Для чего используются транзисторы

Транзистор, иначе называемый полупроводниковым триодом — электронное устройство, основой которого являются полупроводниковые материалы. Основное назначение прибора — возможность, с помощью изменения слабого тока в управляющей цепи, получать усиленный сигнал на выходе. Полупроводниковый триод — одна из основных составляющих схем множества электронных устройств, от радиоприёмника до компьютера.

Типы транзисторов

Определение «транзистор» тесно связано с этимологией этого слова. Оно образовано от двух английских слов: transfer (переносить) и resistor (сопротивление). Действительно, принцип работы устройства связан с переносом (изменением) сопротивления в электрической цепи.

Существуют два основных класса полупроводниковых триодов:

Каждый класс, в свою очередь, делится на несколько разновидностей.

Биполярные:

• p-n-p тип (прямая проводимость);
• n-p-n тип (обратная проводимость).

Оба этих типа триодов могут использоваться в одной электронной схеме. Поэтому, для того чтобы не перепутать, какую именно деталь надо использовать в конкретном месте схемы, изображения p-n-p и n-p-n триодов отличаются друг от друга.

Полевые:

• униполярные с p-n переходом;
• МДП-транзисторы с изолированным затвором.

Принцип работы устройства

В электронике применяются полупроводники с электронной (n) или дырочной (p) проводимостью. Эти обозначения говорят о том, что в первом случае в полупроводнике преобладают отрицательно заряженные электроны, во втором — положительно заряженные дырки.

Рассмотрим, как устроен транзистор на примере биполярного полупроводникового триода. Внешне прибор выглядит как небольшая деталь в металлическом или пластиковом корпусе с тремя выводами. Внутри — своеобразный бутерброд из трёх слоёв полупроводника. Если центральный слой p-типа, то окружающие его слои — n-типа. Получается триод n-p-n. Если же центр, именуемый также базой, n-типа, то обкладки — из полупроводника с дырочной проводимостью, а структура устройства — p-n-p. Один из внешних слоёв называется эмиттером, другой коллектором. К каждой из этих трёх частей прибора бывает подведён соответствующий вывод.

Краткое пояснение, как работает транзистор, для «чайников» выглядит так. Возьмём для примера транзистор n-p-n, где эмиттер и коллектор являются слоями с преимущественно электронной проводимостью, а база — с дырочной.

Подключаем эмиттер к отрицательному выводу электрической батареи, а базу и коллектор — к положительному. Начинающему любителю электроники можно представить, что триод состоит из двух диодов, причём диод эмиттер — база включён в прямом направлении, и через него протекает ток, а диод база — коллектор включён в обратном направлении, и ток отсутствует.

Предположим, что мы включили в цепь базы переменный резистор, с помощью которого можем регулировать подаваемое на базу напряжение. Какой эффект мы получим при уменьшении напряжения до нуля? Ток в цепи эмиттер-база перестанет течь. Немного увеличим напряжение. Электроны из n — области эмиттера устремятся к базе, подключённой к плюсу батареи.

Важная деталь — база сделана максимально тонкой. Поэтому масса электронов проходит этот слой насквозь и оказывается в коллекторе под воздействием положительного полюса батареи, к которому притягивается. Таким образом, ток начинает проходить не только между эмиттером и базой, но и между эмиттером и коллектором. При этом ток коллектора значительно больше тока базы.

Ещё одно важное обстоятельство: небольшое изменение базового тока вызывает значительно более сильное изменение коллекторного тока. Таким образом, полупроводниковый триод служит для усиления различных сигналов. Обычно биполярные триоды чаще используются в аналоговой технике.

Полевые транзисторы

Этот тип триода отличается от биполярного не свойствами или функциями, а принципом работы. В полевом триоде ток движется от вывода, называемого истоком, к выводу, именуемому стоком, по полупроводнику одного вида проводимости, например, p. А управление силой этого тока производится с помощью изменения напряжения на третьем выводе — затворе.

Такая структура более точно отвечает требованиям современной цифровой техники, где в основном и применяются полевые триоды. Сегодняшние технологические возможности позволяют разместить на кристалле полупроводника площадью 1−2 квадратных сантиметров несколько миллиардов МДП-элементов с изолированным затвором. Таким образом создаются центральные процессоры персональных компьютеров.

Перспективы развития приборов

Перспективы лежат, в первую очередь, в сфере дальнейшей миниатюризации устройств. Так, американские учёные разрабатывают сегодня так называемый одномолекулярный транзистор. Основным элементом такого устройства является молекула бензола, к которой присоединены три электрода.

Если идея оправдает себя, появится возможность создания сверхмощных вычислительных комплексов. Ведь размер молекулы гораздо меньше размера сегодняшних МДП-триодов на кристалле кремниевого чипа.

Любое электронное устройство состоит из радиоэлементов. Они могут быть пассивными, не требующими источника питания, и активными, работа которых возможна только при подаче напряжения. Активными элементами называют полупроводники. Одним из важнейших полупроводниковых приборов является транзистор. Этот радиоэлемент пришёл на смену ламповым приборам и полностью изменил схемотехнику устройств. Вся микроэлектроника и работа любой микросхемы базируется именно на нём.

Общие сведения

Название «транзистор» произошло от слияния двух английских слов: transfer — переносимый, и resistor — сопротивление. В общепринятом понятии это полупроводниковый элемент с тремя выводами. В нём величина тока на двух выводах зависит от третьего, при изменении на котором тока или напряжения происходит управление значением тока выходной цепи. Вариацией тока управляются биполярные приборы, а напряжением — полевые.

Первые разработки транзистора были начаты в XX веке. В Германии учёный Юлий Эдгар Лилиенфельд описал принцип работы транзистора, а уже в 1934 году физиком Оскаром Хейл был зарегистрирован прибор, названный позже транзистором. Такое устройство работало на электростатическом эффекте поля.

Физики Уильям Шокли, Уолтер Браттейн вместе с учёным Джоном Бардином в конце 40-х годов изготовили первый макет точечного транзистора. С открытием n-p перехода выпуск точечного транзистора прекратился, а вместо него начались разработки плоскостных устройств из германия. Официально представлен был действующий прототип транзистора в декабре 1947 года. В этот день появился первый биполярный транзистор. Летом 1948 года начались продаваться устройства, выполненные на транзисторной основе. С этого момента распространённые на тот момент электронные лампы (триоды) начали уходить в прошлое.

В середине 50-х годов первый плоскостной транзистор был выпущен в серию компанией Texas Instruments, в качестве материала для его изготовления послужил кремний. На тот момент при производстве радиоэлемента выходило много брака, но это не помешало технологическому развитию прибора. В 1953 году на транзисторах была изготовлена схема, использующаяся в слуховых аппаратах, а годом позже американские физики получили за своё открытие Нобелевскую премию.

Март 1959 года ознаменовался созданием первого кремниевого планарного прибора, его разработчиком был физик из Швейцарии Жан Эрни. Пара транзисторов была успешно размещена на одном кристалле кремния. С этого момента и началось развитие интегральной схемотехники. На сегодняшний день в одном кристалле размещается более миллиарда транзисторов. Например, на популярном 8-ядерном компьютерном процессоре Core i7−5960X их количество составляет 2,6 миллиарда штук.

Параллельно с усовершенствованиями биполярного транзистора в 60-х годах начались разработки прибора на основе соединения металла с полупроводником. Такой радиоэлемент получил название МОП (металл-оксид-полупроводник) транзистор, сегодня более известный под обозначением «мосфет».

Изначально понятие «транзистор» относилось к сопротивлению, величина которого управлялась напряжением, поскольку транзистор можно представить как некий резистор, регулируемый приложенным потенциалом на одном выводе. Для полевых транзисторов, сравнение с которыми более верно, — потенциалом на затворе, а для биполярных транзисторов — потенциалом на базе или током базы.

Электронно-дырочный переход

Основа работы прибора заключается в способности n-p перехода пропускать ток в одну сторону. При подаче напряжения на одном переходе возникает его прямое падение, а на другом обратное. Зона перехода с прямым напряжением обладает малым сопротивлением, а с обратным — большим. Между базой и эмиттером протекает небольшой ток управления. От значения этого тока изменяется сопротивление между коллектором и эмиттером. Биполярный прибор бывает двух типов:

Отличие заключается лишь в основных носителях заряда, т. е. направлении тока.

Если соединить два полупроводника разного типа между собой, то на границе соединения возникает область или, как принято называть, p-n переход. Тип проводимости зависит от атомного строения материала, а именно насколько прочны связи в материале. Атомы в полупроводнике располагаются в виде решётки, и сам по себе такой материал не является проводником. Но если в решётку добавить атомы другого материала, то физические свойства полупроводника изменяются. Примешанные атомы образовывают, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки.

Образованные свободные электроны формируют отрицательный заряд, а дырки — положительный. В области перехода существует потенциальный барьер. Он образуется контактной разностью потенциалов, и его высота не превышает десятые доли вольта, препятствуя протеканию носителей заряда вглубь материала. Если переход находится под прямым напряжением, то величина потенциального барьера уменьшается, а величина проходящего через него тока увеличивается. При прикладывании обратного напряжения, величина барьера увеличивается и сопротивление барьера прохождению тока возрастает. Понимая работу p-n перехода, можно разобраться, как устроен транзистор.

Классификация устройств

В первую очередь такие приборы разделяются на одиночные и составные. Существуют и так называемые комплексные радиоэлементы. Они имеют три вывода и выполненны, как единое целое. Такие сборки содержат как однотипные, так и разные по своему типу транзисторы. Основное разделение приборов происходит по следующим признакам:

1. Канальность. В зависимости от того, какие носители зарядов являются основными бывают p-типа и n-типа.
2. Технологии изготовления. Выпускаются биполярными, полевыми, комбинированными.
3. По типу полупроводника. В качестве материала для изготовления применяется кремний, германий и арсенид-галлия. В последнее время начали выпускаться транзисторы, использующие в качестве основы прозрачные полупроводники. Например, для построения дисплейных матриц. А также использующие в качестве материалов полимеры и углеродные нанотрубки.
4. По рассеиваемой мощности. Разделяются на три типа: маломощные, средней мощности и мощные. Первые не превышают значения 0,1 Вт, вторые находятся в диапазоне 0,1−1 Вт, а к мощным относят все те, что превышают 1 Вт.
5. По виду исполнению. Выделяют дискретные транзисторы, которые могут быть как корпусными, так и нет, и транзисторы, входящие в состав интегральных схем.

Общее определение для радиоэлемента можно сформулировать следующим образом: транзистор — это полупроводниковый элемент, предназначенный для преобразования электрических величин. Основное его применение заключается в усилении сигнала или работе в ключевом режиме.

Биполярный прибор

Принцип работы транзистора для «чайника» проще описать по аналогии с водопроводом. Сам элемент можно представить в виде вентиля. Кран небольшим поворотом позволяет регулировать поток воды (силу тока). Если немного повернуть рукоятку, вода потечёт по трубе (проводнику), если приоткрыть кран ещё сильнее, поток воды также увеличится. Таким образом, выход потока воды пропорционален её входу, умноженному на определённую величину. Этой величиной называется коэффициент усиления.

Биполярный транзистор имеет три вывода: эмиттер, база, коллектор. Эмиттер и коллектор имеют одинаковый тип проводимости, который отличный от базы. Дырочного типа транзисторы состоят из двух областей p -типа проводимости, и одной n -типа. Электронного типа наоборот. Каждая область имеет свой вывод.

При подаче на эмиттер сигнала нужной проводимости ток в области базы увеличивается. Основные носители заряда перемещаются в зону базы, что приводит к возрастанию тока и в обратной области подключения. Возникает объёмный заряд. Электрическое поле начинает втягивать в зону обратного подключения носители другого знака. В базе происходит частичная рекомбинация (уничтожение) зарядов противоположного знака, благодаря чему и возникает ток базы.

Эмиттером называют область прибора, служащую для передачи носителей заряда в базу. Коллектором называют зону, предназначенную для извлечения носителей заряда из базы. А база — это область для передачи эмиттером противоположной величины заряда. Основной характеристикой прибора является вольт-амперная характеристика, функция которой описывает зависимость между током и напряжением.

На схеме устройство подписывается латинскими буквами VT или Q. Выглядит как круг со стрелкой внутри, где стрелка указывает направление протекания тока. Для PNP (прямая проводимость) — стрелка внутрь, а NPN (обратная проводимость) — стрелка наружу. Для того чтобы сделать транзистор, используется германий или кремний. Отличаются эти материалы рабочей областью напряжения базового перехода. Для германиевых он лежит в диапазоне 0,1−0,4 В, а для кремниевых от 0,4 до 1,2 В. Обычно используется кремний.

Полевой транзистор

Отличие полевого транзистора от биполярного в том, что в нём за прохождение тока отвечает величина напряжения, приложенная к управляемому контакту.

Основное назначение мосфетов связывают с их хорошей скоростью переключения при весьма небольшой мощности, приложенной к выводу управления. Полевой элемент имеет три вывода: затвор, сток, исток. При работе мосфета с управляющим n-p переходом потенциал на затворе либо равен нулю (прибор открыт), или имеет определённое значение, превышающее ноль (прибор закрыт). Когда обратное напряжения достигает определённого уровня, то открывается запирающий слой, и устройство переходит в режим отсечки.

В мосфете с p-n переходом управляющим электродом (затвором) служит слой полупроводника, имеющий проводимость р-типа, а противоположной проводимости — канал n-типа.

Изображение его на схеме сходно биполярному устройству, только все линии выполняются прямыми, а стрелка внутри подчёркивает разновидность прибора. В основе принципа действия МОП приборов лежит эффект изменения проводимости полупроводника на границе области с диэлектриком при воздействии электрического поля. Полевые устройства в зависимости от управляемого p-n перехода могут быть:

1. Со встроенным каналом. Работают в двух режимах: обеднения и обогащения. В первом режиме величина потенциала на затворе превышает значение на истоке, что приводит к снижению значения тока на нём. Если приложенный потенциал больше напряжения отсечки, то ток между выводами стока и истока отсутствует. При обогащении, наоборот, чем больше величина потенциала между выводами затвор-исток, тем больше ток стока.
2. С индуцированным (наведённым) каналом. Для p-канального устройства при отсутствии потенциала на выводе затвор-исток ток стока близок к нулю. Такой тип работает только в режиме обогащения. При этом напряжение на выводах исток-затвор должно быть больше нуля. Когда это напряжение превысит значение порогового, то между стоком и истоком возникнет проводимость p-типа. Связано это с тем, что количество дырок под затвором увеличится. Это явление называется инверсией.

Каждый вид может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. В общем понимании принцип работы не зависит от проводимости, меняется только полярность источника напряжения.

Принцип действия для чайников

Транзистор — это сложный прибор, физические процессы проходящие в котором сложны для понимания начинающим радиолюбителям (чайникам). Как работает транзистор, можно объяснить следующим образом: транзистор — это электронный ключ, степень открывания которого зависит от уровня тока или напряжения, приложенного к его управляемому выводу (база или затвор).

Зачем нужен транзистор, можно описать в обобщённой форме. Например, база (затвор) прибора — это дверь. Она открывается внешним воздействием, т. е. напряжением той же полярности, что и коллектор (исток). Чем больше напряжение, тем дверь больше откроется. Перед дверью стоит очередь людей (носители заряда), которые хотят пробежать через неё (коллектор-эмиттер или исток-сток). Чем больше воздействие на дверь, тем больше она открыта, а значит, и больше пробежит людей.

Поэтому, представляя дверь в виде сопротивления перехода, можно сделать вывод: чем больше воздействие на базу (затвор), тем меньше сопротивление основным носителям заряда (людям) в случае прямой полярности. Если полярность поменяется (дверь закроется на замок), то никакого движения зарядов (людей) не будет.

До сих пор мы изучали радиоэлектронные компоненты, которые имеют только два вывода, такие как резисторы, конденсаторы, аккумуляторы, светодиоды и переключатели и так далее.

Транзисторы же имеют в своем составе три вывода. Транзисторы бывают разных типов, форм и размеров. По большей части, все они работают одинаково, лишь с небольшими отличиями в зависимости от типа.

Большую же часть всех транзисторов составляют биполярные и полевые транзисторы. В данной статье, для объяснения, того что такое транзистор и для чего нужен транзистор, в качестве примера мы будет использовать полевой (FET) транзистор, поскольку его работа более понятна и это знание более полезно. Почти все, что вы узнаете здесь, так же с успехом можно применить к биполярным транзисторам.

Условное обозначение транзисторов и внешний вид транзисторов

Ниже приведено условное обозначение транзистора на схеме, и несколько примеров того, как выглядит транзистор:

Полевой транзистор (FET)

Внешний вид транзисторов

Обратите внимание, что три вывода на схеме обозначены как G (Gate) — Затвор , S (Source) – Исток и D (Drain) — Сток.

Корпус транзисторов

На рисунке выше, изображены три разных типа корпуса транзисторов. Тип корпуса слева обозначается как ТО-92 , корпус посередине ТО-220 , и корпус справа именуется как транзистор в металлическом корпусе.

Что касается металлического корпуса, то он практически больше не применяется. Транзисторы малой и средней мощности выпускаются в корпусе ТО-92, в то время как мощные изготавливаются в ТО-220.

Ниже представлено наиболее распространенные сопоставления выводов полевого транзистора в корпусах ТО-92 и ТО-220.

Корпус ТО-92	Корпус ТО-220

Транзистор в качестве переключателя

Транзисторы можно рассматривать как электронные коммутаторы. Транзистор используется для включения различных устройств, таких как двигатели, фонари и так далее. Так же, как и выключатель света в комнате, транзистор может включать и выключать лампочку накаливания.

Это достаточно удобно, так как небольшой источник напряжения может быть использован для коммутации большого источника напряжения. Давайте рассмотрим это на простом примере с использованием обычной лампочкой.

На рисунке выше мы имеем транзистор, подключенный к лампочке и к двум различным источникам питания. Давайте сперва посмотрим на левую половину схемы:

• Минус низковольтной батареи подсоединен к истоку транзистора.
• Плюс низковольтной батареи подсоединен к затвору транзистора.

В этой конфигурации транзистор открыт. Вы можете видеть, как небольшой ток протекает через транзистор от затвора к истоку. Теперь давайте посмотрим на правую половину схемы:

• Минус высоковольтной батареи подсоединен к истоку транзистора.
• Плюс высоковольтной батареи подключен к одному из выводов лампочки.

Другой вывод лампочки подключен к стоку транзистора.

Поскольку транзистор открыт, то больший ток протекает через лампочку, далее через транзистор от стока к истоку. Если вы отключите низковольтную батарею от транзистора, то транзистор закроется, а лампочка погаснет.

Обратите внимание, что транзистор здесь работает в качестве ключа, включая и выключая лампочку под действием низковольтного напряжения.

Данная схема не особо полезна на практике. Однако, когда мы заменим низковольтную батарею другим источником напряжения, то транзисторный ключ становится намного интереснее.

Вместо того чтобы переключать транзистор с помощью низковольтной батареи, мы можем включать его и выключать с помощью других источников напряжения. В качестве примера приведем несколько источников сигнала, способных влиять на переключения транзистора:

• Микрофон, создающий переменный электрический сигнал в зависимости от уровня звука.
• Солнечная батарея, вырабатывающая постоянное напряжение при освещении ее поверхности.
• Датчик влажности.

Обратите внимание, что все перечисленные выше датчики реагирует на различные источники сигнала. Используя их слабое выходное напряжение можно управлять гораздо более мощным устройством.

Следующий пример применения транзистора

В данном примере мы имеем микрофон, соединенный с затвором полевого транзистора и лампу накаливания, подключенную к транзистору и повышенному источнику питания. Теперь при улавливании звука микрофоном, лампочка будет загораться. И чем громче будет звук, тем ярче будет светиться лампа.

Это происходит потому, что микрофон создает напряжение, поступающее на затвор полевого транзистора. При появлении сигнала на затворе происходит отпирание транзистора, в результате чего через транзистор начинает течь ток от стока к истоку.

Фактически, в этой схеме полевой транзистор играет роль усилителя сигнала. Для еще большего усиления можно использовать еще один транзистор.

Примечание: в этой схеме мы использовали громкоговоритель в качестве микрофона, так как динамик генерирует более сильное напряжение по сравнению с Электродинамическим микрофоном.

Данная схема аналогична предыдущей, только теперь вместо лампы подключен электродвигатель. Это позволяет управлять скоростью вращения электродвигателя силой звука поступающего в динамик.

Чем громче вы кричите в микрофон, тем быстрее двигатель будет вращаться.

Транзистор в режиме инвертора

До сих пор все наши примеры были основаны на включении нагрузки при подаче напряжения на затвор транзистора. Транзистор так же может работать и в инверсном режиме, это когда он проводит ток при отсутствии входного напряжения на затворе.

Рассмотрим данный режим работы транзистора на примере простой охранной сигнализации, издающей звук при обрыве тонкого провода охранного шлейфа.

Сперва, мы должны с типами полевых транзисторов. Все транзисторы бывают двух разных типов проводимости: P-канальный и N-канальный.

P-канальный Транзистор открыт при подаче напряжения на затвор

Транзистор заперт при подаче напряжения на затвор

Единственная разница в символьном обозначении является направление стрелки затвора.

До сих пор все наши примеры были связаны с полевым транзистором N-канальным. Транзисторы данного типа доминируют в радиоэлектронных схемах, поскольку они дешевле в производстве. Тем не менее, в следующем примере мы используем Р-канальный полевой транзистор.

Помните, что Р-канальный полевой транзистор находится в закрытом состоянии в тот момент, когда на его затворе находится управляющее напряжение. Поэтому, как видно из вышеприведенной схемы, звуковой генератор (buzzer) будет в выключенном состоянии до тех пор, пока провод цел. Как только провод будет разорван, напряжение на затворе пропадет, и транзистор начнет пропускать ток, и активирует звуковой генератор.

Пока охранный шлейф не оборван, основная аккумуляторная батарея бездействует и тем самым сохраняет свой заряд. В тоже время, для обеспечения напряжения на затворе транзистора необходимо ничтожно малый ток малой батареи, и ее хватит на очень длительный срок.

Мы так же можем оптимизировать данную схему и использовать всего один источник питания. Все, что мы должны сделать, это подключить охранный шлейф к затвору и плюсу большой батареи и исключить малую батарею.