Что такое транзистор и как он работает. Транзисторы: принцип работы, виды и применение в электронике

Что такое транзистор и как он работает. Какие бывают виды транзисторов. Для чего используются транзисторы в электронных устройствах. Каковы преимущества и недостатки разных типов транзисторов.

Что такое транзистор и как он устроен

Транзистор — это полупроводниковый прибор, имеющий три вывода и способный усиливать, генерировать и переключать электрические сигналы. Он состоит из полупроводникового кристалла с тремя областями, имеющими различную проводимость. Основные части транзистора:

• Эмиттер — электрод, инжектирующий носители заряда
• База — тонкий слой полупроводника между эмиттером и коллектором
• Коллектор — электрод, собирающий носители заряда

Принцип работы транзистора основан на управлении потоком носителей заряда в полупроводнике с помощью электрического поля. Небольшие изменения тока или напряжения между базой и эмиттером вызывают значительные изменения тока между эмиттером и коллектором.

Основные виды транзисторов

Существует два основных типа транзисторов:

Биполярные транзисторы

В биполярных транзисторах используются носители заряда обоих знаков — электроны и дырки. Они бывают двух видов:

• n-p-n — с двумя n-областями и одной p-областью
• p-n-p — с двумя p-областями и одной n-областью

Полевые транзисторы

В полевых транзисторах используются носители заряда только одного знака. Их основные виды:

• С управляющим p-n переходом
• С изолированным затвором (МОП-транзисторы)

Полевые транзисторы управляются электрическим полем, а не током, как биполярные.

Принцип работы биполярного транзистора

Как работает биполярный транзистор? Рассмотрим принцип на примере n-p-n транзистора:

1. При подаче небольшого положительного напряжения на базу относительно эмиттера открывается p-n переход база-эмиттер.
2. Электроны из эмиттера инжектируются в базу.
3. Большая часть электронов проходит через тонкий слой базы и попадает в коллектор под действием электрического поля коллекторного перехода.
4. Небольшие изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора.

Таким образом осуществляется усиление сигнала. Коэффициент усиления по току может достигать нескольких сотен.

Принцип работы полевого транзистора

Принцип работы полевого транзистора отличается от биполярного:

1. Ток протекает через канал между истоком и стоком.
2. Проводимость канала регулируется электрическим полем, создаваемым напряжением на затворе.
3. При увеличении напряжения на затворе канал расширяется, его сопротивление уменьшается.
4. При уменьшении напряжения канал сужается, сопротивление растет.

Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током между истоком и стоком. Входное сопротивление полевых транзисторов очень велико.

Основные характеристики транзисторов

Ключевыми параметрами, характеризующими работу транзисторов, являются:

• Коэффициент усиления по току
• Максимально допустимые токи и напряжения
• Входное и выходное сопротивление
• Граничная частота усиления
• Мощность рассеивания
• Температурные характеристики

Эти параметры определяют область применения конкретных типов транзисторов в электронных схемах.

Применение транзисторов в электронике

Благодаря своим свойствам транзисторы нашли широчайшее применение в электронике:

• Усилители сигналов (аудиоусилители, усилители радиочастоты)
• Генераторы электрических колебаний
• Электронные ключи и переключатели
• Стабилизаторы напряжения и тока
• Преобразователи сигналов
• Элементы цифровых и аналоговых интегральных микросхем

Транзисторы являются основой современной электроники и используются практически во всех электронных устройствах.

Преимущества и недостатки биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы имеют ряд достоинств и ограничений:

Преимущества:

• Высокий коэффициент усиления по току
• Работа при относительно больших токах
• Низкое выходное сопротивление
• Хорошая линейность характеристик

Недостатки:

• Относительно низкое входное сопротивление
• Зависимость параметров от температуры
• Ограниченное быстродействие на высоких частотах
• Необходимость отвода тепла при работе на больших мощностях

Эти особенности определяют области применения биполярных транзисторов в электронных устройствах.

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

Полевые транзисторы также имеют свои сильные и слабые стороны:

Преимущества:

• Очень высокое входное сопротивление
• Малый уровень шумов
• Высокое быстродействие
• Простота изготовления интегральных микросхем

Недостатки:

• Меньший коэффициент усиления по сравнению с биполярными
• Чувствительность к статическому электричеству
• Сложность получения линейной характеристики

Благодаря своим уникальным свойствам полевые транзисторы незаменимы во многих областях электроники, особенно в цифровых схемах.

Что такое транзистор и для чего он используется? • Оки Доки

Транзисторы — одно из самых важных изобретений 20-го века. Вы можете найти их почти в каждом электронном устройстве, от радиоприемников до телевизоров и компьютеров. Но что такое транзистор и как он работает?

Что такое транзистор?

Транзистор представляет собой электронное устройство с тремя выводами, которое усиливает или переключает электронные сигналы. Его основными компонентами являются два полупроводниковых материала, обычно кремний, с противоположными свойствами, известные как p-тип и n-тип.

Когда два материала соединяются вместе, они образуют барьер обедненного слоя. Этот слой действует как переключатель, позволяя электрическому току протекать или не протекать, в зависимости от напряжения, приложенного к третьему выводу, известному как затвор.

Программы для Windows, мобильные приложения, игры — ВСЁ БЕСПЛАТНО, в нашем закрытом телеграмм канале — Подписывайтесь:)

Транзисторы используются почти во всех электронных устройствах и являются важными компонентами интегральных схем или микросхем. Изобретенные в 1947 году Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли из Bell Laboratories, транзисторы произвели революцию в электронике, сделав возможными более компактные, дешевые и более надежные устройства.

Транзисторы состоят из трех основных частей:

Базовая клемма управляет потоком тока между двумя другими клеммами. Коллектор собирает ток, идущий от базы, а эмиттер излучает ток от коллектора.

Транзисторы могут работать как усилители или переключатели. Транзистор увеличивает ток, протекающий через него, когда используется в качестве усилителя. Транзисторы могут включать или выключать ток при использовании в качестве переключателя.

Как работает транзистор?

Принцип работы транзистора довольно прост. Когда ток не протекает через базу, транзистор находится в выключенном состоянии. Это означает, что через клеммы коллектора и эмиттера не может протекать ток.

Когда ток подается на базовую клемму, транзистор переходит в состояние «включено». Это позволяет току течь через клеммы коллектора и эмиттера. Величина тока, который может протекать через транзистор, зависит от величины, подаваемой на базовую клемму.

Что делают транзисторы? Применение транзисторов

Транзисторы используются в различных электронных устройствах и имеют широкий спектр применения.

Микросхемы памяти компьютера

Одним из наиболее распространенных применений транзисторов являются чипы компьютерной памяти. Эти чипы хранят информацию в виде электрических зарядов, а транзисторы действуют как крошечные переключатели, которые могут включать и выключать заряды. Это делает их идеальными для хранения данных, поскольку они могут хранить множество информации в компактном пространстве. Кроме того, они быстрые, что важно для компьютеров, которым необходимо быстро получать доступ к большим объемам данных.

Переключатели

Транзисторы часто используются в качестве переключателей, потому что они быстро включаются и выключаются. Это делает их идеальными для цифровых цепей, где они могут с большой точностью управлять потоком электричества.

Усилители

Еще одно применение транзисторов — усилители. Усилители берут слабый электрический сигнал и усиливают его, делая его сильнее. Первое коммерческое применение транзисторов было в слуховых аппаратах и ​​карманных радиоприемниках. Сегодня транзисторы используются для усиления звука во множестве приложений, таких как стереосистемы и усилители музыкальных инструментов.

Цифровые логические схемы

Транзисторы также используются в цифровых логических схемах. Цифровые логические схемы являются строительными блоками цифровой электроники, такой как компьютеры и сотовые телефоны. Эти схемы используют транзисторы для выполнения булевых логических операций, которые являются основой для всех цифровых вычислений.

Транзисторы — строительные блоки современной электроники

Мы прошли долгий путь с тех пор, как в 1947 году был изобретен первый транзистор. Сегодня транзисторы можно найти во всем, от сотовых телефонов до автомобилей, и они играют важную роль в нашей жизни.

Хотя вы можете не придавать им большого значения, транзисторы находятся за кулисами, следя за тем, чтобы ваш телефон звонил, ваша машина заводилась, а ваше любимое шоу шло по телевизору. Надеюсь, это помогло вам лучше понять один из самых фундаментальных компонентов всей электроники.

Программы для Windows, мобильные приложения, игры — ВСЁ БЕСПЛАТНО, в нашем закрытом телеграмм канале — Подписывайтесь:)

Полевой транзистор принцип работы для чайников

Транзисторами (transistors, англ.) называют полупроводниковые триоды у которых расположено три выхода. Их основным свойством является возможность посредством сравнительно низких входных сигналов осуществлять управление высоким током на выходах цепи.

Для радиодеталей, которые используются в современных сложных электроприборах, применяются полевые транзисторы. Благодаря свойствам этих элементов выполняется включение или выключение тока в электрических цепях печатных плат, или его усиление.

Что представляет собой полевой транзистор

Полевые транзисторы — это трех или четырех контактные устройства, в которых ток, идущий на два контакта может регулироваться посредством напряжения электрополя третьего контакта. на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. В результате этого подобные транзисторы называются полевыми.

Название расположенных на устройстве контактов и их функции:

• Истоки – контакты с входящим электрическим током, которые находится на участке n;
• Стоки – контакты с исходящим, обработанным током, которые находятся на участке n;
• Затворы – контакты, находящиеся на участке р, посредством изменения напряжения на котором, выполняется регулировка пропускной способности на устройстве.

Полевые транзисторы с n-p переходами – особые виды, позволяющие управлять током. От простых они, как правило, отличаются тем, через них протекает ток, без пересечения участка р-n переходов, участка который образуется на границах этих двух зон. Размеры р-n участка являются регулируемыми.

Что это такое

Полевой транзистор — это радиоэлемент полупроводникового типа. Он используется для усиления электросигнала. В любом цифровом приборе схема с полевым транзистором исполняет роль ключа, который управляет переключением логических элементов прибора. В этом случае использование ПТ является очень выгодным решением проблемы с точки зрения уменьшения размеров устройства и платы. Обусловлено это тем, что цепь управления радиокомпонентами требует не очень большой мощности, а значит, что на одном кристалле могут располагаться тысячи и десятки тысяч транзисторов.

Схема подключения электротранзистора полевого типа

Материалами, из которых делают полупроводниковые элементы и транзисторы в том числе, являются:

• Фосфид индия;
• Нитрид галлия;
• Арсенид галлия;
• Карбид кремния.

График области насыщения электротранзистора
Важно! Полевые транзисторы также называют униполярными, так как при протекания через них электротока используется только один вид носителей.

Виды полевых транзисторов

Полевой транзистор с n-р переходами подразделяется на несколько классов в зависимости:

1. От типа каналов проводников: n или р. Каналы воздействую на знаки, полярности, сигналы управления. Они должны быть противоположны по знакам n-участку.
2. От структуры приборов: диффузных, сплавных по р -n — переходам, с затворами Шоттки, тонкопленочными.
3. От общего числа контактов: могут быть трех или четырех контактными. Для четырех контактных приборов, подложки также являются затворами.
4. От используемых материалов: германия, кремния, арсенид галлия.

В свою очередь разделение классов происходит в зависимости от принципа работы транзистора:

• устройства под управлениями р-n переходов;
• устройства с изолированными затворами или с барьерами Шоттки.

Типы МОП-транзисторов

Униполярные транзисторы делятся на p-канальные или n-канальные. Они могут иметь:

Собственный (встроенный) канал. Без напряжения канал открыт. Для закрытия канала необходимо подать ток определенной полярности.

Индуцированный (инверсный) канал. При отсутствии приложенного электротока он закрыт. Для его открытия прикладывают напряжение нужной полярности. Для n-канальных транзисторов отпирающим является напряжение, положительное относительно истока. Его величина должна быть больше порогового значения, установленного для данного транзистора. Для p-канальных моделей отпирающим будет отрицательное относительно истока напряжение, приложенное к затвору.

Принцип работы полевого транзистора

Говоря простыми словами о том, как работает полевой транзистор для чайников с управляющими p-n переходами, стоит отметить: радиодетали состоят из двух участков: p-переходов и n-переходов. По участку n проходит электроток. Участок р является перекрывающей зоной, неким вентилем. Если оказывать определенное давление на нее, то она будет перекрывать участок и препятствовать прохождению тока. Либо, же наоборот, при снижении давления количество проходящего тока возрастет. В результате такого давления осуществляется увеличение напряжения на контактах затворов, находящихся на участке р.

Приборы с управляющими p-n канальными переходами — это полупроводниковые пластины, имеющие электропроводность с одним из данных типов. К торцевым сторонам пластин выполняется подсоединение контактов: стока и истока, в середину — контакты затвора. Принцип работы прибора основан на изменении пространственных толщин p-n переходов. Так как в запирающих областях практически отсутствуют подвижные носители заряда, их проводимость равняется нулю. В полупроводниковых пластинах, на участках которых не воздействует запирающий слой, создаются проводящие ток каналы. Если подается отрицательное напряжение в отношении истока, на затворе образуется поток, через который протекают носителя заряда.

Для изолированных затворов, характерно расположение на них тонкого слоя диэлектрика. Такое устройство работает по принципу электрических полей. Для его разрушения понадобится всего лишь небольшое электричество. В связи с этим, чтобы предотвратить статическое напряжение, которое может превышать 1000 В, необходимо создание специальных корпусов для приборов, которые минимизируют эффект от воздействия вирусных типов электричества.

МДП-транзисторы

В МДП-структурах затвор надежно изолирован от канала, управление происходит полностью за счет воздействия поля. Изоляция ведётся за счет оксида кремния или нитрида. Именно эти покрытия проще нанести на поверхности кристалла. Примечательно, что в этом случае также имеются переходы металл-полупроводник в районе истока и стока, как и в любом полярном транзисторе. Об этом факте забывают многие авторы, либо упоминают вскользь путем применения загадочного словосочетания омические контакты.

В теме про диод Шоттки поднимался этот вопрос. Не всегда на стыке металла и полупроводника возникает барьер. В некоторых случаях контакт омический. Это зависит по большей части от особенностей технологической обработки и геометрических размеров. Технические характеристики реальных приборов сильно зависят от различных дефектов оксидного (нитридного) слоя. Вот некоторые:

1. Несовершенство кристаллической решетки в поверхностной области обусловлено разорванными связями на границе смены материалов. Влияние оказывают как свободные атомы полупроводника, там и примесей наподобие кислорода, который имеется в любом случае. Например, при использовании методов эпитаксии. В результате появляются энергетические уровни, лежащие в глубине запрещенной зоны.
2. На границе оксида и полупроводника (толщиной 3 нм) образуется избыточный заряд, природа которого на сегодняшний день еще не объяснена. Предположительно, роль играют положительные свободные места (дырки) дефектных атомов самого полупроводника и кислорода.
3. Дрейф ионизированных атомов натрия, калия и других щелочных металлов происходит при низких напряжениях на электроде. Это увеличивает заряд, скопившийся на границе слоев. Для блокировки этого эффекта в оксиде кремния используют окись фосфора (ангидрид).

Объемный положительный заряд в оксиде влияет на значение порогового напряжения, при котором отпирается канал. Параметр обусловливает скорость переключения и определяет ток утечки (ниже порога). Вдобавок, на срабатывание влияют материал затвора, толщина оксидного слоя, концентрация примесей. Таким образом, результат опять сводится к технологии. Чтобы получить заданный режим, подбирают материалы, геометрические размеры, процесс изготовления с пониженными температурами. Отдельные приемы позволят также уменьшить количество дефектов, что благоприятно сказывается на снижении паразитного заряда.

Для чего нужен полевой транзистор

При рассмотрении работы сложных видов электротехники, стоит рассмотреть работу такого важного компонента интегральной схемы, как полевой транзистор. Основная задача от использования данного элемента заключается в пяти ключевых направлениях, в связи с чем транзистор применяется для:

1. Усиления высокой частоты.
2. Усиления низкой частоты.
3. Модуляции.
4. Усиления постоянного тока.
5. Ключевых устройств (выключателей).

В качестве простого примера работа транзистора-выключателя, может быть представлена как микрофон и лампочка в одной компановке. Благодаря микрофону улавливаются звуковые колебания, что влияет на появление электрического тока, поступающего на участок запертого устройства. Присутствие тока влияет на включение устройства и включение электрической цепи, к которой подключаются лампочки. Последние загораются после того как микрофон уловил звук, но горят они за счет источников питания не связанных с микрофоном и более мощных.

Модуляцию применяют с целью управления информационными сигналами. Сигналы управляют частотами колебаний. Модуляцию применяют для качественных звуковых радиосигналов, для передачи звуковых частот в телевизионные передачи, для трансляции цветовых изображений и телевизионных сигналов с высоким качеством. Модуляцию применяют повсеместно, где нужно проводить работу с высококачественными материалами.

Как усилители полевые транзисторы в упрощенном виде работают по такому принципу: графически любые сигналы, в частности, звукового ряда, могут быть представлены как ломаная линия, где ее длиной является временной промежуток, а высотой изломов – звуковая частотность. Чтобы усилить звук к радиодетали подается поток мощного напряжения, приобретаемого нужную частотность, но с более большим значением, из-за подачи слабых сигналов на управляющие контакты. Иначе говоря, благодаря устройству происходит пропорциональная перерисовка изначальной линии, но с более высоким пиковым значением.

Отличие униполярных транзисторов от биполярных

МОП-транзистор управляется электрополем, которое создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность прилагаемого напряжения определяется видом канала транзистора (p или n). В отличие униполярных биполярные транзисторы управляются электрическим током. Ток во всех типах этих полупроводников формируется двумя типами зарядов – электронами и дырками.

Полевые (униполярные) транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами в низкочастотном диапазоне. Это свойство обеспечивает их эффективную работу в звукоусилительных устройствах. MOSFET применяют в микросхемах низкочастотных усилителей в автомобильных проигрывателях.

Как применять полевой транзистор для чайников

Первыми приборами, которые поступили на рынок для реализации, и в которых были использованы полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, были слуховые аппараты. Их изобретение состоялось еще в пятидесятые годы XX века. В более крупным масштабах они применялись, как элементы для телефонных станций.

В наше время, применение подобных устройств можно увидеть во многих видах электротехники. При наличии маленьких размеров и большому перечню характеристик, полевые транзисторы встречаются в кухонных приборах (тостерах, чайниках, микроволновках), в устройстве компьютерной, аудио и видео техники и прочих электроприборах. Они используются для сигнализационных систем охраны пожарной безопасности.

На промышленных предприятиях транзисторное оборудование применяют для регуляции мощности на станках. В сфере транспорта их устанавливают в поезда и локомотивы, в системы впрыскивания топлива на личных авто. В жилищно-коммунальной сфере транзисторы позволяют следить за диспетчеризацией и системами управления уличного освещения.

Также самая востребованная область, в которой применяются транзисторы – изготовление комплектующих, используемых в процессорах. Устройство каждого процессора предусматривает множественные миниатюрные радиодетали, которые при повышении частоты более чем на 1,5 ГГц, нуждаются в усиленном потреблении энергии. В связи с этими разработчики процессорной техники решил создавать многоядерные оборудования, а не увеличивать тактовую частоту.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

Работа биполярных транзисторов основана на свойствах полупроводников и их сочетаний. Чтобы понять принцип действия триодов, разберёмся с поведением полупроводников в электрических цепях.

Полупроводники.

Некоторые кристаллы, такие как кремний, германий и др., являются диэлектриками. Но у них есть одна особенность – если добавить определённые примеси, то они становятся проводниками с особыми свойствами.

Одни добавки (доноры) приводят к появлению свободных электронов, а другие (акцепторы) – образуют «дырки».

Если, например, кремний легировать фосфором (донор), то получим полупроводник с избытком электронов (структура n-Si). При добавлении бора (акцептор) легированный кремний станет полупроводником с дырочной проводимостью (p-Si), то есть в его структуре будут преобладать положительно заряженные ионы.

Односторонняя проводимость.

Проведём мысленный эксперимент: соединим два разнотипных полупроводника с источником питания и подведём ток к нашей конструкции. Произойдёт нечто неожиданное. Если соединить отрицательный провод с кристаллом n-типа, то цепь замкнётся. Однако, когда мы поменяем полярность, то электричества в цепи не будет. Почему так происходит?

В результате соединения кристаллов с разными типами проводимости, между ними образуется область с p-n переходом. Часть электронов (носителей зарядов) из кристалла n-типа перетечёт в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинирует дырки в зоне контакта.

В результате возникают некомпенсированные заряды: в области n-типа – из отрицательных ионов, а в области p-типа из положительных. Разница потенциалов достигает величины от 0,3 до 0,6 В.

Связь между напряжением и концентрацией примесей можно выразить формулой:

φ= VT * ln (Nn * Np)/n2i, где

VT – величина термодинамического напряжения, Nn и Np – концентрация соответственно электронов и дырок, а ni обозначает собственную концентрацию.

При подсоединении плюса к p-проводнику, а минуса к полупроводнику n-типа, электрические заряды преодолеют барьер, так как их движение будет направлено против электрического поля внутри p-n перехода. В данном случае переход открыт. Но если полюса поменять местами, то переход будет закрыт. Отсюда вывод: p-n переход образует одностороннюю проводимость. Это свойство используется в конструкции диодов.

От диода к транзистору.

Усложним эксперимент. Добавим ещё одну прослойку между двумя полупроводниками с одноименными структурами. Например, между кремниевыми пластинами p-типа вставим прослойку проводимости (n-Si). Не трудно догадаться, что произойдёт в зонах соприкосновения. По аналогии с вышеописанным процессом образуются области с p-n переходами, которые заблокируют движение электрических зарядов между эмиттером и коллектором, причём независимо от полярности тока.

Самое интересное произойдёт тогда, когда мы приложим незначительное напряжение к прослойке (базе). В нашем случае, подадим ток с отрицательным знаком. Как и в случае с диодом, образуется цепь эмиттер-база, по которой потечёт ток. Одновременно прослойка начнёт насыщаться дырками, что приведёт к дырочной проводимости между эмиттером и коллектором.

Посмотрите на рисунок 7. На нём видно, что положительные ионы заполнили всё пространство нашей условной конструкции и теперь ничто не мешает проводимости тока. Мы получили наглядную модель биполярного транзистора структуры p-n-p.

Рис. 7. Принцип работы триода

При обесточивании базы транзистор очень быстро приходит в первоначальное состояние и коллекторный переход закрывается.

Устройство может работать и в усилительном режиме.

Ток коллектора связан прямой пропорциональностью с током базы: Iк = ß*IБ, где ß – коэффициент усиления по току, IБ – ток базы.

Если изменить величину управляющего тока, то изменится интенсивность образования дырок на базе, что повлечёт за собой пропорциональное изменение амплитуды выходного напряжения, с сохранением частоты сигнала. Этот принцип используют для усиления сигналов.

Подавая на базу слабые импульсы, на выходе мы получаем такую же частоту усиления, но со значительно большей амплитудой (задаётся величиной напряжения, приложенного к цепочке коллектор эмиттер).

Аналогичным образом работают npn транзисторы. Меняется только полярность напряжений. Устройства со структурой n-p-n обладают прямой проводимостью. Обратную проводимость имеют транзисторы p-n-p типа.

Остаётся добавить, что полупроводниковый кристалл подобным образом реагирует на ультрафиолетовый спектр света. Включая и отключая поток фотонов, или регулируя его интенсивность, можно управлять работой триода или менять сопротивление полупроводникового резистора.

Схемы включения биполярного транзистора

Схемотехники используют следующие схемы подключения: с общей базой, общими электродами эмиттера и включение с общим коллектором (Рис. 8).

Рис. 8. Схемы подключения биполярных транзисторов

Для усилителей с общей базой характерно:

• низкое входное сопротивление, которое не превышает 100 Ом;
• хорошие температурные свойства и частотные показатели триода;
• высокое допустимое напряжение;
• требуется два разных источника для питания.

Схемы с общим эмиттером обладают:

• высокими коэффициентами усиления по току и напряжению;
• низкие показатели усиления по мощности;
• инверсией выходного напряжения относительно входного.

При таком подключении достаточно одного источника питания.

Схема подключения по принципу «общий коллектор» обеспечивает:

• большое входное и незначительное выходное сопротивление;
• низкий коэффициент напряжения по усилению (< 1).

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

Использование полевых транзисторов благодаря их универсальным характеристикам позволило обойти другие виды транзисторов. Они широко применяются для интегральной схемы в качестве выключателя.

Достоинства:

• каскады детали расходуют малое количество энергии;
• показатели усиления превышают, значения других аналогичных устройств;
• достижение высокой помехоустойчивости осуществляется за счет того, что отсутствует ток в затворе;
• обладают более высокой скоростью включения и выключения, работают с недоступными для других транзисторов частотами.

Недостатки:

• менее устойчивы к высоким температурам, которые приводят к разрушению;
• на частотах более 1,5 ГГц, количество потребляемой энергии стремительно увеличивается;
• чувствительны к статическим видам электричества.

Благодаря характеристикам, которыми обладают полупроводниковые материалы, взятые в качестве основы для полевого транзистора, позволяют использовать устройство в бытовой и производственной сфере. Полевыми транзисторами оснащается различная бытовая техника, которая используется современным человеком.

Что такое транзистор?

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов некоторые виды полимеров, и даже углеродных нанотрубок. Видимо в скором будущем мы узнаем о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.

Раньше кристаллы полупроводника располагались в металлических корпусах в виде шляпок с тремя ножками. Такая конструкция была характерна для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских, в т. ч. кремниевых полупроводниковых приборов выполнены на основе легированного в определённых частях монокристалла. Они впрессованы в пластмассовые, металлостеклянные или металлокерамические корпуса. У некоторых из них имеются выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторы.

Электроды современных транзисторов расположены в один ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки плат. Выводы не маркируются на корпусах. Тип электрода определяется по справочникам или путём измерений.

Для транзисторов используют кристаллы полупроводников с разными структурами, типа p-n-p либо n-p-n. Они отличаются полярностью напряжения на электродах.

Схематически строение транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделённых дополнительным слоем. (Смотри рисунок 1). Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью полупроводникового триода.

Рис. 1. Строение транзисторов

На рисунке 1 схематически изображено строение биполярных триодов. Существуют ещё класс полевых транзисторов, о которых речь пойдёт ниже.

Базовый принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не протекает. Электрическому току препятствует сопротивление эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв. Для включения транзистора требуется подать незначительное напряжение на его базу.

На рисунке 2 показана схема, объясняющая принцип работы триода.

Рис. 2. Принцип работы

Управляя токами базы можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, то он изменит амплитуду выходных токов. При этом выходной сигнал точно повторит частоту колебаний на базовом электроде. Другими словами, произойдёт усиление поступившего на вход электрического сигнала.

Таким образом, полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

Работу устройства в режиме электронного ключа можно понять из рисунка 3.

Рис. 3. Триод в режиме ключа

Обозначение на схемах

Общепринятое обозначение: «VT» или «Q», после которых указывается позиционный индекс. Например, VT 3. На более ранних схемах можно встретить вышедшие из употребления обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ». Транзистор изображается в виде символических линий обозначающих соответствующие электроды, обведённые кружком или без такового. Направление тока в эмиттере указывает стрелка.

На рисунке 4 показана схема УНЧ, на которой транзисторы обозначены новым способом, а на рисунке 5 – схематические изображения разных типов полевых транзисторов.

Рис. 4. Пример схемы УНЧ на триодах

Однопереходные транзисторы

Существуют так называемые Однопереходные транзисторы, второе, менее распространённое название — Двухбазовый диод. Ниже приведены схематическое изображение и фото однопереходных транзисторов.

Схематическое изображение однопереходных транзисторов

Применяются однопереходные транзисторы, в устройствах автоматики и импульсной технике. А также находят применение в измерительных устройствах. Автор статьи —
AKV.
Форум по радиоэлементам

Что такое транзистор и как он работает?

Транзисторы являются ключевым компонентом современной электроники, они являются строительным блоком цифровой электроники и усилителей , а также многих других приложений. Они являются одним из самых важных электронных компонентов всех времен.

К сожалению, транзисторы часто преподаются в университетах очень плохо с упором на квантовую механику , вместо простых принципов физики, что портит красоту этих устройств, в этом посте вы увидите, что это абсолютно ненужно и, надеюсь, будет иметь большее представление о том, насколько удивительны транзисторы на самом деле.

Транзисторы представляют собой 3-контактный компонент и, как и диоды , также являются полупроводниками. В основном транзисторы используются для усиления и для переключения электронных сигналов.

Давайте посмотрим на то, что известно как BJT или транзистор с биполярным переходом , который выглядит, как показано ниже:

В приведенных выше B, C и E относятся к Base , Collector и Клеммы эмиттера соответственно. NPN обозначает тип транзистора BJT, мы обсудим все это в разделе ниже, посвященном действию транзистора — как работает транзистор.

Описание работы транзистора лучше всего начать с картинки! Ниже показана структура транзистора на полупроводниковом уровне:

Сверху видно, что транзистор состоит из 3 полупроводниковых частей , N , P и N . Подобно диодам, они относятся к полупроводникам, состоящим из легирован , и поэтому это N-тип, за которым следует P-тип, затем N-тип, соединенный вместе, отсюда и название NPN . Существует также конфигурация PNP . Пока мы показываем их немного разделенными, прежде чем показать, что происходит после соединения.

Напомним, что под N-типом мы просто подразумеваем примесь , добавленную в полупроводник, который имеет на больше электронов , чем атомы полупроводника.

Обратите внимание, также, что полупроводник P-типа намного тоньше , чем два других, это имеет основополагающее значение для действия транзистора , которое мы обсудим ниже.

На приведенной выше схеме показан транзистор с выводами Коллектор , База и Эмиттер клеммы. Обратите внимание, что секция Collector является самой широкой , за которой следует эмиттер, а затем база. База и коллектор, а также база и излучатель образуют два соединения PN .

В пересчете на допинг эмиттер является наиболее сильно легированным, за ним следует коллектор, а база слабо легирована .

Два p-n перехода подобны двум диодам. Можно сказать, что у нас есть диод коллектор-база и диод эмиттер-база. Диод эмиттер-база имеет прямое смещение , а диод коллектор-база — обратное смещение . Электронный поток показан ниже:

Так где же магия ? Магия в том, что подавляющее большинство электронов входят в эмиттер и проходят через в коллектор и только меньшинство рекомбинирует с отверстиями в тонком основании . Отсюда и названия, электроны испускаются из эмиттера и затем собираются коллектором . Почему это происходит? Из-за того, что база настолько узкая и более слабо легированная , подавляющее большинство электронов диффундирует через коллектор и не рекомбинирует с отверстиями в базе, и поэтому это является фундаментальной частью конструкции транзистора. . Более широкая ширина коллектора также играет в этом свою роль, но это больше, чем нам нужно знать о том, как все это работает, это действительно так просто!

С математической точки зрения обычно 95% тока эмиттера проходит через коллектор и 5% через базу. Это Transistor Action народ, малый ток базы и большой ток эмиттер/коллектор, если мы увеличим ток базы, то получим пропорциональный коэффициент усиления в коллекторе, т.е. наш ток базы усиливается.

Что касается операции переключения , если у нас нет напряжения базы-эмиттера около 0,7 В, то у нас есть ток не течет через коллектор и эмиттер, что аналогично разомкнутому переключателю, аналогично, если у нас есть напряжение базы-эмиттера около 0,7 В, то ток течет через коллектор и эмиттер, что аналогично замкнутому переключателю. Это позволяет нам включать/выключать светодиод, например, с выхода микроконтроллера.

Прежде чем мы закончим, никогда не забывайте, что это усиление исходит откуда-то из и что где-то напряжение подается на коллектор большая амплитуда на выходе, самый простой пример в аудио, на выходе у нас будет больший звуковой сигнал, который будет иметь большую громкость.

На курсе Analog Electronics мы подробно изучим усилители и даже создадим собственный высококачественный аудиоусилитель!

Что такое транзистор и как он работает?

Отказ от ответственности: Уважаемый читатель, возможно, на этой странице перечислены один или несколько партнерских продуктов. Если вы нажмете на ссылку и совершите покупку, я могу получить комиссию бесплатно для вас. Эти комиссионные помогают мне вести этот сайт. Узнать больше.

А транзистор — это полупроводниковый гаджет, используемый для усиления или переключения электронных сигналов и электроэнергии.

Изготовлен из цельного куска полупроводникового материала и состоит из трех клемм, подключенных к внешней цепи. Если вы подаете какое-либо напряжение на один конец транзистора, это меняет ток, протекающий через остальные выводы.

Транзисторы являются неотъемлемой частью современной электроники. Без изобретения транзисторов современная передовая электроника не достигла бы того, чем она является сегодня.

Транзисторы используют мощность для управления мощностью, и контролируемая мощность (выходная мощность) относительно намного больше, чем мощность управления (выходная мощность). Итак, транзисторы обеспечивают усиление сигнала.

В настоящее время промышленность производит транзисторы по отдельности или целиком вместе в ИС (интегральной схеме).

Содержание

История и открытие транзистора

Изобретатели транзистора Уолтер Браттейн, Джон Бардин и Уильям Шокли получили Нобелевскую премию по физике за свое революционное изобретение еще в 19 веке.56.

Трое физиков открыли «транзисторный эффект », соединив несколько слоев элемента германия (символ — « Ge ») с кремнием, а затем соединив их с помощью тока.

Трое физиков, вероятно, тогда не осознавали значимости своего открытия и помогали только FM-радио. Но в последующие годы изобретение транзистора проложило путь к развитию микроэлектроники.

Воздействие было настолько огромным, что с момента его открытия до сегодняшнего дня мы произвели и использовали почти секстиллион (один с двадцатью одним нулем, 100000000000000000000000) транзисторов.

Транзисторы принесли нам все, от радиоприемников до смартфонов. Через десять лет после его изобретения Гордон Мур предсказал, что вычислительная мощность транзисторов будет удваиваться каждые восемнадцать месяцев. Таким образом, американский ученый-компьютерщик и предприниматель сформулировал «первый закон Мура», который в последующие годы оказался точным и вошел в историю.

Однако транзисторы развивались очень быстро и использовались от радиоприемников до интегральных схем и логических элементов.

В 1970-х годах Intel представила новые технологии, такие как литография, первый в мире процессор и первая встроенная память. Они были основаны на кремниевых транзисторах. Но с годами с помощью ионной имплантации быстро росли скорость изготовления и качество транзисторов.

Каким будет будущее транзисторов?

Благодаря исследованиям и научному прогрессу у нас уже есть модель транзисторов с тремя затворами, известная как трехмерные транзисторы. Они будут намного более эффективными, имея меньшие размеры, меньшее потребление энергии и меньшее энергопотребление. Следовательно, мы можем предположить, что сверхпроводники станут будущим транзисторов.

Как работает транзистор?

Транзисторы спроектированы таким образом, чтобы они могли работать как усилитель или переключатель. Это делается с использованием небольшого количества электроэнергии. Благодаря этому электричеству ворота контролируются и обеспечивают больший запас электроэнергии. Процесс очень похож на клапан, контролирующий скорость и подачу воды.

Транзисторы состоят из трех частей: коллектора, базы и эмиттера. База контролирует подачу большего количества электричества, в то время как коллектор несет его к эмиттеру. Эмиттер является вентиляционным отверстием для этого большого источника электроэнергии. База регулирует и отправляет различные уровни тока и, таким образом, поддерживает величину тока, протекающего через затвор. Следовательно, небольшое количество тока необходимо только для поддержания и контроля огромного количества тока.

Точно такая же процедура реализована при создании двоичного кода для использования в цифровых процессорах. Хотя в этом случае для отпирания затвора коллектора используется пороговое напряжение в пять вольт. Именно так мы используем транзистор в качестве переключателя с двоичной функцией: «Переключатель включен, если напряжение питания составляет пять вольт, и переключатель выключен, когда напряжение питания меньше пяти вольт».

Типы транзисторов

Транзисторы в основном делятся на два основных типа в зависимости от конструкции. Эти два типа:

• Биполярные переходные транзисторы (BJT) и
• Полевые транзисторы (FET)

Есть еще несколько типов, которые мы увидим через минуту.

Независимо от того, к какой классификации принадлежит транзистор, каждый транзистор имеет определенное расположение различных типов полупроводников.

Наиболее широко используемыми полупроводниками для производства транзисторов являются германий, кремний и арсенид галлия.

BJT и FET отличаются друг от друга тем, что для работы биполярных транзисторов требуются как основные, так и неосновные носители заряда. Напротив, полевым транзисторам для работы требуется только большинство носителей заряда.

В зависимости от этих характеристик и свойств некоторые транзисторы используются для переключения (MOSFET), а остальные используются для усиления (BJT).

Однако некоторые определенные типы транзисторов можно использовать как для усиления, так и для переключения.

Существуют сотни типов транзисторов в зависимости от их конструкции и изготовления. Так что перечислить все это практически невозможно. Вот все популярные типы транзисторов, которые сейчас используются в промышленности.

Биполярный переходной транзистор

a) Схематическое обозначение PNP, (b) расположение (c) Схематическое обозначение NPN, (d) расположение. Источник

Транзисторы с биполярным переходом (BJT) иногда называют Переходные транзисторы . Термин «биполярный», включенный в название, относится к тому факту, что транзистору этого типа необходимы как электроны, так и дырки для проведения тока, а термин «переход» в названии относится к тому факту, что он содержит PN-переход (оба перехода). Транзисторы с биполярным соединением имеют три вывода или затвора, а именно. Эмиттер (E), база (B) и коллектор (C). Транзисторы BJT подразделяются на два разных типа транзисторов в зависимости от их конструкции. Этими двумя типами являются транзисторы NPN и транзисторы PNP.

1. NPN-транзисторы

NPN-транзистор назван так потому, что он содержит два полупроводниковых материала n-типа и один полупроводниковый материал p-типа. Слой полупроводника p-типа тонкий и разделяет два полупроводника n-типа. Поэтому в NPN-транзисторах электроны от эмиттера к коллектору несут большую часть заряда.

2. PNP-транзисторы

PNP-транзисторы содержат один полупроводниковый материал n-типа и два полупроводниковых материала p-типа, поэтому они называются PNP-транзисторами. Слой полупроводника n-типа тонкий и разделяет два полупроводниковых материала p-типа. В NPN-транзисторах большая часть заряда переносится дырками от эмиттера к коллектору, а электроны несут небольшой заряд.

Полевой транзистор

Полевой транзистор — еще один широко используемый тип транзистора. Как и транзисторы с биполярным переходом (BJT), полевые транзисторы также имеют три вывода. Они называются Ворота (G), Слив (D) и Источник (S). Эти транзисторы относятся к полевым транзисторам с переходом (JFET) и полевым транзисторам с изолированным затвором (IG-FET) или полевым транзисторам на основе оксидов металлов (MOSFET).

Другая четвертая клемма также используется для подключения к цепи, называемой Базой или Подложкой. Полевые транзисторы могут регулировать и изменять форму и размер канала между истоком (S) и стоком (D), и это делается путем подачи напряжения на клемму затвора (G).

Полевой транзистор с переходом

Полевые транзисторы с переходом (JFET), вероятно, являются самыми простыми и первыми полевыми транзисторами. Они используются в качестве усилителей, резисторов и переключателей и являются устройствами, управляемыми напряжением. Для работы JEFT не требуется базовый ток. Транзисторы с эффектом перехода также можно разделить на два основных подтипа, а именно. N-канал и P-канал.

Источник

N-канальные полевые транзисторы

N-канальные JEFT работают благодаря потоку электронов. Канал образуется в транзисторе при подаче напряжения между затвором (G) и истоком (S).

P-канальные полевые транзисторы

P-канальные JEFT работают за счет потока дырок. В транзисторе образуется канал, когда между стоком (D) и истоком (S) подается напряжение.

Полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника

Источник

Полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника (MOSFET) является самый известный транзистор и наиболее широко используемый в современной промышленности.

Затворная часть транзистора и канал имеют между собой тонкий слой оксида металла (обычно SiO2). Следовательно, MOSFET также называют полевыми транзисторами с изолированным затвором , поскольку затвор имеет изоляцию от другой области.

Кроме того, этот транзистор имеет дополнительную клемму, называемую корпусом или подложкой, и это самый важный полупроводник (кремний), из которого изготовлен полевой транзистор. Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы настолько популярны в настоящее время из-за их низкого выходного импеданса и высокого входного импеданса.

Мохамед М. Аталла и Давон Канг изобрели МОП-транзистор в 1959 году.

Мы можем классифицировать МОП-транзистор как транзисторы с N-каналом и транзисторы с каналом P.

Применение и использование транзисторов

• Транзисторы наиболее широко используются в качестве переключателей и усилителей.
МОП-транзисторы с двойным затвором
• используются в ВЧ-смесителях/умножителях и ВЧ-усилителях, где необходимы два управляемых затвора, и мы соединяем их последовательно.
Лавинные транзисторы
• используются для преобразования больших токов с временем перехода в наносекунды, а иногда и меньше.
Транзисторы
• , работающие как переключатели, используются для изготовления карт памяти для мобильных телефонов.
Биполярные транзисторы с гетеропереходом
• (HBT) используются в микроволновой связи, поскольку они обеспечивают высокую скорость переключения и могут принимать сигналы различных частот.
Биполярные транзисторы с изолированным затвором
• (IGBT) используются в качестве переключателей в таких устройствах, как поезда, электромобили, холодильники, кондиционеры и многое другое.

Что ждет транзисторы дальше?

С развитием науки появилось гораздо больше транзисторов, которые широко используются во всех областях науки и техники.