Для чего транзистор: Эта страница ещё не существует

Содержание

Для чего служит транзистор

Предлагаю тебе, мой уважаемый начинающий электронщик, прочесть эту статью, в которой я описал, пожалуй, самый основной из существующих электронных компонентов — транзистор.

Изобретение транзистора в ХХ веке по праву является одним из значимых событий, транзистор как электронный компонент пришел на смену электронным лампам. Электронные лампы на тот период времени, безраздельно служили во всех радиоэлектронных устройствах, при этом электронные лампы имели множество недостатков. Одним из самых значительных недостатков была их большая потребляемая мощность, так – же лампы имели очень большой вес и габариты, но при этом не отличались механической прочностью. Электронная аппаратура становилась все сложнее, большое количество электронных ламп требовало большего потребления энергии, возросло количество отказов техники — к примеру вычислительные машины (компьютеры того времени) собранные на лампах, могли работать без поломок лишь считанные минуты, а габариты этих “компьютеров” были таковы, что занимали целый многоэтажный дом.

Полупроводниковый транзистор лишен всех тех недостатков которые присущи электронным лампам и во многом превосходит их. Низкое энергопотребление, малый вес и размер, а механическая прочность такова, что если сбросить современный транзистор с высоты 10го этажа с ним ничего не случится.

Первый транзистор разработали ученые – физики У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтен, в 1956 году они были удостоены нобелевской премии. Теперь эти имена известны всему миру.

И так, давай поближе познакомимся с этим замечательным электронным компонентом.

Биполярный транзистор

Устройство биполярного транзистора.

Транзистор это — электронный прибор, корпус которого выполнен из металла или пластика. В корпусе находится кристалл кремния, который обработан специальным образом. Этот кристалл состоит из трех частей — коллектор, эмиттер, база, к ним подключены электроды которые выведены из корпуса транзистора. Рассмотрим условное обозначение транзистора, очень напоминает диод, (особенно выделенная часть). В принципе, транзистор, с натяжкой можно назвать диодом, так как транзистор тоже является полупроводником, но у транзистора есть дополнительный элемент – “база”.

База расположена между коллектором и эмиттером и является преградой для прохождения напряжения. Для того чтобы транзистор мог выполнять возложенные на него обязанности необходимо “активировать” базу, после чего транзистор будет работать как ключевой элемент, как усилитель тока, или напряжения.

Принцип работы транзистора.

Обычно в специальной литературе и интернет сайтах, описание работы транзистора сводится к разжевыванию теории электронно — дырочного перехода, диффузии и прочей нудной теории. Думаю, если бы мне, когда я только начинал увлекаться радиоэлектроникой, таким образом объяснили принцип работы транзистора, забросил бы я это дело и пошел с пацанами делать самопалы и пугачи, ну или в худшем случае в авиомодельный кружок). Но к счастью для меня в радиокружках того времени работали люди которые умели так преподать теорию, что было понятно и не напряжно. Постараюсь и я, все объяснить в простой и доступной форме.

И так, биполярные транзисторы бывают двух типов PNP транзистор и NPN транзистор еще их называют — “прямой” и “обратный” транзистор. P-N-P – это прямой транзистор (легко запомнить, первая буква Р -соответственно прямой), N-Р-N – обратный.

На схеме обозначаются:

Рассмотрим схему работы транзистора в ключевом режиме.

Транзистор типа N-P-N, на коллектор транзистора подан (+V) напряжение для питания лампочки накаливания, лампочка не будет светиться так как напряжение через транзистор не проходит в таком случае говорят транзистор “закрыт”. Для того чтобы транзистор “открылся” на базу транзистора так же необходимо подать напряжение (+Vбазы). Напряжение +Vбазы (зеленые стрелки), пройдет через выключатель К1, резистор R1, через базу на эмиттер и с эмиттера на минус источника питания. Транзистор откроется, напряжение +V (красные стрелки), пройдет через лампочку, коллектор и базу на эмиттер транзистора и с эмиттера на –V источника питания, цепь “замкнется” и лампочка будет светиться.


В этом примере транзистор работает как ключ, открывает и закрывает прохождение электрического тока.

Теперь рассмотрим работу в ключевом режиме транзистора типа P-N-P.

В этом случае, наша схема будет отличаться тем что, отрицательное напряжение питания подается через лампочку на коллектор, а плюс источника подключен к эмиттеру транзистора, на базу нужно подавать отрицательное напряжение –Vб. Отпирающее напряжение (зеленые стрелки) плюса источника питания через эмиттер через базу VT, резистор R1, выключатель пройдет на минус источника питания и транзистор откроется. Плюс источника питания (красные стрелки) через эмиттер, базу проходит на коллектор и через лапочку накаливания на минус питания, лампочка будет светиться.

Запомни простую истину – обратный транзистор открывается подачей положительного напряжения на базу, прямой отрицательного. Еще проще – обратный транзистор открывается плюсом, прямой минусом. Плюс питания у обратного транзистора подается на коллектор а минус на эмиттер, у прямого наоборот, минус на коллекторе плюс на эмиттере.

Соответственно ток в обратном транзисторе течет от коллектора к эмиттеру в прямом транзисторе от эмиттера к коллектору.

Где можно применить работу транзистора в ключевом режиме?

Главное достоинство транзистора заключается еще и в том, что подавая на базу совсем небольшое напряжение всего в несколько десятков вольта, можно коммутировать мощные исполнительные устройства, например, вместо лампочки можно поставить реле, и оно будет своими контактами включать мощный электромотор тем самым используя низкое напряжение управления мы обеспечиваем безопасность человека.

Еще один пример.

На схеме изображен N-P-N транзистор в базу которого включен переменный резистор R1, при помощи этого резистора можно плавно изменять величину напряжения приложенного к базе транзистора. Перемещая ползунок резистора (вывод со стрелочкой) ближе к плюсу источника питания (в верх по схеме) мы тем самым будем увеличивать сопротивление резистора R1, соответственно величина напряжения на базе транзистора уменьшится, транзистор закроется, если ползунок перемещать в противоположную сторону, напряжение на базе увеличится.

Ты догадался, что будет происходить с лампочкой? Очень надеюсь, что догадался, зря я что ли уже столько букв написал). Да, лампочка будет изменять интенсивность свечения. Чем больше напряжение на базе транзистора, тем ярче будет светиться лампочка. Эту схему можно с успехом применить, для регулировки свечения лампочки ручного фонарика).

Теперь разберемся с работой транзистора в режиме усиления.

Транзистор может работать не только как ключевой элемент, но и как усилитель тока, напряжения или того и другого одновременно. Существует несколько способов включения транзистора – это с общим коллектором, общей базой, и общим эмиттером. Схема с общим эмиттером получила наибольшее применение поэтому ее и рассмотрим.

Схема с транзистором работающем в режиме усиления, более сложная чем ключевая, но тем не менее разобраться с принципом ее работы не так сложно.

В ключевом режиме транзистор находится в режиме отсечки (закрыт) или в режиме насыщения (открыт) для того чтобы транзистор работал как усилитель его нужно заставить работать в “пограничном” режиме между отсечкой и насыщением.

Помнишь, мы регулировали свечение лампочки, изменяя напряжение на базе транзистора при помощи переменного сопротивления (потенциометра). Когда лампочка горела в пол накала это и был “пограничный” режим, или если говорить другими (умными словами), мы задавали смещение на базу транзистора. Идем дальше. Допустим ты решил услышать, о чем говорят твои рыбки в аквариуме :), нашел подводный микрофон и поместил его к рыбкам, но микрофон выдает очень слабый сигнал и если подключить к нему наушники ничего не услышишь. Значит нужно усилить сигнал чтобы он был достаточной силы.

Схема усилителя. На этой схеме, различных электронных компонентов значительно больше чем в схеме где транзистор работает как ключ, но если ты читал мои предыдущие статьи в рубрике электроника для начинающих , ты знаешь, что такое электролитический конденсатор.

В схеме усилителя резистор R1 является самым главным, он задает ток смещения на базе Т1 чтобы отпереть транзистор, вывести его из режима отсечки в активный режим, или иными словами задать базовый ток.

От того, какой номинал (величину сопротивления) резистора мы будем использовать, будет зависеть сила тока, который потечет через цепь +Uпит – R1 — база — эмиттер и на минус источника питания. Задавая нужный базовый ток резистором R1, мы выбираем режим работы нашего усилителя, при котором сигнал с микрофона не будет больше режима насыщения и отсечки, а будет примерно в середине активного режима транзистора. Микрофон выдает сигнала который представляет собой переменный ток, надеюсь ты уже знаешь, что переменный ток имеет как положительную, так и отрицательную полярность, соответственно на базу транзистора будет подаваться либо (+) либо (–) в зависимости от этого транзистор будет больше открываться или наоборот закрываться. Следовательно, напряжение на коллекторе в точке подключения конденсатора С2 так же будет меняться и на входе конденсатора С2 ты получишь копию входного микрофонного сигнала, только многократно усиленную.

Ведь на вход усилителя, мы подаем с микрофона очень маленькое напряжение, измеряемое в микровольтах, а на коллекторе транзистора, пульсация напряжения будет в несколько Вольт, теперь можно подключить наушники и услышать рыбок :).

Конечно, эту схему усилителя собирать не стоит, так как она имеет некоторые недостатки, но, как пример работы транзистора в качестве усилителя, очень даже годится. Теперь ты знаешь, как работает транзистор – это НЕ сложно!

Новости Высоких Технологий

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 — nпереходом). 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 импульспауза. 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.

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.

Области применения транзисторов - изобретение транзистора

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Существует два основных типа транзисторов: биполярные, и полевые. В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом  (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов различаются по областям применения. биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

Транзисторы можно применять не только в схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

 Основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

По виду выполняемой функции (целевому назначению) транзисторы можно разделить на усилительные, переключательные и генераторные.

Общими для расчетов усилителей на транзисторах (постоянного тока, низкой частоты, промежуточной частоты, высокой частоты и др.) являются входное и вы­ходное сопротивления каскада, соотношения, определяющие усиление, частотные свойства, режимы работы, температурная стабильность и прочие показатели.

В соответствии с назначением различают каскады предварительного усиления (напряжения, тока или мощности), предназначенные для получения максимального усиления (обычно по резисториой или трансформаторной схемам), и каскады усиле­ния мощности, обеспечивающие на заданной нагрузке необходимую (выходную) мощность при минимальных искажениях и мощности потребления от источника пи­тания.

В усилителях, имеющих хорошую температурную и режимную стабилизацию, замена транзистора на однотипный с более высоким значением h3is обычно не при­водит к значительному увеличению тока коллектора в рабочей точке.

Транзисторы некоторых типов используются в специфических классах схем и характеризуются рядом особенностей режима и условий работы. Эти специализи­рованные транзисторы образуют своеобразный класс приборов, например, транзисто­ры для схем с автоматической регулировкой усиления (АРУ), для усилителей про­межуточной частоты, для работы в микроампериом диапазоне токов, для работы в ВЧ- и СВЧ-диапазонах, лавинные транзисторы, сдвоенные, составные, двухэмиттер- Эые и т. п. Есть узлы, в которых требуются высоковольтные транзисторы. Оптимальное сочетание параметров и характеристик, удовлетворяющих различным требованиям, дает воз­можность использовать их в радиоэлектронной аппаратуре вместо некоторых уси­лительных и переключательных транзисторов (например, транзистор КТ630).

Для схем с АРУ разработаны специальные транзисторы (германиевые и крем­ниевые), обладающие регулируемым усилением при увеличении рабочего тока (пря­мая АРУ). Уменьшение усиления таких транзисторов на высокой частоте происходит вследствие снижения frp при увеличении тока эмиттера и уменьшения напряжения на коллекторе (например, КТ3128, ГТ328). В связи с этим наблюдается сильная зависимость Кур от тока. Обычно транзисторы имеют меньшую зависимость коэф­фициента усиления от электрического режима. Для зарубежных транзисторов, пред­назначенных для АРУ, часто указывается глубина регулировки усиления (отноше­ние максимального коэффициента усиления к минимальному).

Жесткие требования к экономичности радиоэлектронной аппаратуры в ряде специальных применений способствовали созданию кремниевых транзисторов, функ­ционирующих при малых токах (единицы и десятки микроампер)', поскольку гер­маниевые транзисторы вследствие большого обратного тока коллектора для этой цели непригодны. Такие приборы (например, транзисторы КТ3102, КТ3107) имеют малые токи 1кБО и большие коэффициенты усиления. Однако при работе в микро­режиме у них ухудшаются частотные свойства, но несколько улучшаются шумо­вые характеристики. Кроме того, при малых токах обычно увеличивается зависи­мость параметров от температуры, снижается крутизна и затрудняется стабили­зация режима.

Реализация большого коэффициента усиления по мощности в высокочастот­ных усилителях связана с уменьшением паразитной обратной связи, обусловленной проходной проводимостью транзистора Yi2. Разработаны транзисторы (напри­мер, КТ339АМ), у которых для снижения емкости обратной связи в транзисторную структуру введен интегральный экран (электростатический экран Фарадея), пред­ставляющий собой сочетание диффузионного экрана и дополнительного экранирую­щего диода. Применение интегрального экрана позволяет снизить емкость между коллекторным и базовым выводами в 2,5...4 раза (емкость С120 снижается до зна­чения ие более 0,3 пФ) и обеспечить большой коэффициент усиления Кур без при­менения схем нейтрализации.

Лавинные транзисторы предназначены для работы в режиме электрического пробоя коллекторного перехода. В зависимости от схемы включения они могут иметь управляемые S-образные (со стороны коллектора или эмиттера) и N-образ- ные (со стороны базы) вольт-амперные характеристики. Использование обычных транзисторов в этом режиме принципиально возможно и встречается на практике, но при этом не обеспечиваются необходимые быстродействие, амплитуда импуль­сов, стабильность и надежность. Например, одной из причин, снижающих эффек­тивность применения обычных высокочастотных транзисторов в лавинном ре­жиме, является значительное снижение частоты frp при увеличении коллекторного тока.

 Лавинные транзи­сторы применяются в релаксационных генераторах в ждущем или автоколеба­тельном режиме.

Следует также отметить транзисторы, предназначенные для использования в инверсном включении (например, зарубежные транзисторы 2N2432, 2N2944 — 2N2946, 2N4138), которые имеют малое остаточное напряжение (менее 1 мВ) и применяются в модуляторах для стабильных усилителей постоянного тока, по­строенных по схеме модуляции — демодуляции, в схемах управления реверсивными двигателями, в логических схемах, амплитудных детекторах и других схемах. В некоторых схемах, например автомобильного зажигания и строчной развертки телевизоров, при запирании транзистор может переходить в режим инверсного включения при работе на комплексную нагрузку.

Разработаны специальные модуляторные транзисторы, в основу которых по­ложены две транзисторные структуры. Это так называемые двухэмиттерные тран­зисторы, имеющие лучшие параметры инверсного включения (например, зарубеж­ные транзисторы 3N74—3N79, 3N108 — 3N111). У отечественного транзистора КТ118 остаточное напряжение менее 0,2 мВ.

Для работы в выходных каскадах усилителя низких частот радиовещательных приемников, высококачественных магнитофонов, радио, телевизоров разработаны германиевые и кремниевые транзисторы разного типа проводимости. Они характеризуются слабой зависимостью коэффициента усиления от тока, высокой частотой fЬ21э, низким напряжением Ukb нас, что позволяет улучшить акустические показатели устройств в широком диапазоне звуковых частот. В свою очередь, это дает возможность упрощать схемы усилителей, уменьшать число применяемых транзисторов, повышать надежность и снижать себестоимость устройств. Зависимость коэффициента передачи h3ia от тока характеризуется коэффициентом линейности — отношением коэффициентов передачи при двух значениях тока эмиттера. 

Транзистор - принцип работы.Основные параметры.

Как устроен транзистор.

Вне зависимости от принципа работы, полупроводниковый транзистор содержит в себе монокристалл из основного полупроводникового материала, чаще всего это - кремний, германий, арсенид галлия. В основной материал добавлены, легирующие добавки для формирования p-n перехода(переходов), металлические выводы.


Кристалл помещается в металлический, пластиковый или керамический корпус, для защиты от внешних воздействий. Однако, существуют также и бескорпусные транзисторы.

Принцип работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор может быть либо p-n-p, либо n-p-n в зависимости от чередования слоев полупроводника в кристалле. В любом случае выводы называются - база, коллектор и эмиттер. Слой полупроводника, соответствующий базе заключен между слоями эмиттера и коллектора. Он имеет принципиально очень малую ширину. Носители заряда движутся от эмиттера через базу - к коллектору. Условием возникновения тока между коллектором и эмиттером является наличие свободных носителей в области базы. Эти носители проникают туда при возникновении тока эмиттер-база. причиной которого может являться разность напряжения между этими электродами.

Т.е. - для нормальной работы биполярного транзистора в качестве усилителя сигнала всегда необходимо присутствие напряжения некого минимального уровня, для смещения перехода эмиттер-база в прямом направлении. Прямое смещение перехода база-эмиттер приоткрывая транзистор, задает так называемую - рабочую точку режима. Для гармоничного усиления сигнала по напряжению и току используют режим - А. В этом режиме напряжение между коллектором и нагрузкой, примерно равно половине питающего напряжения - т. е выходное сопротивление транзистора и нагрузки примерно равны . Если подавать теперь на переход база - эмиттер сигнал переменного тока, СОПРОТИВЛЕНИЕ эмиттер - коллектор будет изменяться, графически повторяя форму входного сигнала. Соответственно, то же будет происходить и с током через эмиттер к коллектору протекающим. Причем амплитуда тока будет большей, нежели амплитуда входного сигнала - будет происходить усиление сигнала.

Если увеличивать напряжение смещения база - эмиттер дальше, это приведет к росту тока в этой цепи, и как результат - еще большему росту тока эмиттер - коллектор. В конце, концов ток перестает расти - транзистор переходит в полностью открытое состояние(насыщения). Если затем убрать напряжение смещения - транзистор закроется, ток эмиттер - коллектор уменьшится, почти исчезнет. Так транзистор может работать в качестве электронного ключа. Этот режим наиболее эффективен в отношении управления мощностями, при протекании тока через полностью открытый транзистор величина падения напряжения минимальна. Соответственно малы потери тока и нагрев переходов транзистора.

Существует три вида подключения биполярного транзистора. С общим эмиттером (ОЭ) — осуществляется усиление как по току, так и по напряжению — наиболее часто применяемая схема.
Усилительные каскады построенные подобным образом, легче согласуются между собой, так как значения их входного и выходного сопротивления относительно близки, если сравнивать с двумя остальными видами включения (хотя иногда и отличаются в десятки раз).

С общим коллектором (ОК) осуществляется усиление только по току — применяется для согласования источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением(импендансом) и низкоомными сопротивлениями нагрузок. Например, в выходных каскадах усилителей и контроллеров.

С общей базой (ОБ) осуществляется усиление только по напряжению. Имеет низкое входное и высокое выходное сопротивление и более широкий частотный диапазон. Это позволяет использовать подобное включение для согласования источников сигнала с низким внутренним сопротивлением(импендансом) с последующим каскадом усиления. Например - в входных цепях радиоприемных устройств.

Принцип работы полевого транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный имеет три электрода. Они носят названия - сток, исток и затвор. Если на затворе отсутствует напряжение, а на сток подано положительное напряжение относительно истока, то между истоком и стоком через канал течет максимальный ток.

Т. е. - транзистор полностью открыт. Для того, что бы его изменить, на затвор подают отрицательное напряжение, относительно истока. Под действием электрического поля (отсюда и название транзистора) канал сужается, его сопротивление растет, а ток через него уменьшается. При определенном значении напряжения канал сужается до такой степени, что ток практически исчезает - транзистор закрывается.

На рисунке изображено устройство полевого транзистора с изолированным затвором(МДП).

Если на затвор этого прибора не подано положительное напряжение, то канал между истоком и стоком отсутствует и ток равен нулю. Транзистор полностью закрыт. Канал возникает при некотором минимальном напряжении на затворе(напряжение порога). Затем сопротивление канала уменьшается, до полного открывания транзистора.

Полевые транзисторы, как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) имеют следующие схемы включения: с общим истоком (ОИ) — аналог ОЭ биполярного транзистора; с общим стоком (ОС) — аналог ОК биполярного транзистора; с общим затвором (ОЗ) — аналог ОБ биполярного транзистора.

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
маломощные транзисторы - до 100 мВт ;
транзисторы средней мощности - от 0,1 до 1 Вт;
мощные транзисторы - больше 1 Вт.

Важные параметры биполярных транзисторов.

1. Коэффициент передачи тока(коэффициент усиления) - от 1 до 1000 при постоянном токе. С увеличением частоты постепенно снижается.
2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером(при разомкнутой базе) У специальных высоковольтных транзисторов, достигает десятков тысяч вольт.
3.Предельная частота, до которой коэффициент передачи тока выше 1. До 100000 гц. у низкочастотных транзисторов, свыше 100000 гц. - у высокочастотных.
4.Напряжение насыщения эмиттер-коллектор - величина падения напряжения между этими электродами у полностью открытого транзистора.

Важные параметры полевых транзисторов.

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

ΔId /ΔUGS

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. IDmax - максимальный ток стока.

2.UDSmax - максимальное напряжение сток-исток.

3.UGSmax - максимальное напряжение затвор-исток.

4.РDmax - максимальна мощность, которая может выделяться на приборе.

5.ton - типовое время нарастания тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

6.toff - типовое время спада тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

7.RDS(on)max - максимальное значение сопротивления исток - сток в включенном(открытом) состоянии.

На главную страницу

Использование каких - либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт "Электрика это просто".

Что такое транзисторы. Обучающее видео

Смотрите также обзоры и статьи:

Привет!

В своих обучающих роликах мы уже прошли пассивные компоненты и немного затронули активную часть электроники. Прошлый выпуск был о диодах — советуем посмотреть, если вы еще не видели. А сегодняшний выпуск будет о короле всей микропроцессорной техники, совершившем революцию в приборостроении — транзисторе. Предлагаем присоединиться к изучению.

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

Работа транзистора похожа на работу водопроводного крана. Только вместо воды – электрический ток. Возможны три состояния транзистора – рабочее (транзистор открыт), состояние покоя (транзистор закрыт) и полуоткрытое состояние - в нем транзистор работает в усилительном режиме. Приоткрывая или призакрывая кран, мы регулируем мощность потока воды. Другими словами: это электронная кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения.

Бывают как большие, таки и очень маленькие транзисторы. Например, центральные процессоры компьютеров или телефонов внутри состоят из взаимодействующих между собой транзисторов размером с десяток нанометров. Популярный в мобильных устройствах процессор Snapdragon 835 скрывает в себе 3 миллиарда транзисторов размерами в 10 нм каждый! (для сравнения - размеры бактерий в среднем составляют 50-500 нм).

Существуют биполярные и полевые транзисторы. Разберем, в чем между ними разница.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы имеют три контакта:

  • Коллектор — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
  • База — через неё подаётся небольшой ток, чтобы разблокировать большой, то есть открыть «кран»
  • Эмиттер — через него проходит ток с коллектора и базы, когда транзистор «открыт»

Чтобы транзистор пропускал через себя ток, ему на базу ПОСТОЯННО должен подаваться небольшой сигнал. Как только сигнал прекратится, транзистор закроется.

Основная характеристика биполярного транзистора - показатель усиления hfe, или gain. Он показывает, во сколько раз пропускаемый через транзистор ток может быть больше, чем маленький ток, идущий через базу.

Например, Если hfe = 100, и к базе проходит ток 1 мА, то транзистор пропустит через себя максимум в сто раз больший ток - 100 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент, который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас». Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только ограниченные 10 мА. На этом принципе можно сделать стабилизацию тока в схеме.

Также транзисторы имеют максимально допустимые напряжения и токи на контактах. Превышение этих величин грозит чрезмерным нагревом и разрушением транзистора.

NPN и PNP типы

Описанный ранее транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. То есть внутри транзистора получаются два P-N перехода, такие же, как в диодах. NPN-транзистор пропускает через себя ток, когда ему на базу подаются положительные заряды.

PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток свободно протекает, если базу подключить к минусу питания, то есть заземлить. Когда через базу идёт ток, сам транзистор закрывается.

На схемах такие транзисторы отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N.

P-N переход внутри транзистора - это диод, который обладает свойственным падением напряжения, около 0.5 Вольта. То есть после транзистора напряжение будет немного меньше, чем до него. Этого недостатка лишены полевые транзисторы.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (транзисторы с изолированным затвором).

Полевые транзисторы тоже обладают тремя контактами:

  • Сток (drain) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
  • Затвор (gate) — на него подаётся напряжение, чтобы разрешить течение тока; затвор заземляется, чтобы заблокировать ток.
  • Исток (source) — через него проходит ток со стока, когда транзистор «открыт»

От биполярных транзисторов они отличаются двумя особенностями: управление «краном» осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов, не идёт.

Так происходит, потому что затвор вместе со стоком образует конденсатор. После того, как мы подали на затвор сигнал и конденсатор зарядился, ему больше не нужно постоянное поддержание сигнала. Если отключить сигнал и просто оставить такой полевой транзистор как есть, он может быть открытым сам по себе еще очень долгое время.

Полевым транзистор называется, потому что тот самый внутренний конденсатор создает электрическое поле, позволяющее электронам свободно проходить через непроводящую в обычном состоянии пластинку. Решающее значение здесь имеет, до какого напряжения зарядится конденсатор. Чем сильнее будет поле, тем легче электронам будет пройти по нему. Если же поле будет слишком слабым - электроны вообще не смогут пролететь через транзистор.

В этом минус полевого транзистора: необходимое напряжение для его открытия практически в десять раз больше, чем у биполярного. А плюс в том, что на пути электронов нет никакого перехода, поэтому отсутствует падение напряжения и можно добиться очень маленького сопротивления внутри транзистора. Это позволяет оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах.

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены. P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

IGBT

Существуют еще IGBT транзисторы - это совмещенные в одном корпусе маломощный полевой транзистор, и мощный биполярный. Такая конструкция сглаживает минусы обеих типов и используется в основном в промышленных установках для работы с очень большими мощностями.

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Одной из типичных задач транзистора является включение и выключение определённого компонента схемы. Например, мощные моторы или сверхъяркие лампочки могут потреблять десятки ампер и больше. При подключении таких нагрузок напрямую через маломощную кнопку, она быстро выйдет из строя. Но если использовать транзисторы, можно легко управлять любой нагрузкой.

Соберем на макетной плате самую простую схему с использованием транзистора в режиме ключа. Включим через него светодиодную ленту. Берем стандартный NPN-транзистор. К его второй ножке - базе - подключаем маломощную кнопку. На кнопку с плюса питания подадим сигнал через резистор, который будет ограничивать силу тока базы. Первую ножку транзистора - эмиттер - подсоединим к минусу, поскольку именно минус питания будет пропускаться через транзистор. Третья ножка транзистора - коллектор - подключится к минусовому контакту светодиодной ленты.

Два контакта вставляем в линию питания, на них мы подадим 12 В с лабораторного блока. К светодиодной ленте плюс питания подключаем напрямую, а минус берем с выхода транзистора.

Готово. При нажатии на кнопку транзистор открывается и лента светится. При отпускании - лента гаснет. Таким способом через маленькую кнопку можно включить даже очень мощные устройства, главное подобрать нужный по характеристикам транзистор.

Если вам пришла в голову ошеломительная идея, как улучшить какое-то свое устройство – пожалуйста, у нас в магазине вы можете подобрать множество транзисторов под свою задачу! Все компоненты, которые мы использовали, можно купить в магазине.

Поделиться в соцсетях

Введение в электронику. Транзисторы

Серия статей известного автора множества радиолюбительских публикаций  Дригалкина В.В.  для начинающих радиолюбителей

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель“

Транзисторы

Транзистор входит в целую группу деталей, которую называют полупроводниковые приборы. Кроме транзистора, в нее входят диоды, стабилитроны и другие детали. В каждой из них использован полупроводниковый материал (полупроводник). Что это такое? Все существующие вещества можно условно поделить на три большие группы. Одни из них – медь, железо, алюминий и прочие металлы – хорошо проводят электрический ток. Это проводники. Древесина, фарфор, пластмасса совсем не проводят тока. Они – непроводники, изоляторы (диэлектрики).
Полупроводники же занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Такие материалы проводят ток только при определенных условиях.

Из полупроводниковых приборов транзистор чаще всего применяется в радиоэлектронике, особенно биполярный. Первые такие транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. У биполярного транзистора три вывода: база (б), эмитер (е) и коллектор (к). Назначение выводов называют цоколевкой или в народе – расПИНовкой (от английского PIN – вывод). Цоколевку транзисторов можно найти в специальной справочной литературе.

Транзистор – усилительный прибор. Условно его можно сравнить с таким известным Вам устройством, как рупор. Довольно произнести что-нибудь перед узким отверстием рупора, направив широкое отверстие в сторону приятеля, который стоит за несколько десятков метров, и голос, усиленный рупором, будет ему хорошо слышан. Если воспринять узкое отверстие как вход рупора-усилителя, а широкий – как выход, то можно сказать, что исходный сигнал в несколько раз более сильный от входных. Это и есть показатель усилительной способности рупора, его коэффициент усиления. Некоторые разновидности транзисторов и их обозначение на принципиальной схеме представлены на Рис. 1.

Если пропустить через участок база-эмитер слабый ток, он будет усилен транзистором в десятки и даже в сотни раз. Усиленный ток потечет через участок коллектор-эмитер2. В зависимости от наибольшего тока, что можно пропускать через коллектор, транзисторы разделяют на маломощные, средней и большой мощности. Кроме того, эти полупроводниковые приборы могут быть структуры р-п-р или n-p-n (на английском). Так различаются транзисторы с разным расположением пластов полупроводниковых материалов3 (если в диоде два пласта материалов, то здесь их три) . Тем не менее, не думайте, что транзисторы разной структуры имеют и разное усиление. Это совсем не обязательно. Усилительная способность транзистора определяется его так называемым статическим коэффициентом передачи тока. Для некоторых конструкций этот коэффициент важный, и его указывают в описании.
Статический коэффициент передачи тока транзистора указывает во сколько раз больший ток по участку коллектор-эмиттер способен пропустить транзистор по отношению к току база-эмиттер. Для некоторых схем этот параметр очень важен. В отечественной схемотехнике он обозначается как h31э, в зарубежной как hFE.
Приведу пример: допустим, hFE = 500, и через переход база-эмиттер проходит ток 0.1mA, тогда транзистор пропустит максимум через себя 50mA. Если в электрической цепи за транзистором стоит деталь, потребляющая 30mA, то у транзистора будет запас, и он передаст именно 30mA, но если стоит деталь, потребляющая больше 50mA (например, 80mA), то ей будет доступно всего 50mA.
В электронных конструкциях может встретится еще одна разновидность транзистора – полевой. У него чаще всего три вывода, но называют их по-другому: затвор (как база), исток (эмитер), сток (коллектор). Некоторые полевые транзисторы в металлическом корпусе имеют четыре вывода – затвор, исток, сток и корпус. Последний вывод, как Вы уже догадались, соединен с корпусом транзистора. Подбирать эти транзисторы по усилительной способности не нужно, а вот проверять исправность особенно не нового транзистора рекомендуется, т.к. “полевики” выходят из строя при самых непредвиденных обстоятельствах. В частности полевые транзисторы очень чувствительны к статическому электричеству, поэтому их рекомендуется проверять, предварительно организовав заземление. Для снятие статики достаточно коснуться рукой батареи отопления или любых заземленных предметов. При хранении полевых транзисторов, особенно маломощных, их выводы должны быть замкнуты между собой. Полевые транзисторы, благодаря ряду уникальных параметров, в том числе высокому входному сопротивлению, находят широкое применение в блоках питания компьютеров, мониторов, телевизоров и другой радиоэлектронной аппаратуры.



Транзисторы бывают и однопереходные. У этой детали две базы и один эмиттер. В отличии от биполярных и полевых транзисторов однопереходные представляет собой прибор с отрицательным сопротивлением. Это означает, что в определённых условиях входное напряжение или сигнал могут уменьшаться даже при возрастании выходного тока через нагрузку. Когда однопереходном транзистор находится во включённом состоянии, выключить его можно только разомкнув цепь, либо сняв входное напряжение.

По диапазону рабочих частот транзисторы делятся на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные.

По мощности различают транзисторы малой, средней и большой мощности. Чем мощнее транзистор – тем больше его внешний вид. Такие транзисторы имеют отверстия для крепления на радиатор – кусочек алюминия, который рассеивает тепло полупроводника, выделяемое во время его работы.

Среди транзисторов присутствуют фотоэлементы. Фототранзистор отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения. Применяют два варианта включения фототранзисторов: диодное — с использованием только двух выводов (эмиттера и коллектора) и транзисторное — с использованием трех выводов, когда на вход подают не только световой, но и электрический сигналы.


Перейти к следующей статье: Тиристоры



Как работает PNP-транзистор на примере: поясняю простым языком | ASUTPP

Транзистор PNP для многих загадка. Но так не должно быть. Если вы хотите проектировать схемы с транзисторами, то безусловно нужно знать об этом типе транзисторов.

Пример: Хотите автоматически включить свет, когда стемнеет транзистор PNP сделает это легко для вас.

Если вы понимаете работу NPN - транзистора, то это облегчит понимание PNP-транзистора. Они работают примерно так же, с одним существенным отличием: токи в транзисторе PNP протекают в противоположных направлениях, если сравнивать с протеканием токов в транзисторе NPN.

Как работают транзисторы PNP?

Транзистор PNP имеет те же выводы, что и NPN:

  • База
  • Эмиттер
  • Коллектор

Транзистор PNP «включится», когда у вас будет небольшой ток, протекающий от эмиттера к базе. Когда я говорю «включится», я имею в виду, что транзистор откроет канал между эмиттером и коллектором. И через этот канал сможет протекать уже гораздо больший ток.


Чтобы ток протекал от эмиттера к базе, вам нужно напряжение около 0,7 В. Поскольку ток идет от эмиттера к базе, база должна иметь напряжение на 0,7 В ниже, чем напряжение на эмиттере.

Установив напряжение на базе PNP-транзистора на 0,7 В ниже, чем на эмиттере, вы «включаете транзистор» и позволяете току течь от эмиттера к коллектору.

Я знаю, что это может звучать немного запутанно, поэтому читайте дальше, чтобы увидеть, как можно спроектировать схему с транзистором PNP.

Пример: транзисторная схема PNP

Давайте посмотрим, как создать простую схему с транзистором PNP. С помощью этой схемы вы можете "зажечь" светодиод, когда стемнеет.

Шаг 1: Эмиттер

Прежде всего, чтобы включить PNP-транзистор, нужно, чтобы напряжение на базе было ниже, чем на эмиттере. Для этого подключите эмиттер к плюсу вашего источника питания. Таким образом, вы знаете, какое у вас напряжение на эмиттере.

Шаг 2: что вы хотите контролировать

Когда транзистор включается, ток течет от эмиттера к коллектору. Итак, давайте подключим то, что мы хотим контролировать: а именно светодиод.

Поскольку у светодиода всегда должен быть последовательно установлен резистор , давайте добавим и резистор.


Шаг 3: Транзисторный вход

Для включения светодиода необходимо включить транзистор, чтобы канал от эмиттера к коллектору открылся. Чтобы включить транзистор, необходимо, чтобы напряжение на базе было на 0,7 В ниже, чем на эмиттере, что составляет 9 В - 0,7 В = 8,3 В.

Например, теперь вы можете включить светодиод, когда стемнеет, используя фоторезистор и стандартный резистор, настроенный в качестве делителя напряжения.

Напряжение на базе не будет вести себя точно так, как говорит формула делителя напряжения. Это потому, что транзистор тоже влияет на напряжение.

Но в целом, когда значение сопротивления фоторезистора велико (нет света), напряжение будет близко к 8,3 В, и транзистор включен (что включает светодиод). Когда значение фоторезистора низкое (много света присутствует), напряжение будет близко к 9 В и отключит транзистор (который выключит светодиод).


Я использовал такие компоненты:

  • Транзистор PNP- BC557.
  • Фоторезистор - 10 кОм, когда светло, и 1 мОм, когда темно.
  • Резистор на базе транзистора - 100 кОм.
  • Резистор, который последовательно подключен светодиодом - 470 Ом.

Почему биполярный транзистор может усиливать сигналы

 

Итак, мы уже знаем, что усиление электрических сигналов возможно в приборах с управляемыми потоками электрических зарядов. Однако сама по себе данная фраза ничего не значит. Возникает естественный вопрос: как, имея управляемый поток зарядов и подавая на вход слабый сигнал, на выходе прибора получить сильный сигнал?

Для начала, видимо, следует разобраться в том, что же такое усиление электрических сигналов. Предположим, что мы имеем источник электрического сигнала, который при определенном сопротивлении нагрузки может обеспечить некоторые ток и напряжение сигнала на ней. Если нас не удовлетворяет напряжение на нагрузке, то, используя простейшие пассивные элементы (например, трансформатор), мы можем легко поднять его до необходимого уровня. Расплатой за это будет падение сигнального тока. И наоборот, если мы увеличим ток — снизится напряжение. В любом случае полезная мощность сигнала \(P_C = U_С I_С\) , передаваемая в нагрузку, при добавлении любых пассивных компонентов в схему может только снижаться. Для увеличения этой мощности нужны так называемые активные компоненты — усилители. Именно они позволяют из слабых входных воздействий получать мощные сигналы на выходе устройства.

Что же необходимо для работы усилительного устройства? Рассмотрим простой пример. Водитель автомобиля давит на педаль газа, и чем большее усилие он прикладывает к маленькой педали, тем быстрее едет большой и тяжелый автомобиль. Однако всем известно, что автомобиль двигает не слабый водитель, а мощный двигатель. Т.е. педаль — это лишь средство воздействия на двигатель, который и выполняет всю работу. На таком же принципе основано действие и усилителей электрических сигналов. В них создается отдельный мощный сигнал, который и попадает на выход усилителя, а слабый входной сигнал лишь воздействует на этот мощный сигнал, заставляя его изменяться по тому же закону.

Как уже говорилось, в полупроводниках могут существовать потоки электрических зарядов. Если такой поток протекает от одного электрода полупроводникового прибора к другому, то между этими двумя электродами возникает электрический ток, абсолютная величина которого пропорциональна мощности потока (количеству перемещаемых за единицу времени зарядов). Очевидно, что при определенных условиях с помощью мощного внешнего источника питания мы можем создавать в полупроводниковых структурах самые разнообразные потоки зарядов. Вопрос, однако, заключается в том, как обеспечить воздействие на эти потоки слабого сигнала, который мы хотим усилить. Вернемся теперь к рассмотрению биполярного транзистора.

На рис. 1.2 показана схема, в которой на выводы эмиттера и коллектора транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа подано достаточно большое напряжение от внешнего мощного источника питания плюсом к коллектору и минусом к эмиттеру. Если бы между эмиттерной и коллекторной \(n\)-областями транзистора не было тонкой базовой прослойки с проводимостью \(p\)-типа, то очевидно, что в полупроводнике возник бы мощный поток электронов от эмиттера к коллектору.

 

Рис. 1.2. Схема подачи напряжений на биполярный транзистор n-p-n-типа для обеспечения режима усиления

 

Однако на практике даже весьма тонкой базовой прослойки оказывается достаточно, чтобы предотвратить это явление. Все изменяется, если мы приложим к базе транзистора некоторое незначительное по величине и положительное относительно эмиттера напряжение (рис. 1.2). При этом эмиттерный p-n-переход транзистора оказывается под напряжением, соответствующим его проводящему состоянию, и в \(p\)-\(n\)-структуре эмиттер—база образуется поток электронов в том же направлении, в котором он мог бы возникнуть при отсутствии базовой области. Электроны, достигая базовой области, по логике должны уходить в базовый электрод, обеспечивая прохождение тока в цепи база—эмиттер транзистора, но на практике происходит другое. Подгоняемые большим напряжением, приложенным между коллектором и эмиттером, электроны быстро пролетают через узкую базовую область и уходят к коллекторному электроду, т.е. возникает тот самый мощный поток зарядов между эмиттером и коллектором, который мы не могли получить ранее. Только крайне незначительная часть электронов попадает в базовый электрод. Таким образом, мы имеем слабый ток в цепи эмиттер—база и сильный ток в цепи эмиттер—коллектор (напомним, что направление электрического тока считается противоположным направлению движения отрицательных зарядов, в нашем случае — электронов). Повышая напряжение на базе транзистора, мы будем наращивать мощность потока электронов, при этом токи в цепях будут расти соответственно.

Итак, оказывается, что в биполярном транзисторе можно создать сильный электрический ток в цепи "коллектор — эмиттер — внешний мощный источник питания" при достаточно слабом токе в цепи "база — эмиттер — маломощный источник сигнала". Причем данное слабое воздействие на базу оказывает управляющее действие на ток в коллекторно-эмиттерной цепи. Если далее в коллекторную или эмиттерную цепь транзистора (рис. 1.2) включить некоторое сопротивление (нагрузку), то окажется, что ток и напряжение на нем повторяют форму входного сигнала на базе транзистора, но мощность, подаваемая на него, гораздо выше мощности входного сигнала, т.е. происходит усиление.

Мы описали работу биполярного транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа. Для приборов \(p\)-\(n\)-\(p\)-типа все выглядит совершенно аналогично. Только здесь мы должны рассматривать не потоки электронов, а потоки положительных зарядов — дырок. При этом полярности всех внешних напряжений меняются на обратные. Других отличий нет.

 

 

< Предыдущая   Следующая >

Как работают транзисторы? - Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 21 сентября 2020 г.

Ваш мозг содержит около 100 миллиардов клеток, называемых нейронами, - крошечных переключателей, которые позволяют вам думать и запоминать вещи. Компьютеры содержат миллиарды миниатюрных «клеток мозга». Их называют транзисторами и они сделаны из кремния, химического элемента, обычно встречающегося в песке. Транзисторы произвели революцию в электронике с момента их появления. изобретен более полувека назад Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильям Шокли.Но что это такое и как они работают?

Фото: Насекомое с тремя ногами? Нет, типичный транзистор на электронной плате. Хотя простые схемы содержат отдельные транзисторы, подобные этому, сложные схемы внутри компьютеров также содержат микрочипы, каждый из которых может иметь тысячи, миллионы или сотни миллионов транзисторов, упакованных внутри. (Технически, если вас интересуют более интересные элементы, это кремниевый транзистор усилителя PNP 5401B. Я объясню, что все это означает сейчас.)

Что на самом деле делает транзистор?

Фото: Компактные слуховые аппараты были одними из первых применений транзисторов, а этот датируется концом 1950-х или 1960-х годов. Он был размером с колоду игральных карт, поэтому его можно было носить в кармане пиджака или на нем. С другой стороны корпуса есть микрофон, который улавливает окружающие звуки. Вы можете ясно видеть четыре маленьких черных транзистора внутри, усиливающих эти звуки, а затем выстреливающих их в маленький громкоговоритель, который находится у вас в ухе.

Транзистор действительно прост - и действительно сложен. Давайте начнем с простая часть. Транзистор - это миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две разные работы. Может работать как усилитель или как переключатель:

  • Когда работает как усилитель, нужно в крошечном электрическом токе на одном конце ( входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной ток) на другом. Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это входит действительно полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, одна из первых вещей люди использовали транзисторы для.В слуховом аппарате есть крошечный микрофон. который улавливает звуки из окружающего вас мира и превращает их в колеблющиеся электрические токи. Они подаются на транзистор, который усиливает их и приводит в действие крошечный громкоговоритель, так что вы слышите гораздо более громкую версию окружающих вас звуков. Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более подробном виде. юмористический способ: «Если взять тюк сена и привязать его к хвост мула, а затем чиркнуть спичкой и поджечь тюк сена, и если вы затем сравните энергию, израсходованную вскоре после этого, мул с энергией, затраченной вами на зажигание спички, вы поймете концепцию усиления.«
  • Транзисторы
  • также могут работать как переключатели. А крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может значительно увеличить ток течет через другую его часть. Другими словами, маленький ток переключается на больший. По сути, так работают все компьютерные микросхемы. Для например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых можно включать или выключать индивидуально. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух различных состояниях, он может хранить два разных числа, ноль и единицу.С миллиардами транзисторов микросхема может хранить миллиарды нулей и единиц, и почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.

Самое замечательное в машинах старого образца было то, что вы могли их отдельно, чтобы понять, как они работают. Это никогда не было слишком сложно, с немного толкать и тыкать, чтобы узнать, какая часть, что и как вещь привела к другому. Но электроника совсем другая. Это все об использовании электронов для управления электричеством.Электрон - это минута частица внутри атома. Он такой маленький, весит чуть меньше 0.000000000000000000000000000001 кг! Самые современные транзисторы работают контролируя движения отдельных электронов, чтобы вы могли представьте, насколько они маленькие. В современном компьютерном чипе размер ноготь, вы, вероятно, найдете от 500 миллионов и два миллиарда отдельных транзисторов. Нет шанса разобрать транзистор, чтобы узнать, как он работает, поэтому мы должны понять это с помощью теории и воображения.Во-первых, полезно знать, из чего сделан транзистор.

Как делается транзистор?

Фото: Кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Транзисторы изготовлены из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит электричество (оно не позволяет электронам легко проходить через него). Кремний - это полупроводник, а это значит, что он ни на самом деле проводник (что-то вроде металла, пропускающий электричество), ни изолятор (что-то вроде пластика, не пропускающего электричество).Если мы обрабатываем кремний примесями (процесс, известный как легирование), мы можем заставить его вести себя по-другому способ. Если мы добавим в кремний химические элементы мышьяк, фосфор, или сурьмы, кремний получает дополнительные «свободные» электроны - те, которые может проводить электрический ток, поэтому электроны будут вытекать об этом более естественно. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, кремний обработанный таким образом называется n-типом (отрицательный тип). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор, галлий и алюминий.В кремнии, обработанном таким образом, меньше таких «свободные» электроны, поэтому электроны в соседних материалах будут стремиться втекать в него. Мы называем этот кремний p-типа (положительный тип).

Вкратце, мимоходом, важно отметить, что ни кремний n-типа, ни p-типа на самом деле не имеет заряда сам по себе : оба электрически нейтральны. Это правда, что кремний n-типа имеет дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как кремний p-типа имеет меньше этих свободных электронов, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом.В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) атомов примесей к кремнию, что изначально было нейтральных - и мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Для более подробного объяснения мне потребуется представить идею под названием ленточная теория, что немного выходит за рамки данной статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «лишние электроны» означают дополнительные свободных электронов - те, которые могут свободно перемещаться и помогать переносить электрический ток.

Кремниевые бутерброды

Теперь у нас есть два разных типа кремния. Если мы сложим их вместе слоями, делая бутерброды из материала p-типа и n-типа, мы можем сделать различные виды электронных компонентов, которые работают во всех видах способами.

Предположим, мы соединяем кусок кремния n-типа с частью p-типа кремний и поместите электрические контакты с обеих сторон. Увлекательно и полезно вещи начинают происходить на стыке двух материалы. Если мы обратимся от тока, мы можем заставить электроны течь через переход от сторона n-типа к стороне p-типа и наружу через цепь.Этот происходит из-за отсутствия электронов на стороне p-типа переход притягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но если мы меняем направление тока, электроны вообще не текут. Что мы сделанный здесь называется диодом (или выпрямителем). Это электронный компонент, который позволяет току течь через него только в одном направлении. Это полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в постоянный (односторонний) ток. Диоды тоже можно сделать так, чтобы они испускали светится, когда через них проходит электричество.Вы могли видеть эти светодиоды на карманных калькуляторах и электронных дисплеи на стереооборудовании Hi-Fi.

Как работает переходной транзистор

Фотография: Типичный кремниевый PNP-транзистор (A1048, разработанный как усилитель звуковой частоты).

Теперь предположим, что вместо этого мы используем три слоя кремния в нашем сэндвиче. из двух. Мы можем сделать бутерброд p-n-p (с ломтиком n-типа кремний в качестве заполнения между двумя пластинами p-типа) или n-p-n сэндвич (с p-типом между двумя плитами n-типа).Если мы присоединить электрические контакты ко всем трем слоям сэндвича, мы можем сделать компонент, который будет либо усиливать ток, либо включать его, либо выключен - другими словами, транзистор. Посмотрим, как это работает в случае n-p-n транзистор.

Итак, мы знаем, о чем говорим, давайте дадим имена трем электрические контакты. Мы назовем два контакта, соединенных с двумя кусочки кремния n-типа эмиттер и коллектор, и контакт соединенный с кремнием p-типа, который мы назовем базой.Когда нет ток протекает в транзисторе, мы знаем, что кремний p-типа не хватает электроны (показаны здесь маленькими знаками плюса, обозначающими положительные зарядов) и два куска кремния n-типа имеют лишние электроны (показаны маленькими знаками минус, обозначающими отрицательные заряды).

Другой способ взглянуть на это - сказать, что в то время как n-тип имеет избыток электронов, p-тип имеет дырки, где электроны должно быть. Обычно отверстия в основании действуют как барьер, предотвращающий любые значительный ток от эмиттера к коллектору при транзистор находится в выключенном состоянии.

Транзистор работает, когда электроны и дырки начинают двигаться через два перехода между кремнием n-типа и p-типа.

Давай подключить транзистор к некоторой мощности. Допустим, мы прикрепляем небольшой положительное напряжение на базу, сделать эмиттер отрицательно заряженным и сделать коллектор положительно заряженным. Электроны вытягиваются из эмиттер в базу, а затем из базы в коллектор. А также транзистор переходит в состояние «включено»:

Малый ток, который мы включаем на базе, создает большой ток. поток между эмиттером и коллектором.Повернув небольшой вход ток в большой выходной ток, транзистор действует как усилитель. Но в то же время он действует как переключатель. Когда нет тока база, между коллектором и эмиттер. Включите базовый ток, и течет большой ток. Итак, база ток включает и выключает весь транзистор. Технически это тип транзистора называется биполярным, потому что два разных вида (или "полярностей") электрического заряда (отрицательные электроны и положительные отверстия) участвуют в протекании тока.

Мы также можем понять транзистор, представив его как пару диодов. С база положительная, а эмиттер отрицательная, переход база-эмиттер похож на прямое смещение диод, с электронами, движущимися в одном направлении через переход (слева направо в диаграмму) и отверстия, идущие в противоположную сторону (справа налево). База-коллектор переход похож на диод с обратным смещением. Положительное напряжение коллектора тянет большая часть электронов проходит через внешнюю цепь (хотя некоторые электроны рекомбинируют с дырками в основании).

Как работает полевой транзистор (FET)

Все транзисторы работают, управляя движением электронов, но не все из них делают это одинаково. Подобно переходному транзистору, полевой транзистор (полевой транзистор) имеет три разных контакта, но они иметь названия источник (аналог эмиттера), сток (аналогично коллектор), и затвор (аналог цоколя). В полевом транзисторе слои Кремний n-типа и p-типа устроен несколько иначе и покрытый слоями металла и оксида.Это дает нам устройство под названием MOSFET (Металлооксидное полупроводниковое поле) Эффектный транзистор).

Хотя в истоке и стоке n-типа есть лишние электроны, они не могут перетекать от одного к другому из-за дыр в ворота p-типа между ними. Однако если приложить положительный напряжение на затвор, там создается электрическое поле, позволяющее электроны перетекают по тонкому каналу от истока к стоку. Этот «полевой эффект» позволяет току течь и включает транзистор:

Для полноты картины отметим, что полевой МОП-транзистор является униполярным. транзистор потому что только один вид («полярность») электрического заряда участвует в его работе.

Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?

На практике вам не нужно ничего знать об этом электроны и дыры, если вы не собираетесь разрабатывать компьютерные чипы для заработка! Все, что вам нужно знать, это то, что транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток включить более крупный. Но есть еще одна вещь, которую стоит знать: как все это помогает компьютерам хранить информацию и принимать решения?

Мы можем соединить несколько транзисторных ключей, чтобы что-то сделать. называется логическим вентилем, который сравнивает несколько входные токи и в результате дает другой выход.Логические ворота позволяют компьютерам создавать очень простые решения с использованием математической техники, называемой булевой алгеброй. Точно так же и ваш мозг принимает решения. Например, используя "входные данные" (то, что вы знаете) о погоде и о том, что у вас свой коридор, вы можете принять такое решение: "Если идет дождь И я есть зонтик, я пойду в магазины ". Это пример булевой алгебры, в которой используется так называемое И "оператор" (слово "оператор" - это всего лишь небольшой математический жаргон, заставляют вещи казаться более сложными, чем они есть на самом деле).Ты можешь сделать аналогичные решения с другими операторами. "Если ветрено ИЛИ идет снег, тогда я надену пальто "- это пример использования оператора ИЛИ. Или как насчет «Если идет дождь, И я есть зонтик ИЛИ у меня есть пальто, тогда можно выйти на улицу ". Используя AND, ИЛИ и другие операторы, вызываемые Компьютеры NOR, XOR, NOT и NAND могут складывать или сравнивать двоичные числа. Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логическая серия инструкций, которые заставляют компьютеры действовать.

Обычно переходной транзистор выключен, когда нет базы. ток и переключается в положение «включено», когда течет базовый ток.Это значит это требует электрического тока для включения или выключения транзистора. Но такие транзисторы можно подключить к логическим элементам, чтобы их выход соединения возвращаются на свои входы. Транзистор затем остается включенным, даже если базовый ток отключен. Каждый раз новый база ток течет, транзистор «переключается» или выключается. Остается в одном из эти стабильные состояния (включены или выключены) до тех пор, пока другой ток приходит и переворачивает его в другую сторону. Такая аранжировка известен как триггер, и это превращает транзистор в простой запоминающее устройство, в котором хранится ноль (когда он выключен) или один (когда он на).Шлепанцы - это основная технология, лежащая в основе компьютерных микросхем памяти.

Кто изобрел транзистор?

Изображение: Оригинальный дизайн точечного транзистора, как изложено в Патент Джона Бардина и Уолтера Браттейна в США (2 524 035), поданный в июне 1948 г. (примерно через шесть месяцев после оригинальное открытие) и награжден 3 октября 1950 года. Это простой PN-транзистор с тонкий верхний слой германия P-типа (желтый) на нижнем слое германия N-типа (оранжевый).Три контакта: эмиттер (E, красный), коллектор (C, синий) и база (G, зеленый). Вы можете прочитать больше в оригинальном патентном документе, который указан в ссылках ниже. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

транзисторов были изобретены в Bell Laboratories в Нью-Джерси в 1947 году. трех блестящих физиков США: Джона Бардина (1908–1991), Уолтера Браттейн (1902–1987) и Уильям Шокли (1910–1989).

Команда, возглавляемая Шокли, пыталась разработать новый тип усилителя для телефонной системы США - но что собственно изобретенные они оказались гораздо более распространенными Приложения.Бардин и Браттейн создали первый практический транзистор (известный как точечный транзистор) во вторник, 16 декабря 1947 года. Хотя Шокли сыграл большую роль в этом проекте, он был разъяренный и взволнованный из-за того, что его оставили в стороне. Вскоре после этого во время остановиться в отеле на конференции по физике, единолично выяснил он теория переходного транзистора - устройство гораздо лучше, чем точечный транзистор.

В то время как Бардин ушел из Bell Labs, чтобы стать академиком (он продолжил пользуются еще большим успехом при изучении сверхпроводников в Университете Иллинойса), Браттейн остался на некоторое время, прежде чем уйти на пенсию, чтобы стать учителем.Шокли основал собственную компанию по производству транзисторов и помог вдохновить современный феномен «Силиконовая долина» (процветающий район вокруг Пало-Альто, Калифорния, где корпорации электроники собраны). Двое его сотрудников, Роберт Нойс и Гордон Мур, ушли чтобы основать Intel, крупнейшего в мире производителя микрочипов.

Бардин, Браттейн и Шокли ненадолго воссоединились несколько лет спустя, когда они поделились лучшими науками мира награда, Нобелевская премия по физике 1956 г., за их открытие.Их история захватывающий рассказ о интеллектуальный талант борется с мелкой ревностью, и это хорошо стоит прочтения больше о. Вы можете найти отличные отчеты об этом среди книг и веб-сайты, перечисленные ниже.

Как работают транзисторы? - Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 21 сентября 2020 г.

Ваш мозг содержит около 100 миллиардов клеток, называемых нейронами, - крошечных переключателей, которые позволяют вам думать и запоминать вещи. Компьютеры содержат миллиарды миниатюрных «клеток мозга».Их называют транзисторами и они сделаны из кремния, химического элемента, обычно встречающегося в песке. Транзисторы произвели революцию в электронике с момента их появления. изобретен более полувека назад Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильям Шокли. Но что это такое и как они работают?

Фото: Насекомое с тремя ногами? Нет, типичный транзистор на электронной плате. Хотя простые схемы содержат отдельные транзисторы, подобные этому, сложные схемы внутри компьютеров также содержат микрочипы, каждый из которых может иметь тысячи, миллионы или сотни миллионов транзисторов, упакованных внутри.(Технически, если вас интересуют более интересные вещи, это кремниевый транзистор усилителя PNP 5401B. Я объясню, что все это означает сейчас.)

Что на самом деле делает транзистор?

Фото: Компактные слуховые аппараты были одними из первых применений транзисторов, а этот датируется концом 1950-х или 1960-х годов. Он был размером с колоду игральных карт, поэтому его можно было носить в кармане пиджака или на нем. С другой стороны корпуса есть микрофон, который улавливает окружающие звуки.Вы можете ясно видеть четыре маленьких черных транзистора внутри, усиливающих эти звуки, а затем выстреливающих их в маленький громкоговоритель, который находится у вас в ухе.

Транзистор действительно прост - и действительно сложен. Давайте начнем с простая часть. Транзистор - это миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две разные работы. Может работать как усилитель или как переключатель:

  • Когда работает как усилитель, нужно в крошечном электрическом токе на одном конце ( входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной ток) на другом.Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это входит действительно полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, одна из первых вещей люди использовали транзисторы для. В слуховом аппарате есть крошечный микрофон. который улавливает звуки из окружающего вас мира и превращает их в колеблющиеся электрические токи. Они подаются на транзистор, который усиливает их и приводит в действие крошечный громкоговоритель, так что вы слышите гораздо более громкую версию окружающих вас звуков. Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более подробном виде. юмористический способ: «Если взять тюк сена и привязать его к хвост мула, а затем чиркнуть спичкой и поджечь тюк сена, и если вы затем сравните энергию, израсходованную вскоре после этого, мул с энергией, затраченной вами на зажигание спички, вы поймете концепцию усиления.«
  • Транзисторы
  • также могут работать как переключатели. А крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может значительно увеличить ток течет через другую его часть. Другими словами, маленький ток переключается на больший. По сути, так работают все компьютерные микросхемы. Для например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых можно включать или выключать индивидуально. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух различных состояниях, он может хранить два разных числа, ноль и единицу.С миллиардами транзисторов микросхема может хранить миллиарды нулей и единиц, и почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.

Самое замечательное в машинах старого образца было то, что вы могли их отдельно, чтобы понять, как они работают. Это никогда не было слишком сложно, с немного толкать и тыкать, чтобы узнать, какая часть, что и как вещь привела к другому. Но электроника совсем другая. Это все об использовании электронов для управления электричеством.Электрон - это минута частица внутри атома. Он такой маленький, весит чуть меньше 0.000000000000000000000000000001 кг! Самые современные транзисторы работают контролируя движения отдельных электронов, чтобы вы могли представьте, насколько они маленькие. В современном компьютерном чипе размер ноготь, вы, вероятно, найдете от 500 миллионов и два миллиарда отдельных транзисторов. Нет шанса разобрать транзистор, чтобы узнать, как он работает, поэтому мы должны понять это с помощью теории и воображения.Во-первых, полезно знать, из чего сделан транзистор.

Как делается транзистор?

Фото: Кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Транзисторы изготовлены из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит электричество (оно не позволяет электронам легко проходить через него). Кремний - это полупроводник, а это значит, что он ни на самом деле проводник (что-то вроде металла, пропускающий электричество), ни изолятор (что-то вроде пластика, не пропускающего электричество).Если мы обрабатываем кремний примесями (процесс, известный как легирование), мы можем заставить его вести себя по-другому способ. Если мы добавим в кремний химические элементы мышьяк, фосфор, или сурьмы, кремний получает дополнительные «свободные» электроны - те, которые может проводить электрический ток, поэтому электроны будут вытекать об этом более естественно. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, кремний обработанный таким образом называется n-типом (отрицательный тип). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор, галлий и алюминий.В кремнии, обработанном таким образом, меньше таких «свободные» электроны, поэтому электроны в соседних материалах будут стремиться втекать в него. Мы называем этот кремний p-типа (положительный тип).

Вкратце, мимоходом, важно отметить, что ни кремний n-типа, ни p-типа на самом деле не имеет заряда сам по себе : оба электрически нейтральны. Это правда, что кремний n-типа имеет дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как кремний p-типа имеет меньше этих свободных электронов, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом.В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) атомов примесей к кремнию, что изначально было нейтральных - и мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Для более подробного объяснения мне потребуется представить идею под названием ленточная теория, что немного выходит за рамки данной статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «лишние электроны» означают дополнительные свободных электронов - те, которые могут свободно перемещаться и помогать переносить электрический ток.

Кремниевые бутерброды

Теперь у нас есть два разных типа кремния. Если мы сложим их вместе слоями, делая бутерброды из материала p-типа и n-типа, мы можем сделать различные виды электронных компонентов, которые работают во всех видах способами.

Предположим, мы соединяем кусок кремния n-типа с частью p-типа кремний и поместите электрические контакты с обеих сторон. Увлекательно и полезно вещи начинают происходить на стыке двух материалы. Если мы обратимся от тока, мы можем заставить электроны течь через переход от сторона n-типа к стороне p-типа и наружу через цепь.Этот происходит из-за отсутствия электронов на стороне p-типа переход притягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но если мы меняем направление тока, электроны вообще не текут. Что мы сделанный здесь называется диодом (или выпрямителем). Это электронный компонент, который позволяет току течь через него только в одном направлении. Это полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в постоянный (односторонний) ток. Диоды тоже можно сделать так, чтобы они испускали светится, когда через них проходит электричество.Вы могли видеть эти светодиоды на карманных калькуляторах и электронных дисплеи на стереооборудовании Hi-Fi.

Как работает переходной транзистор

Фотография: Типичный кремниевый PNP-транзистор (A1048, разработанный как усилитель звуковой частоты).

Теперь предположим, что вместо этого мы используем три слоя кремния в нашем сэндвиче. из двух. Мы можем сделать бутерброд p-n-p (с ломтиком n-типа кремний в качестве заполнения между двумя пластинами p-типа) или n-p-n сэндвич (с p-типом между двумя плитами n-типа).Если мы присоединить электрические контакты ко всем трем слоям сэндвича, мы можем сделать компонент, который будет либо усиливать ток, либо включать его, либо выключен - другими словами, транзистор. Посмотрим, как это работает в случае n-p-n транзистор.

Итак, мы знаем, о чем говорим, давайте дадим имена трем электрические контакты. Мы назовем два контакта, соединенных с двумя кусочки кремния n-типа эмиттер и коллектор, и контакт соединенный с кремнием p-типа, который мы назовем базой.Когда нет ток протекает в транзисторе, мы знаем, что кремний p-типа не хватает электроны (показаны здесь маленькими знаками плюса, обозначающими положительные зарядов) и два куска кремния n-типа имеют лишние электроны (показаны маленькими знаками минус, обозначающими отрицательные заряды).

Другой способ взглянуть на это - сказать, что в то время как n-тип имеет избыток электронов, p-тип имеет дырки, где электроны должно быть. Обычно отверстия в основании действуют как барьер, предотвращающий любые значительный ток от эмиттера к коллектору при транзистор находится в выключенном состоянии.

Транзистор работает, когда электроны и дырки начинают двигаться через два перехода между кремнием n-типа и p-типа.

Давай подключить транзистор к некоторой мощности. Допустим, мы прикрепляем небольшой положительное напряжение на базу, сделать эмиттер отрицательно заряженным и сделать коллектор положительно заряженным. Электроны вытягиваются из эмиттер в базу, а затем из базы в коллектор. А также транзистор переходит в состояние «включено»:

Малый ток, который мы включаем на базе, создает большой ток. поток между эмиттером и коллектором.Повернув небольшой вход ток в большой выходной ток, транзистор действует как усилитель. Но в то же время он действует как переключатель. Когда нет тока база, между коллектором и эмиттер. Включите базовый ток, и течет большой ток. Итак, база ток включает и выключает весь транзистор. Технически это тип транзистора называется биполярным, потому что два разных вида (или "полярностей") электрического заряда (отрицательные электроны и положительные отверстия) участвуют в протекании тока.

Мы также можем понять транзистор, представив его как пару диодов. С база положительная, а эмиттер отрицательная, переход база-эмиттер похож на прямое смещение диод, с электронами, движущимися в одном направлении через переход (слева направо в диаграмму) и отверстия, идущие в противоположную сторону (справа налево). База-коллектор переход похож на диод с обратным смещением. Положительное напряжение коллектора тянет большая часть электронов проходит через внешнюю цепь (хотя некоторые электроны рекомбинируют с дырками в основании).

Как работает полевой транзистор (FET)

Все транзисторы работают, управляя движением электронов, но не все из них делают это одинаково. Подобно переходному транзистору, полевой транзистор (полевой транзистор) имеет три разных контакта, но они иметь названия источник (аналог эмиттера), сток (аналогично коллектор), и затвор (аналог цоколя). В полевом транзисторе слои Кремний n-типа и p-типа устроен несколько иначе и покрытый слоями металла и оксида.Это дает нам устройство под названием MOSFET (Металлооксидное полупроводниковое поле) Эффектный транзистор).

Хотя в истоке и стоке n-типа есть лишние электроны, они не могут перетекать от одного к другому из-за дыр в ворота p-типа между ними. Однако если приложить положительный напряжение на затвор, там создается электрическое поле, позволяющее электроны перетекают по тонкому каналу от истока к стоку. Этот «полевой эффект» позволяет току течь и включает транзистор:

Для полноты картины отметим, что полевой МОП-транзистор является униполярным. транзистор потому что только один вид («полярность») электрического заряда участвует в его работе.

Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?

На практике вам не нужно ничего знать об этом электроны и дыры, если вы не собираетесь разрабатывать компьютерные чипы для заработка! Все, что вам нужно знать, это то, что транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток включить более крупный. Но есть еще одна вещь, которую стоит знать: как все это помогает компьютерам хранить информацию и принимать решения?

Мы можем соединить несколько транзисторных ключей, чтобы что-то сделать. называется логическим вентилем, который сравнивает несколько входные токи и в результате дает другой выход.Логические ворота позволяют компьютерам создавать очень простые решения с использованием математической техники, называемой булевой алгеброй. Точно так же и ваш мозг принимает решения. Например, используя "входные данные" (то, что вы знаете) о погоде и о том, что у вас свой коридор, вы можете принять такое решение: "Если идет дождь И я есть зонтик, я пойду в магазины ". Это пример булевой алгебры, в которой используется так называемое И "оператор" (слово "оператор" - это всего лишь небольшой математический жаргон, заставляют вещи казаться более сложными, чем они есть на самом деле).Ты можешь сделать аналогичные решения с другими операторами. "Если ветрено ИЛИ идет снег, тогда я надену пальто "- это пример использования оператора ИЛИ. Или как насчет «Если идет дождь, И я есть зонтик ИЛИ у меня есть пальто, тогда можно выйти на улицу ". Используя AND, ИЛИ и другие операторы, вызываемые Компьютеры NOR, XOR, NOT и NAND могут складывать или сравнивать двоичные числа. Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логическая серия инструкций, которые заставляют компьютеры действовать.

Обычно переходной транзистор выключен, когда нет базы. ток и переключается в положение «включено», когда течет базовый ток.Это значит это требует электрического тока для включения или выключения транзистора. Но такие транзисторы можно подключить к логическим элементам, чтобы их выход соединения возвращаются на свои входы. Транзистор затем остается включенным, даже если базовый ток отключен. Каждый раз новый база ток течет, транзистор «переключается» или выключается. Остается в одном из эти стабильные состояния (включены или выключены) до тех пор, пока другой ток приходит и переворачивает его в другую сторону. Такая аранжировка известен как триггер, и это превращает транзистор в простой запоминающее устройство, в котором хранится ноль (когда он выключен) или один (когда он на).Шлепанцы - это основная технология, лежащая в основе компьютерных микросхем памяти.

Кто изобрел транзистор?

Изображение: Оригинальный дизайн точечного транзистора, как изложено в Патент Джона Бардина и Уолтера Браттейна в США (2 524 035), поданный в июне 1948 г. (примерно через шесть месяцев после оригинальное открытие) и награжден 3 октября 1950 года. Это простой PN-транзистор с тонкий верхний слой германия P-типа (желтый) на нижнем слое германия N-типа (оранжевый).Три контакта: эмиттер (E, красный), коллектор (C, синий) и база (G, зеленый). Вы можете прочитать больше в оригинальном патентном документе, который указан в ссылках ниже. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

транзисторов были изобретены в Bell Laboratories в Нью-Джерси в 1947 году. трех блестящих физиков США: Джона Бардина (1908–1991), Уолтера Браттейн (1902–1987) и Уильям Шокли (1910–1989).

Команда, возглавляемая Шокли, пыталась разработать новый тип усилителя для телефонной системы США - но что собственно изобретенные они оказались гораздо более распространенными Приложения.Бардин и Браттейн создали первый практический транзистор (известный как точечный транзистор) во вторник, 16 декабря 1947 года. Хотя Шокли сыграл большую роль в этом проекте, он был разъяренный и взволнованный из-за того, что его оставили в стороне. Вскоре после этого во время остановиться в отеле на конференции по физике, единолично выяснил он теория переходного транзистора - устройство гораздо лучше, чем точечный транзистор.

В то время как Бардин ушел из Bell Labs, чтобы стать академиком (он продолжил пользуются еще большим успехом при изучении сверхпроводников в Университете Иллинойса), Браттейн остался на некоторое время, прежде чем уйти на пенсию, чтобы стать учителем.Шокли основал собственную компанию по производству транзисторов и помог вдохновить современный феномен «Силиконовая долина» (процветающий район вокруг Пало-Альто, Калифорния, где корпорации электроники собраны). Двое его сотрудников, Роберт Нойс и Гордон Мур, ушли чтобы основать Intel, крупнейшего в мире производителя микрочипов.

Бардин, Браттейн и Шокли ненадолго воссоединились несколько лет спустя, когда они поделились лучшими науками мира награда, Нобелевская премия по физике 1956 г., за их открытие.Их история захватывающий рассказ о интеллектуальный талант борется с мелкой ревностью, и это хорошо стоит прочтения больше о. Вы можете найти отличные отчеты об этом среди книг и веб-сайты, перечисленные ниже.

Как работают транзисторы? - Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 21 сентября 2020 г.

Ваш мозг содержит около 100 миллиардов клеток, называемых нейронами, - крошечных переключателей, которые позволяют вам думать и запоминать вещи. Компьютеры содержат миллиарды миниатюрных «клеток мозга».Их называют транзисторами и они сделаны из кремния, химического элемента, обычно встречающегося в песке. Транзисторы произвели революцию в электронике с момента их появления. изобретен более полувека назад Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильям Шокли. Но что это такое и как они работают?

Фото: Насекомое с тремя ногами? Нет, типичный транзистор на электронной плате. Хотя простые схемы содержат отдельные транзисторы, подобные этому, сложные схемы внутри компьютеров также содержат микрочипы, каждый из которых может иметь тысячи, миллионы или сотни миллионов транзисторов, упакованных внутри.(Технически, если вас интересуют более интересные вещи, это кремниевый транзистор усилителя PNP 5401B. Я объясню, что все это означает сейчас.)

Что на самом деле делает транзистор?

Фото: Компактные слуховые аппараты были одними из первых применений транзисторов, а этот датируется концом 1950-х или 1960-х годов. Он был размером с колоду игральных карт, поэтому его можно было носить в кармане пиджака или на нем. С другой стороны корпуса есть микрофон, который улавливает окружающие звуки.Вы можете ясно видеть четыре маленьких черных транзистора внутри, усиливающих эти звуки, а затем выстреливающих их в маленький громкоговоритель, который находится у вас в ухе.

Транзистор действительно прост - и действительно сложен. Давайте начнем с простая часть. Транзистор - это миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две разные работы. Может работать как усилитель или как переключатель:

  • Когда работает как усилитель, нужно в крошечном электрическом токе на одном конце ( входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной ток) на другом.Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это входит действительно полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, одна из первых вещей люди использовали транзисторы для. В слуховом аппарате есть крошечный микрофон. который улавливает звуки из окружающего вас мира и превращает их в колеблющиеся электрические токи. Они подаются на транзистор, который усиливает их и приводит в действие крошечный громкоговоритель, так что вы слышите гораздо более громкую версию окружающих вас звуков. Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более подробном виде. юмористический способ: «Если взять тюк сена и привязать его к хвост мула, а затем чиркнуть спичкой и поджечь тюк сена, и если вы затем сравните энергию, израсходованную вскоре после этого, мул с энергией, затраченной вами на зажигание спички, вы поймете концепцию усиления.«
  • Транзисторы
  • также могут работать как переключатели. А крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может значительно увеличить ток течет через другую его часть. Другими словами, маленький ток переключается на больший. По сути, так работают все компьютерные микросхемы. Для например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых можно включать или выключать индивидуально. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух различных состояниях, он может хранить два разных числа, ноль и единицу.С миллиардами транзисторов микросхема может хранить миллиарды нулей и единиц, и почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.

Самое замечательное в машинах старого образца было то, что вы могли их отдельно, чтобы понять, как они работают. Это никогда не было слишком сложно, с немного толкать и тыкать, чтобы узнать, какая часть, что и как вещь привела к другому. Но электроника совсем другая. Это все об использовании электронов для управления электричеством.Электрон - это минута частица внутри атома. Он такой маленький, весит чуть меньше 0.000000000000000000000000000001 кг! Самые современные транзисторы работают контролируя движения отдельных электронов, чтобы вы могли представьте, насколько они маленькие. В современном компьютерном чипе размер ноготь, вы, вероятно, найдете от 500 миллионов и два миллиарда отдельных транзисторов. Нет шанса разобрать транзистор, чтобы узнать, как он работает, поэтому мы должны понять это с помощью теории и воображения.Во-первых, полезно знать, из чего сделан транзистор.

Как делается транзистор?

Фото: Кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Транзисторы изготовлены из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит электричество (оно не позволяет электронам легко проходить через него). Кремний - это полупроводник, а это значит, что он ни на самом деле проводник (что-то вроде металла, пропускающий электричество), ни изолятор (что-то вроде пластика, не пропускающего электричество).Если мы обрабатываем кремний примесями (процесс, известный как легирование), мы можем заставить его вести себя по-другому способ. Если мы добавим в кремний химические элементы мышьяк, фосфор, или сурьмы, кремний получает дополнительные «свободные» электроны - те, которые может проводить электрический ток, поэтому электроны будут вытекать об этом более естественно. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, кремний обработанный таким образом называется n-типом (отрицательный тип). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор, галлий и алюминий.В кремнии, обработанном таким образом, меньше таких «свободные» электроны, поэтому электроны в соседних материалах будут стремиться втекать в него. Мы называем этот кремний p-типа (положительный тип).

Вкратце, мимоходом, важно отметить, что ни кремний n-типа, ни p-типа на самом деле не имеет заряда сам по себе : оба электрически нейтральны. Это правда, что кремний n-типа имеет дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как кремний p-типа имеет меньше этих свободных электронов, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом.В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) атомов примесей к кремнию, что изначально было нейтральных - и мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Для более подробного объяснения мне потребуется представить идею под названием ленточная теория, что немного выходит за рамки данной статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «лишние электроны» означают дополнительные свободных электронов - те, которые могут свободно перемещаться и помогать переносить электрический ток.

Кремниевые бутерброды

Теперь у нас есть два разных типа кремния. Если мы сложим их вместе слоями, делая бутерброды из материала p-типа и n-типа, мы можем сделать различные виды электронных компонентов, которые работают во всех видах способами.

Предположим, мы соединяем кусок кремния n-типа с частью p-типа кремний и поместите электрические контакты с обеих сторон. Увлекательно и полезно вещи начинают происходить на стыке двух материалы. Если мы обратимся от тока, мы можем заставить электроны течь через переход от сторона n-типа к стороне p-типа и наружу через цепь.Этот происходит из-за отсутствия электронов на стороне p-типа переход притягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но если мы меняем направление тока, электроны вообще не текут. Что мы сделанный здесь называется диодом (или выпрямителем). Это электронный компонент, который позволяет току течь через него только в одном направлении. Это полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в постоянный (односторонний) ток. Диоды тоже можно сделать так, чтобы они испускали светится, когда через них проходит электричество.Вы могли видеть эти светодиоды на карманных калькуляторах и электронных дисплеи на стереооборудовании Hi-Fi.

Как работает переходной транзистор

Фотография: Типичный кремниевый PNP-транзистор (A1048, разработанный как усилитель звуковой частоты).

Теперь предположим, что вместо этого мы используем три слоя кремния в нашем сэндвиче. из двух. Мы можем сделать бутерброд p-n-p (с ломтиком n-типа кремний в качестве заполнения между двумя пластинами p-типа) или n-p-n сэндвич (с p-типом между двумя плитами n-типа).Если мы присоединить электрические контакты ко всем трем слоям сэндвича, мы можем сделать компонент, который будет либо усиливать ток, либо включать его, либо выключен - другими словами, транзистор. Посмотрим, как это работает в случае n-p-n транзистор.

Итак, мы знаем, о чем говорим, давайте дадим имена трем электрические контакты. Мы назовем два контакта, соединенных с двумя кусочки кремния n-типа эмиттер и коллектор, и контакт соединенный с кремнием p-типа, который мы назовем базой.Когда нет ток протекает в транзисторе, мы знаем, что кремний p-типа не хватает электроны (показаны здесь маленькими знаками плюса, обозначающими положительные зарядов) и два куска кремния n-типа имеют лишние электроны (показаны маленькими знаками минус, обозначающими отрицательные заряды).

Другой способ взглянуть на это - сказать, что в то время как n-тип имеет избыток электронов, p-тип имеет дырки, где электроны должно быть. Обычно отверстия в основании действуют как барьер, предотвращающий любые значительный ток от эмиттера к коллектору при транзистор находится в выключенном состоянии.

Транзистор работает, когда электроны и дырки начинают двигаться через два перехода между кремнием n-типа и p-типа.

Давай подключить транзистор к некоторой мощности. Допустим, мы прикрепляем небольшой положительное напряжение на базу, сделать эмиттер отрицательно заряженным и сделать коллектор положительно заряженным. Электроны вытягиваются из эмиттер в базу, а затем из базы в коллектор. А также транзистор переходит в состояние «включено»:

Малый ток, который мы включаем на базе, создает большой ток. поток между эмиттером и коллектором.Повернув небольшой вход ток в большой выходной ток, транзистор действует как усилитель. Но в то же время он действует как переключатель. Когда нет тока база, между коллектором и эмиттер. Включите базовый ток, и течет большой ток. Итак, база ток включает и выключает весь транзистор. Технически это тип транзистора называется биполярным, потому что два разных вида (или "полярностей") электрического заряда (отрицательные электроны и положительные отверстия) участвуют в протекании тока.

Мы также можем понять транзистор, представив его как пару диодов. С база положительная, а эмиттер отрицательная, переход база-эмиттер похож на прямое смещение диод, с электронами, движущимися в одном направлении через переход (слева направо в диаграмму) и отверстия, идущие в противоположную сторону (справа налево). База-коллектор переход похож на диод с обратным смещением. Положительное напряжение коллектора тянет большая часть электронов проходит через внешнюю цепь (хотя некоторые электроны рекомбинируют с дырками в основании).

Как работает полевой транзистор (FET)

Все транзисторы работают, управляя движением электронов, но не все из них делают это одинаково. Подобно переходному транзистору, полевой транзистор (полевой транзистор) имеет три разных контакта, но они иметь названия источник (аналог эмиттера), сток (аналогично коллектор), и затвор (аналог цоколя). В полевом транзисторе слои Кремний n-типа и p-типа устроен несколько иначе и покрытый слоями металла и оксида.Это дает нам устройство под названием MOSFET (Металлооксидное полупроводниковое поле) Эффектный транзистор).

Хотя в истоке и стоке n-типа есть лишние электроны, они не могут перетекать от одного к другому из-за дыр в ворота p-типа между ними. Однако если приложить положительный напряжение на затвор, там создается электрическое поле, позволяющее электроны перетекают по тонкому каналу от истока к стоку. Этот «полевой эффект» позволяет току течь и включает транзистор:

Для полноты картины отметим, что полевой МОП-транзистор является униполярным. транзистор потому что только один вид («полярность») электрического заряда участвует в его работе.

Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?

На практике вам не нужно ничего знать об этом электроны и дыры, если вы не собираетесь разрабатывать компьютерные чипы для заработка! Все, что вам нужно знать, это то, что транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток включить более крупный. Но есть еще одна вещь, которую стоит знать: как все это помогает компьютерам хранить информацию и принимать решения?

Мы можем соединить несколько транзисторных ключей, чтобы что-то сделать. называется логическим вентилем, который сравнивает несколько входные токи и в результате дает другой выход.Логические ворота позволяют компьютерам создавать очень простые решения с использованием математической техники, называемой булевой алгеброй. Точно так же и ваш мозг принимает решения. Например, используя "входные данные" (то, что вы знаете) о погоде и о том, что у вас свой коридор, вы можете принять такое решение: "Если идет дождь И я есть зонтик, я пойду в магазины ". Это пример булевой алгебры, в которой используется так называемое И "оператор" (слово "оператор" - это всего лишь небольшой математический жаргон, заставляют вещи казаться более сложными, чем они есть на самом деле).Ты можешь сделать аналогичные решения с другими операторами. "Если ветрено ИЛИ идет снег, тогда я надену пальто "- это пример использования оператора ИЛИ. Или как насчет «Если идет дождь, И я есть зонтик ИЛИ у меня есть пальто, тогда можно выйти на улицу ". Используя AND, ИЛИ и другие операторы, вызываемые Компьютеры NOR, XOR, NOT и NAND могут складывать или сравнивать двоичные числа. Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логическая серия инструкций, которые заставляют компьютеры действовать.

Обычно переходной транзистор выключен, когда нет базы. ток и переключается в положение «включено», когда течет базовый ток.Это значит это требует электрического тока для включения или выключения транзистора. Но такие транзисторы можно подключить к логическим элементам, чтобы их выход соединения возвращаются на свои входы. Транзистор затем остается включенным, даже если базовый ток отключен. Каждый раз новый база ток течет, транзистор «переключается» или выключается. Остается в одном из эти стабильные состояния (включены или выключены) до тех пор, пока другой ток приходит и переворачивает его в другую сторону. Такая аранжировка известен как триггер, и это превращает транзистор в простой запоминающее устройство, в котором хранится ноль (когда он выключен) или один (когда он на).Шлепанцы - это основная технология, лежащая в основе компьютерных микросхем памяти.

Кто изобрел транзистор?

Изображение: Оригинальный дизайн точечного транзистора, как изложено в Патент Джона Бардина и Уолтера Браттейна в США (2 524 035), поданный в июне 1948 г. (примерно через шесть месяцев после оригинальное открытие) и награжден 3 октября 1950 года. Это простой PN-транзистор с тонкий верхний слой германия P-типа (желтый) на нижнем слое германия N-типа (оранжевый).Три контакта: эмиттер (E, красный), коллектор (C, синий) и база (G, зеленый). Вы можете прочитать больше в оригинальном патентном документе, который указан в ссылках ниже. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

транзисторов были изобретены в Bell Laboratories в Нью-Джерси в 1947 году. трех блестящих физиков США: Джона Бардина (1908–1991), Уолтера Браттейн (1902–1987) и Уильям Шокли (1910–1989).

Команда, возглавляемая Шокли, пыталась разработать новый тип усилителя для телефонной системы США - но что собственно изобретенные они оказались гораздо более распространенными Приложения.Бардин и Браттейн создали первый практический транзистор (известный как точечный транзистор) во вторник, 16 декабря 1947 года. Хотя Шокли сыграл большую роль в этом проекте, он был разъяренный и взволнованный из-за того, что его оставили в стороне. Вскоре после этого во время остановиться в отеле на конференции по физике, единолично выяснил он теория переходного транзистора - устройство гораздо лучше, чем точечный транзистор.

В то время как Бардин ушел из Bell Labs, чтобы стать академиком (он продолжил пользуются еще большим успехом при изучении сверхпроводников в Университете Иллинойса), Браттейн остался на некоторое время, прежде чем уйти на пенсию, чтобы стать учителем.Шокли основал собственную компанию по производству транзисторов и помог вдохновить современный феномен «Силиконовая долина» (процветающий район вокруг Пало-Альто, Калифорния, где корпорации электроники собраны). Двое его сотрудников, Роберт Нойс и Гордон Мур, ушли чтобы основать Intel, крупнейшего в мире производителя микрочипов.

Бардин, Браттейн и Шокли ненадолго воссоединились несколько лет спустя, когда они поделились лучшими науками мира награда, Нобелевская премия по физике 1956 г., за их открытие.Их история захватывающий рассказ о интеллектуальный талант борется с мелкой ревностью, и это хорошо стоит прочтения больше о. Вы можете найти отличные отчеты об этом среди книг и веб-сайты, перечисленные ниже.

Что такое транзистор? - Определение с сайта WhatIs.com

От

Транзистор - это устройство, которое регулирует ток или напряжение и действует как переключатель или затвор для электронных сигналов. Транзисторы состоят из трех слоев полупроводникового материала, каждый из которых может проводить ток.

Транзистор был изобретен тремя учеными из Bell Laboratories в 1947 году, и он быстро заменил вакуумную лампу в качестве электронного регулятора сигнала. Транзистор регулирует ток или напряжение и действует как переключатель или затвор для электронных сигналов. Транзистор состоит из трех слоев полупроводникового материала, каждый из которых может проводить ток. Полупроводник - это такой материал, как германий и кремний, который проводит электричество «полуэнтузиазмом». Это что-то среднее между настоящим проводником, таким как медь, и изолятором (например, пластиком, обернутым вокруг проводов).

Полупроводниковому материалу придаются особые свойства с помощью химического процесса, называемого легированием . Легирование приводит к получению материала, который либо добавляет дополнительные электроны к материалу (который затем называется N-типа для дополнительных отрицательных носителей заряда), либо создает «дыры» в кристаллической структуре материала (который затем называется P-типа , потому что это приводит к большему количеству носителей положительного заряда). Трехслойная структура транзистора содержит полупроводниковый слой N-типа, зажатый между слоями P-типа (конфигурация PNP) или слой P-типа между слоями N-типа (конфигурация NPN).

Небольшое изменение тока или напряжения на внутреннем полупроводниковом слое (который действует как управляющий электрод) вызывает большое и быстрое изменение тока, проходящего через весь компонент. Таким образом, компонент может действовать как переключатель, открывая и закрывая электронные ворота много раз в секунду. В современных компьютерах используются схемы, изготовленные с использованием технологии комплементарных металлооксидных полупроводников (CMOS). CMOS использует два дополнительных транзистора на затвор (один из материала N-типа, другой из материала P-типа).Когда один транзистор поддерживает логическое состояние, он почти не требует питания.

Транзисторы - это базовые элементы в интегральных схемах (ИС), которые состоят из очень большого количества транзисторов, связанных между собой схемами и запеченных в единую кремниевую микросхему.

Последнее обновление: октябрь 2015 г.

Продолжить чтение о транзисторе

Определение транзистора | PCMag

В аналоговом мире непрерывно меняющихся сигналов транзистор - это устройство, используемое для усиления входного электрического сигнала.В цифровом мире транзистор - это двоичный ключ и фундаментальный строительный блок компьютерной схемы. Подобно выключателю на стене, транзистор либо предотвращает, либо пропускает ток. Один современный ЦП может иметь сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов.

Изготовлен из полупроводникового материала
Активная часть транзистора сделана из кремния или другого полупроводникового материала, который может изменять свое электрическое состояние при подаче импульсов. В нормальном состоянии материал может быть непроводящим или проводящим, препятствуя протеканию тока или позволяя ему течь.Когда на затвор подается напряжение, транзистор меняет свое состояние. Чтобы узнать больше о транзисторе, см. Понятие транзистора и микросхему. См. Активную область, фототранзистор и High-K / Metal Gate.

От транзисторов к системам


Транзисторы соединены схемами, составляющими логические вентили. Гейты составляют схемы, а схемы составляют электронные системы (подробнее см. Булеву логику и Булевы вентили).

Концептуальный вид транзистора

В цифровой схеме транзистор представляет собой двухпозиционный переключатель, который является проводящим при подаче электрического импульса.Транзисторы также используются в качестве усилителей, передавая низкое напряжение на базе высокому напряжению на коллекторе. В аудиоусилителях таким образом используются транзисторы.

Построение транзистора

Посредством нескольких этапов маскирования, травления и диффузии создаются подслои на кристалле. На заключительном этапе располагается верхний металлический слой (обычно алюминий), который соединяет транзисторы друг с другом и с внешним миром.

Большинство из

создаются одновременно в то же время.Такая 300-миллиметровая пластина может содержать сотни и тысячи кристаллов (чипов), что означает одновременное изготовление миллиардов и триллионов транзисторов. Смотрите вафлю. (Изображение любезно предоставлено Intel Corporation.)

Первый кремниевый транзистор


В 1954 году компания Texas Instruments первой начала производство дискретных транзисторов в промышленных масштабах. Сегодня это пространство размером примерно четверть дюйма может вместить триллионы транзисторов. См. Концепцию транзистора. (Изображение любезно предоставлено Texas Instruments, Inc.)

IBM "Solid Logic"


Вместо одного транзистора в корпусе передовые инженерные разработки IBM разместили три транзистора на одном модуле для своего семейства System / 360 в 1964 году При снятой крышке все трое хорошо видны. См. Активную область. (Изображение любезно предоставлено IBM.)

Факты о транзисторах для детей

Несколько типов транзисторов в индивидуальной упаковке

Транзистор - это электронный компонент, который может использоваться как часть усилителя или как переключатель.Он изготовлен из полупроводникового материала. Транзисторы встречаются в большинстве электронных устройств. Транзистор был большим достижением после лампового триода, с использованием гораздо меньшего количества электроэнергии и продолжительностью на много лет дольше, чтобы переключать или усиливать другой электронный ток.

Транзистор может использоваться для множества различных вещей, включая усилители и цифровые переключатели для компьютерных микропроцессоров. В цифровой работе в основном используются полевые МОП-транзисторы. Некоторые транзисторы имеют индивидуальную упаковку, в основном для того, чтобы они могли работать с большой мощностью.Большинство транзисторов находится внутри интегральных схем.

Как они работают

Когда на центральный штифт подается питание, мощность может течь. Транзисторы

имеют три вывода: затвор, сток и исток (на биполярном транзисторе провода можно назвать эмиттером, коллектором и базой). Когда источник (или эмиттер) подключен к отрицательной клемме батареи, а сток (или коллектор) - к положительной клемме, в цепи не будет течь электричество (если у вас есть только лампа, соединенная последовательно с транзистором).Но когда вы коснетесь затвора и стока вместе, транзистор пропустит электричество. Это связано с тем, что, когда затвор положительно заряжен, положительные электроны будут подталкивать другие положительные электроны в транзисторе, позволяя отрицательным электронам проходить через него. Транзистор также может работать, когда затвор просто положительно заряжен, поэтому ему не нужно касаться стока.

Визуализация

Легко представить, как работает транзистор, - это шланг с крутым изгибом, не позволяющий воде проходить через него.Вода - это электроны, и когда вы заряжаете затвор положительно, он разгибает шланг, позволяя воде течь.

Обозначение схемы транзистора Дарлингтона. «B» обозначает базу, «C» обозначает коллектор, а «E» обозначает эмиттер.

Базовая схема транзистора Дарлингтона состоит из двух биполярных транзисторов, подключенных эмиттером к базе, поэтому они действуют как один транзистор. Один из транзисторов подключен так, что контролирует ток на базе другого транзистора.Это означает, что вы можете контролировать такое же количество тока с очень небольшим током, идущим в базу.

Использует

Когда затвор P-канального MOSFET заряжен положительно, через него проходит электричество, это полезно для электроники, которая требует включения переключателя, что делает его электронным переключателем. Это конкурирует с механическим переключателем, который требует постоянного нажатия на него.

В полевом МОП-транзисторе, используемом в качестве усилителя, транзисторы принимают поток стока и истока, и поскольку ток истока намного больше, чем ток стока, ток стока обычно возрастает до значения, равного истоку, усиливая Это.

Материалы

Транзисторы изготовлены из полупроводниковых химических элементов, обычно кремния, который относится к современной группе 14 (ранее группа IV) периодической таблицы элементов. Германий, другой элемент группы 14, используется вместе с кремнием в специализированных транзисторах. Исследователи также изучают транзисторы, сделанные из особых форм углерода. Транзисторы также могут быть изготовлены из таких соединений, как арсенид галлия.

История

Транзистор был не первым трех оконечным устройством.Триод служил той же цели, что и транзистор 50 лет назад. Электронные лампы были важны в бытовой технике до транзисторов. К сожалению, лампы были большими и хрупкими, потребляли много энергии и прослужили недолго. Транзистор решил эти проблемы.

Трем физикам приписывают изобретение транзистора в 1947 году: Уолтеру Х. Браттейну, Джону Бардину и Уильяму Шокли, которые внесли наибольший вклад.

Важность

Транзистор сегодня является очень важным компонентом.Если бы не транзистор, такие устройства, как сотовые телефоны и компьютеры, были бы совсем другими, или они могли бы вообще не быть изобретены. Транзисторы были сделаны очень маленькими (в десятки атомов в ширину), так что миллиарды их можно поместить в небольшой компьютерный чип.

Галерея

  • Периодическая таблица элементов

  • Реплика первого транзистора

  • Изобретатели транзистора

Детские картинки

  • Разные дискретные транзисторы.Пакеты по порядку сверху вниз: ТО-3, ТО-126, ТО-92, СОТ-23.

  • Джулиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора в 1925 году.

  • Герберт Матаре в 1950 году. Он независимо изобрел точечный транзистор в июне 1948 года.

  • Поверхностно-барьерный транзистор Philco, разработанный и произведенный в 1953 году

  • Транзистор Дарлингтона открылся, так что внутри виден сам транзисторный чип (маленький квадрат).Транзистор Дарлингтона - это фактически два транзистора на одной микросхеме. Один транзистор намного больше другого, но оба они больше по сравнению с транзисторами в крупномасштабной интеграции, потому что этот конкретный пример предназначен для силовых приложений.

  • Работа полевого транзистора и его кривая Id-Vg. Сначала, когда напряжение на затвор не подается, в канале нет инверсионных электронов, поэтому устройство выключено. По мере увеличения напряжения затвора плотность инверсионных электронов в канале увеличивается, ток увеличивается, и, таким образом, устройство включается.

  • Символ транзистора создан на португальском асфальте в университете Авейру.

  • Разные дискретные транзисторы

Что это такое и как они работают?

Транзистор - это электронный компонент, используемый в схеме для управления большим током или напряжением с помощью небольшого количества напряжения или тока. Это означает, что его можно использовать для усиления или переключения (выпрямления) электрических сигналов или мощности, что позволяет использовать его в широком спектре электронных устройств.

Это достигается за счет размещения одного полупроводника между двумя другими полупроводниками. Поскольку ток передается через материал, который обычно имеет высокое сопротивление (например, резистор ), это «резистор передачи» или транзистор .

Первый практический точечный транзистор был построен в 1948 году Уильямом Брэдфордом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Хаусом Браттейном. Патенты на концепцию транзисторов датируются 1928 годом в Германии, хотя они, похоже, никогда не были построены, или, по крайней мере, никто никогда не утверждал, что их построил.За эту работу трое физиков получили Нобелевскую премию по физике 1956 года.

Структура базового точечного транзистора

По сути, существует два основных типа транзисторов с точечным контактом: транзистор npn и транзистор pnp , где n и p обозначают отрицательный и положительный соответственно. Единственное различие между ними - расположение напряжений смещения.

Чтобы понять, как работает транзистор, вы должны понимать, как полупроводники реагируют на электрический потенциал.Некоторые полупроводники будут типа n или отрицательными, что означает, что свободные электроны в материале дрейфуют от отрицательного электрода (например, батареи, к которой он подключен) к положительному. Другие полупроводники будут типа p , и в этом случае электроны заполняют «дыры» в электронных оболочках атомов, что означает, что он ведет себя так, как если бы положительная частица перемещалась от положительного электрода к отрицательному. Тип определяется атомной структурой конкретного полупроводникового материала.

Теперь рассмотрим транзистор npn . Каждый конец транзистора представляет собой полупроводниковый материал типа n , а между ними - полупроводниковый материал типа p . Если вы представите себе такое устройство, подключенное к батарее, вы увидите, как работает транзистор:

  • Область типа n , прикрепленная к отрицательному концу батареи, помогает продвигать электроны в среднюю область типа p .
  • Область типа n , прикрепленная к положительному концу батареи, помогает замедлить выход электронов из области типа p .
  • область типа p в центре делает и то, и другое.

Таким образом, изменяя потенциал в каждой области, вы можете существенно повлиять на скорость потока электронов через транзистор.

Преимущества транзисторов

По сравнению с электронными лампами, которые использовались ранее, транзистор был потрясающим достижением. Меньший по размеру транзистор можно было легко изготавливать дешево в больших количествах. У них также были различные эксплуатационные преимущества, которых слишком много, чтобы упоминать их здесь.

Некоторые считают транзистор величайшим изобретением 20-го века, поскольку он так много открыл путь другим электронным достижениям. Практически каждое современное электронное устройство имеет транзистор в качестве одного из основных активных компонентов. Поскольку они являются строительными блоками микрочипов, компьютеры, телефоны и другие устройства не могут существовать без транзисторов.

Другие типы транзисторов

С 1948 года было разработано большое количество типов транзисторов.Вот список (не обязательно исчерпывающий) различных типов транзисторов:

  • Биполярный переходной транзистор (BJT)
  • Полевой транзистор (FET)
  • Транзистор биполярный гетеропереход
  • Однопереходный транзистор
  • Полевой транзистор с двумя затворами
  • Лавинный транзистор
  • Транзистор тонкопленочный
  • Транзистор Дарлингтона
  • Баллистический транзистор
  • FinFET
  • Транзистор с плавающим затвором
  • Транзистор с перевернутым Т-образным эффектом
  • Спиновый транзистор
  • Фототранзистор
  • Транзистор биполярный с изолированным затвором
  • Транзистор одноэлектронный
  • Нано-жидкостный транзистор
  • Триггерный транзистор (прототип Intel)
  • Ионно-чувствительный полевой транзистор
  • Быстрореверсивный эпитаксальный диод FET (FREDFET)
  • Полевой транзистор электролит-оксид-полупроводник (EOSFET)

Под редакцией Энн Мари Хелменстайн, Ph.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *