Для чего нужны транзисторы и как они работают

Для чего нужны транзисторы и как они работают

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

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

Триод – это та деталь, у которой три контакта.

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

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

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

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

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

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

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

Полевые транзисторы

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

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

При помощи полупроводников можно изготовить p-n переход.

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

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

Так выглядит состав полевого транзистора с каналом p – типа.

А вот так с n – типом.

Канал транзистора – это область между истоком и стоком.

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

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

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

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

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

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

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

Биполярные транзисторы

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

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

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

Бывают биполярные транзисторы n-p-n типа.

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

Отличие биполярных транзисторов от полевых

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

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

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

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

Схемы включения

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

Этот тип включения позволяет передать максимум мощности в нагрузку.

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

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

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

Другие типы транзисторов

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

Транзистор — полупроводниковый элемент, устройство. Как транзистор работает, из чего состоит, для чего нужен?

Транзистор (transistor) – полупроводниковый элемент с тремя выводами (обычно), на один из которых (коллектор) подаётся сильный ток, а на другой (база) подаётся слабый (управляющий ток). При определённой силе управляющего тока, как бы «открывается клапан» и ток с коллектора начинает течь на третий вывод (эмиттер).

То есть транзистор – это своеобразный клапан, который при определённой силе тока, резко уменьшает сопротивление и пускает ток дальше (с коллектора на эмиттер). Происходит это потому, что при определенных условиях, дырки имеющие электрон, теряют его принимая новый и так по кругу. Если к базе не прилагать электрический ток, то транзистор будет находиться в уравновешенном состоянии и не пропускать ток на эмиттер.

В современных электронных чипах, количество транзисторов исчисляется миллиардами. Используются они преимущественно для вычислений и состоят из сложных связей.

Полупроводниковые материалы, преимущественно применяемые в транзисторах это: кремний, арсенид галлия и германий. Также существуют транзисторы на углеродных нанотрубках, прозрачные для дисплеев LCD и полимерные (наиболее перспективные).

Разновидности транзисторов:

Биполярные – транзисторы в которых носителями зарядов могут быть как электроны, так и «дырки». Ток может течь, как в сторону эмиттера, так и в сторону коллектора. Для управления потоком применяются определённые токи управления.

Полевые транзисторы – распротранёные устройства в которых управление электрическим потоком происходит посредством электрического поля. То есть когда образуется большее поле – больше электронов захватываются им и не могут передать заряды дальше. То есть это своеобразный вентиль, который может менять количество передаваемого заряда (если полевой транзистор с управляемым p — n —переходом). Отличительной особенностью данных транзисторов являются высокое входное напряжение и высокий коэффи­циент усиления по напряжению.

Комбинированные – транзисторы с совмещёнными резисторами, либо другими транзисторами в одном корпусе. Служат для различных целей, но в основном для повышения коэффициента усиления по току.

Подтипы:

Био-транзисторы – основаны на биологических полимерах, которые можно использовать в медицине, биотехнике без вреда для живых организмов. Проводились исследования на основе металлопротеинов, хлорофилла А (полученного из шпината), вируса табачной мозаики.

Одноэлектронные транзисторы – впервые были созданы российскими учёными в 1996 году. Могли работать при комнатной температуре в отличии от предшественников. Принцип работы схож с полевым транзистором, но более тонкий. Передатчиком сигнала является один или несколько электронов. Данный транзистор также называют нано- и квантовый транзистор. С помощью данной технологии, в будущем рассчитывают создавать транзисторы с размером меньше 10 нм, на основе графена.

Для чего используются транзисторы?

Используются транзисторы в усилительных схемах, лампах, электродвигателях и других приборах где необходимо быстрое изменение силы тока или положение вклвыкл. Транзистор умеет ограничивать силу тока либо плавно, либо методом импульс—пауза. Второй чаще используется для ШИМ-управления. Используя мощный источник питания, он проводит его через себя, регулируя слабым током.

Если силы тока недостаточно для включения цепи транзистора, то используются несколько транзисторов с большей чувствительностью, соединённые каскадным способом.

Мощные транзисторы соединённые в один или несколько корпусов, используются в полностью цифровых усилителях на основе ЦАП. Часто им требуется дополнительное охлаждение. В большинстве схем, они работают в режиме ключа (в режиме переключателя).

Применяются транзисторы также в системах питания, как цифровых, так и аналоговых (материнские платы, видеокарты, блоки питания & etc ).

Центральные процессоры, микроконтроллёры и SOC тоже состоят из миллионов и миллиардов транзисторов, соединённых в определённом порядке для специализированных вычислений.

Каждая группа транзисторов, определённым образом кодирует сигнал и передаёт его дальше на обработку. Все виды ОЗУ и ПЗУ памяти, тоже состоят из транзисторов.

Все достижения микроэлектроники были бы практически невозможны без изобретения и использования транзисторов. Трудно представить хоть один электронный прибор без хотя бы одного транзистора.

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.

Как считают транзисторы

Тран­зи­сто­ры соеди­не­ны таким хит­рым обра­зом, что, когда на них пода­ёт­ся ток в нуж­ных местах, они выда­ют ток в дру­гих нуж­ных местах. И всё вме­сте про­из­во­дит впе­чат­ле­ние полез­ной для чело­ве­ка мате­ма­ти­че­ской опе­ра­ции.

Пока что не будем думать, как имен­но соеди­не­ны тран­зи­сто­ры. Про­сто посмот­рим на прин­цип.

Допу­стим, нам надо сло­жить чис­ла 4 и 7. Нам, людям, оче­вид­но, что резуль­тат будет 11. Зако­ди­ру­ем эти три чис­ла в дво­ич­ной систе­ме:

Деся­тич­ная	Дво­ич­ная
4	0100
7	0111
11	1011

Теперь пред­ста­вим, что мы собра­ли некую маши­ну, кото­рая полу­чи­ла точ­но такой же резуль­тат: мы с одной сто­ро­ны пода­ли ей ток на вхо­ды, кото­рые соот­вет­ству­ют пер­во­му сла­га­е­мо­му; с дру­гой сто­ро­ны — пода­ли ток на вхо­ды вто­ро­го сла­га­е­мо­го; а на выхо­де под­све­ти­лись выхо­ды, кото­рые соот­вет­ство­ва­ли сум­ме.

Смот­ри­те, что тут про­ис­хо­дит: есть восемь вхо­дов и четы­ре выхо­да. На вхо­ды пода­ет­ся элек­три­че­ство. Это про­сто элек­три­че­ство, оно не зна­ет, что оно обо­зна­ча­ет чис­ла. Но мы, люди, зна­ем, что мы в этом элек­три­че­стве зашиф­ро­ва­ли чис­ла.

Так же на выхо­де: элек­три­че­ство при­шло на какие-то кон­так­ты. Мы как-то на них посмот­ре­ли и уви­де­ли, что эти кон­так­ты соот­вет­ству­ют какому-то чис­лу. Мы дела­ем вывод, что эта про­стей­шая маши­на сло­жи­ла два чис­ла. Хотя на самом деле она про­сто хит­рым обра­зом пере­ме­ша­ла элек­три­че­ство.

Вот про­стей­ший при­мер ком­пью­те­ра, собран­но­го на тран­зи­сто­рах. Он скла­ды­ва­ет два чис­ла от 0 до 15 и состо­ит толь­ко из тран­зи­сто­ров, рези­сто­ров (что­бы не спа­лить) и вся­ких вспо­мо­га­тель­ных дета­лей типа бата­рей­ки, выклю­ча­те­лей и лам­по­чек. Мож­но сра­зу посмот­реть кон­цов­ку, как он рабо­та­ет:

Вот ров­но это, толь­ко в мил­ли­ард раз слож­нее, и про­ис­хо­дит в наших ком­пью­те­рах.

Что мы зна­ем на этом эта­пе:

1. Тран­зи­сто­ры — это про­сто «кра­ны» для элек­три­че­ства.
2. Если их хит­рым обра­зом соеди­нить, то они будут сме­ши­вать элек­три­че­ство полез­ным для чело­ве­ка обра­зом.
3. Все ком­пью­тер­ные вычис­ле­ния осно­ва­ны на том, что­бы пра­виль­но соеди­нить и очень плот­но упа­ко­вать тран­зи­сто­ры.

В сле­ду­ю­щей части раз­бе­рем, как имен­но соеди­не­ны эти тран­зи­сто­ры и что им поз­во­ля­ет так инте­рес­но всё счи­тать.

Полевые и биполярные транзисторы

По технологии изготовления транзисторы подразделяются на два типа: полевые и биполярные. Биполярные в свою очередь делятся по проводимости на n-p-n – транзисторы обратной проводимости, и p-n-p – транзисторы прямой проводимости. Полевые транзисторы бывают, соответственно, с каналом n-типа и p-типа. Затвор полевого транзистора может быть изолированным (IGBT-транзисторы) или в виде p-n-перехода. IGBT-транзисторы бывают со встроенным каналом или с индуцированным каналом.

Виды транзисторов, p –n–p и n–p–n проводимость

Области применения транзисторов определяются их характеристиками, а работать транзисторы могут в двух режимах: в ключевом или в усилительном. В первом случае транзистор в процессе работы или полностью открыт или полностью закрыт, что позволяет управлять питанием значительных нагрузок, используя малый ток для управления. А в усилительном, или по-другому — в динамическом режиме, используется свойство транзистора изменять выходной сигнал при малом изменении входного, управляющего сигнала. Далее рассмотрим примеры различных транзисторов.

2N3055 – биполярный n-p-n-транзистор в корпусе ТО-3

Популярен в качестве элемента выходных каскадов высококачественных звуковых усилителей, где он работает в динамическом режиме. Как правило, используется совместно с комплементарным p-n-p собратом MJ2955. Данный транзистор может работать и в ключевом режиме, например в трансформаторных НЧ инверторах 12 на 220 вольт 50 Гц, пара 2n3055 управляет двухтактным преобразователем.

Примечательно, что напряжение коллектор-эмиттер для данного транзистора в процессе работы может достигать 70 вольт, а ток 15 ампер. Корпус ТО-3 позволяет удобно закрепить его на радиатор в случае необходимости. Статический коэффициент передачи тока — от 15 до 70, этого достаточно для эффективного управления даже мощными нагрузками, при том, что база транзистора выдерживает ток до 7 ампер. Данный транзистор может работать на частотах до 3 МГц.

КТ315 — легенда среди отечественных биполярных транзисторов малой мощности

Данный транзистор n-p-n – типа впервые увидел свет 1967 году, и по сей день пользуется популярностью в радиолюбительской среде. Комплементарной парой к нему является КТ361. Идеален для динамических и ключевых режимов в схемах малой мощности.

При максимально допустимом напряжении коллектор-эмиттер 60 вольт, этот высокочастотный транзистор способен пропускать через себя ток до 100 мА, а граничная частота у него не менее 250 МГц. Коэффициент передачи тока достигает 350, при том, что ток базы ограничен 50 мА.

Изначально транзистор выпускался только в пластмассовом корпусе KT-13, 7 мм в ширину и 6 мм высотой, но в последнее время можно его встретить и в корпусе ТО-92.

КП501 — полевой n-канальный транзистор малой мощности с изолированным затвором

Имеет обогащенный n-канал, сопротивление которого составляет от 10 до 15 Ом, в зависимости от модификации (А,Б,В). Предназначен данный транзистор, как его позиционирует производитель, для использования в аппаратуре связи, в телефонных аппаратах и другой радиоэлектронной аппаратуре.

Этот транзистор можно назвать сигнальным. Небольшой корпус ТО-92, максимальное напряжение сток-исток — до 240 вольт, максимальный ток стока — до 180 мА. Емкость затвора менее 100 пф. Особенно примечательно то, что пороговое напряжение затвора составляет от 1 до 3 вольт, что позволяет реализовать управление с очень-очень малыми затратами. Идеален в качестве преобразователя уровней сигналов.

irf3205 – n-канальный полевой транзистор, изготовленный по технологии HEXFET

Популярен в качестве силового ключа для повышающих высокочастотных инверторов, например автомобильных. Посредством параллельного включения нескольких корпусов представляется возможность построения преобразователей, рассчитанных на значительные токи.

Максимальный ток для одного такого транзистора достигает 75А (ограничение вносит конструкция корпуса ТО-220), а максимальное напряжение сток-исток составляет 55 вольт. Сопротивление канала при этом всего 8 мОм. Емкость затвора в 3250 пф требует применения мощного драйвера для управления на высоких частотах, но сегодня это не является проблемой.

FGA25N120ANTD мощный биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT-транзистор)

Способен выдержать напряжение сток-исток 1200 вольт, максимальный ток стока составляет 50 ампер. Особенность изготовления современных IGBT-транзисторов такого уровня позволяет отнести их к классу высоковольтных.

Область применения — силовые преобразователи инверторного типа, такие как индукционные нагреватели, сварочные аппараты и другие высокочастотные преобразователи, рассчитанные на питание высоким напряжением. Идеален для мощных мостовых и полумостовых резонансных преобразователей, а также для работы в условиях жесткого переключения, имеется встроенный высокоскоростной диод.

Базовая структура

Корпус, изоляция, полупроводниковый кристалл, металлические выводы — вот из чего состоит транзистор. Различное легирование полупроводника позволяет создать два типа его структуры:

• p-тип;
• n-тип.

Сам кристалл представляет собой бутерброд из этих двух типов, расположенных так, что два одинаковых слоя сэндвича содержат между собой противоположные. В зависимости от их комбинации транзистор называют либо типом p-n-p, либо n-p-n. Названия трёх выводов, соединённых с соответствующими слоями, являются общими для всех видов биполярных и полевых транзисторов соответственно и отражают их назначение (в скобках указаны термины, применяемые в отношении полевых):

• база (затвор);
• коллектор (сток);
• эмиттер (исток).

База (затвор) принимает слабый управляющий сигнал, а сильный коллекторный ток (от истока к стоку) протекает между двумя другими контактами. Последний меняется в зависимости от тока базы. Внешне транзистор выглядит как радиоэлектронный компонент с тремя выводами.

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.

Устройство транзисторов

Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный. В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), каждая из которых имеет свой вывод.

• Б – база, очень тонкий внутренний слой;
• Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;
• К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

• n-типа — носителями зарядов являются электроны.
• p-типа — носители зарядов – положительно заряженные «дырки».

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p.

Важные параметры полевых транзисторов.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются отношением приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения затвор — исток, т. е.

Это отношение принято называть крутизной прибора, а по сути дела оно является передаточной проводимостью и измеряется в миллиамперах на вольт(мА /В).

Другие важнейшие параметры полевых транзисторов приведены ниже:
1. I_Dmax — максимальный ток стока.

2.U_DSmax — максимальное напряжение сток-исток.

3.U_GSmax — максимальное напряжение затвор-исток.

4.Р_Dmax — максимальна мощность, которая может выделяться на приборе.

5.t_on — типовое время нарастания тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

6.t_off — типовое время спада тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

7.R_DS(on)max — максимальное значение сопротивления исток — сток в включенном(открытом) состоянии.

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».