.

NPN и PNP

Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплав кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive — с избытком положительных (p-doped).

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N. PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется, когда через неё идёт ток.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Они позволяют оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах. А управление самой «заслонкой» осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов, не идёт.

Полевые транзисторы обладают тремя контактами:

N-Channel и P-Channel

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.

P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.

Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:

Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.

Обратите внимание на токоограничивающий резистор R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля. Главное — не превысить допустимый ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:

= frac <5unit<В>— 0.3unit<В>><0.04unit<А>> approx 118unit <Ом>$» />

здесь U_d — это падение напряжения на самом транзисторе. Оно зависит от материала из которого он изготовлен и обычно составляет 0.3 – 0.6 В.

Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае — это 100 мА. Допустим для используемого транзистора h_fe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА

= frac <5unit<В>— 0.3unit<В>><0.001unit<А>> = 4700unit <Ом>= 4.7unit <кОм>$» />

Нам подойдёт резистор номиналом от 118 Ом до 4.7 кОм. Для устойчивой работы с одной стороны и небольшой нагрузки на чип с другой, 2.2 кОм — хороший выбор.

Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, можно обойтись без резистора:

это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.

Что такое транзистор: для чего нужен, как работает

Транзистор усиливает, преобразует и генерирует электрический импульс. Твердотельный модуль включает стационарные части, при этом отличается компактными габаритами. В электронике применяют несколько видов транзисторов, чтобы оперировать магнитными свойствами и скалярными величинами, координировать вращение электронов, оперировать энергетическими квантами.

Общая информация о транзисторах

Устройства подразделяют на биполярные, полевые, комбинированные. Основой модулей берут полупроводник из германия, химического неметалла кремния, соединения мышьяка и галлия. Ведущее место отводят биполярным моделям, но первоначально ставку делали на полярные.

Электрический ток образуется зарядными носителями, а границы переключения определяются силой сигнала:

• малый — сильный импульс;
• открытое — закрытое положение.

По скорости передачи энергии различают транзисторы:

• маломощные — до 0,1 Вт;
• средние — 0,1 – 1,0 Вт;
• мощные — свыше 1 Вт.

Комбинированные материалы представлены различными сочетаниями для повышения технологических свойств. Другие материалы для изготовления используют редко, например, светопрозрачные полупроводники для матричных дисплеев. Есть сообщения о создании транзисторов на базе полимеров, углеродных нанотрубок, графенов.

Устройство

Прибор может быть заключен в металлическом или пластмассовом корпусе. В первом случае изоляторы для выводов делают из керамики или стекла. В пластиковых коробках ставят теплоотвод из металла для установки модуля на внешний радиатор.

Вместе с полупроводником конструкция содержит:

• стальные выводы;
• элементы-изоляторы;
• корпус.

По конструкции приборы делят на виды:

• дискретные — корпусные и бескорпусные для отдельного монтажа, установки на радиатор, в паечных автоматизированных системах;
• в структуре интегральных микросхем.

Строение позволяет получать разные виды генераторов для преобразования переменного тока из постоянного.

Применение

Сам транзистор не может усиливать мощность источника питания, но является главным элементом усилительной системы. Он помогает управлять мощностью на выходе, во много раз превышающую показатель управления. Его включают в разрыв между нагрузкой и подающим источником питания, при этом сопротивление поддается быстрому измерению.

Сферы применения:

• Усилительные (УНЧ) схемы. Используют биполярные и полевые типы, устройства работают в ключевом регламенте регенераторов цифровых импульсов.
• Системы усиления высокой частоты (УВЧ). Транзисторы ставят на входных контурах приемников Р.Т.А.
• В качестве генераторов импульсов. Используют для возбуждения прямоугольных (ключевой режим) и произвольных сигналов (линейный регламент).
• Их также используют в электропереключательных и усиливающих каскадах в виде активных приборов.

Базовый принцип работы

Полупроводниковый транзистор подключают к выводам одноименного вольтажа к базе и эмиттеру, при этом p соединяют с положительным, а n — с отрицательным электродом. В результате между ними появляется ток, а число зарядных носителей в базе зависит от величины напряжения. Ток, идущий к базе, именуют управляющим.

Особенности работы:

• если к коллектору подать обратное напряжение, между ним и эмиттером пойдет ток из-за разницы потенциалов;
• повышение объема зарядных носителей приведет к усилению тока;
• небольшой рост напряжения значительно усиливает ток, что используют при создании усилителей;
• если на эмиттер подают вольтаж, противоположный по знаку, образование тока останавливается, а транзистор становится в закрытое положение.

Принцип работы транзистора заключается в том, что при использовании одноименной полярности прибор находится в открытом положении, обратные по знаку заряды приводят к закрытию устройства.

Обозначение

Условное позиционирование NPN и PNP транзисторов отличаются, при этом они отражают структуру и принцип работы модуля в электрическом контуре.

Стрелку ставят между базой и эмиттером для показа курса управляющего электротока;

• у NPN транзисторов указатель сориентирован к эмиттеру от базы, расположение показывает, что в активной фазе электроны движутся в этом направлении;
• у PNP разновидности стрелка стоит в направлении базы от эмиттера, что говорит о курсе управляющего электротока.

Для обозначения выводов на схеме применяют буквы: коллектор (К), база (Б), эмиттер (Э). На иностранных чертежах литеры меняют, соответственно на: С, В, Е. На плате недалеко от детали может быть обозначение Q, например, Q303. Это означает, что этот транзистор — триста третий по порядку в схеме.

Биполярный транзистор

Полупроводниковое устройство состоит из трех разных по проводимости слоев, к каждому из которых подсоединены проводящие контакты.

По степени электропроводности коллекторный, базовый и эмиттерный слой отличаются мало, но при производстве подвергаются разному уровню легирования:

• Первый легируется слабо, что дает возможность повысить коллекторный вольтаж.
• В эмиттерный добавляют много примесей при изготовлении. Объем обратного пробойного напряжения не становится критичным, т. к. приборы функционируют с прямосмещенным переходом. Усиленное легирование дает повышенную инжекцию вторичных зарядоносителей в базовый слой.

Базовая прослойка легируется мало, т. к. находится между коллектором и эмиттером, этот слой должен показывать большое сопротивление.

Как работает

Зарядные носители передвигаются к коллектору сквозь тонкий базовый слой. Средняя прослойка отделена от верхнего и нижнего p-n переходами.

Особенности функционирования:

• Ток проходит сквозь транзистор, если зарядные носители инжектируются посредством p-n перехода в базовую прослойку из эмиттерной.
• В результате снижается потенциальная преграда при подаче прямого смещения.
• В базовой прослойке инжектируемые заряды — не основные носители, поэтому ускоряются и поступают в другие p-n переходы к коллекторному пласту от базовой прослойки.
• В базе заряды распространяются под действием диффузии или электрического поля.

Эффективность транзистора повышается, если использована тонкая базовая прослойка, но чрезмерное утончение снижает предел допустимого вольтажа коллектора.

Схема включения

Для установки в схему у транзистора есть три вывода. При подключении один контакт определяют, как общий.

Различают схемы подсоединения:

• С совместным эмиттером. Часто используемая схема усиливает ток и напряжение (отмечается наибольшее повышение мощности). Входной импульс поступает на базовый слой со стороны эмиттера, снимается — с коллектора и инвертируется.
• С совместным коллектором. Повышается только электроток, коэффициент усиления вольтажа равен 1, сопротивление на входе высокое, а на выходе маленькое. Подключение поддерживает большой промежуток усиливаемых частот.

Если общим при подсоединении служит базовый слой, усиливается напряжение, поэтому его используют чаще в составных системах, но не в однотранзисторных.

Полевой транзистор

Назначение то же, что и биполярного, но разное строение. Транзисторы координируют более высокие мощности при аналогичных размерах.

В структуре есть элементы:

• сток для приемки большого напряжения;
• затвор для управляемого напряжения;
• исток для раздачи напряжения при открытом положении.

Как работает

В устройстве полевого типа ток проходит к стоку сквозь канал в легированном проводнике под затвором. Он расположен между нелегированной прослойкой (в ней отсутствуют зарядные носители) и затвором. Здесь присутствует участок обеднения, где ток не проводится.

Размер канала по ширине ограничен областью между участком обеднения и прослойкой. Силой тока управляют с помощью изменения вольтажа, приложенного к затвору. В этом случае меняется канальное сечение, и ток на выходе меняет величину.

Схемы включения

Полевые транзисторы подключают одним из трех способов:

• с общим стоком;
• с совместным истоком;
• с общей базой.

Схема с общим стоком аналогична подключению биполярного модуля с совместным коллектором. Используют тип подсоединения в согласующихся каскадах, где нужно входное напряжение большое, а на выходе — низкое. Включение поддерживает широкий диапазон частот.

Схема с общим истоком дает большое увеличение мощности и электротока, при этом фаза напряжения контура стока переворачивается. Сопротивление на входе может быть несколько сотен мегаОм, чтобы его снизить, добавляют между истоком и затвором резистор.

В схеме с общим затвором нет усиления электротока, повышение мощности небольшое. Напряжение находится в аналогичной фазе с управляющим. При изменении входного импульса напряжение на истоке повышается или понижается.

Комбинированные транзисторы

Гибрид полевого и биполярного устройства обладает положительными чертами двух приборов. Суть с том, что биполярный транзистор большой мощности управляется полевым. Большую нагрузку можно изменять, используя малую мощность, т. к. регулирующий импульс подается на затвор устройства полевого типа.

Внутреннее строение комбинированных транзисторов — каскадное подсоединение двух входных ключей для регулировки конечного плюса. При подаче положительного вольтажа с истока на затвор начинает работать полевой тип, возникает канал передачи между истоком и стоком.

Перемещение зарядных носителей между участками p-n переходов включает биполярное устройство, поэтому происходит перемещение электротока к коллектору от эмиттера.