Транзистор принцип работы для чайников. Принцип работы транзистора: подробное объяснение для начинающих

Что такое транзистор и как он работает. Какие виды транзисторов существуют. Как устроен биполярный транзистор. В чем особенности полевых транзисторов. Где применяются транзисторы в современной электронике.

Что такое транзистор и для чего он нужен

Транзистор — это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Он является основой современной электроники и используется практически во всех электронных устройствах. Основные функции транзистора:

• Усиление слабых электрических сигналов
• Работа в качестве электронного переключателя
• Стабилизация напряжения
• Генерация электрических колебаний

Транзистор пришел на смену электронным лампам, что позволило значительно уменьшить размеры электронных устройств и снизить их энергопотребление. Принцип работы транзистора основан на управлении потоком электронов в полупроводниковом материале.

Устройство биполярного транзистора

Биполярный транзистор состоит из трех областей полупроводника с чередующимся типом проводимости. Эти области называются:

• Эмиттер
• База
• Коллектор

В зависимости от чередования областей различают транзисторы типа p-n-p и n-p-n. В p-n-p транзисторе эмиттер и коллектор имеют дырочную проводимость, а база — электронную. В n-p-n транзисторе наоборот. Между областями образуются два p-n перехода: эмиттерный и коллекторный.

Принцип работы биполярного транзистора

Принцип работы биполярного транзистора основан на инжекции носителей заряда из эмиттера в базу и их дальнейшем прохождении в коллектор. Рассмотрим работу n-p-n транзистора:

1. На эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный — обратное.
2. Электроны из эмиттера инжектируются в базу.
3. Так как база очень тонкая, большая часть электронов пролетает через нее и попадает в коллектор.
4. Небольшой ток базы управляет значительно большим током коллектора.

Таким образом, слабый входной сигнал на базе может управлять сильным выходным сигналом в цепи коллектора. Это позволяет усиливать электрические сигналы.

Полевые транзисторы: принцип действия

Полевые транзисторы отличаются от биполярных принципом управления током. В них используется электрическое поле для управления проводимостью канала между истоком и стоком. Основные особенности полевых транзисторов:

• Управляются напряжением, а не током
• Имеют высокое входное сопротивление
• Не требуют входного тока для работы
• Обладают низким уровнем шумов

Существует два основных типа полевых транзисторов:

1. С управляющим p-n переходом (JFET)
2. С изолированным затвором (MOSFET)

В JFET ток канала управляется обратно смещенным p-n переходом. В MOSFET для управления используется металлический электрод, отделенный от канала слоем диэлектрика.

Где применяются транзисторы

Транзисторы нашли широчайшее применение в современной электронике:

• В интегральных микросхемах процессоров и памяти
• В усилителях звука и видеосигналов
• В источниках питания для стабилизации напряжения
• В радиоприемниках и передатчиках
• В цифровой логике как электронные ключи
• В силовой электронике для управления большими токами

Развитие технологий производства транзисторов позволило создавать все более компактные и энергоэффективные электронные устройства. Современные процессоры содержат миллиарды транзисторов на одном кристалле.

Виды транзисторов и их особенности

Существует несколько основных видов транзисторов, отличающихся своей структурой и принципом работы:

1. Биполярные транзисторы (BJT)
   • p-n-p и n-p-n типы
   • Управляются током базы
   • Используются в аналоговых схемах
2. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом (JFET)
   • n-канальные и p-канальные
   • Управляются напряжением затвора
   • Высокое входное сопротивление
3. МОП-транзисторы (MOSFET)
   • С индуцированным и встроенным каналом
   • Изолированный затвор
   • Основа современной цифровой электроники
4. IGBT-транзисторы
   • Комбинация биполярного и полевого транзистора
   • Для управления большими токами и напряжениями

Каждый тип транзисторов имеет свои преимущества и области применения. Выбор конкретного вида зависит от требований схемы.

Как работает транзистор в качестве усилителя

Одно из основных применений транзистора — усиление электрических сигналов. Рассмотрим принцип работы простейшего усилителя на биполярном транзисторе:

1. Входной сигнал подается на базу транзистора через резистор.
2. Небольшие изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора.
3. В цепь коллектора включено сопротивление нагрузки.
4. Изменения тока коллектора создают усиленное напряжение на нагрузке.
5. Выходной сигнал снимается с коллектора.

Коэффициент усиления такого каскада может достигать нескольких десятков или сотен. Для получения большего усиления используют многокаскадные схемы.

Транзистор как электронный ключ

Помимо усиления, транзисторы широко применяются в качестве электронных ключей в цифровых схемах. Принцип работы транзисторного ключа:

• В закрытом состоянии транзистор имеет высокое сопротивление
• В открытом состоянии сопротивление транзистора минимально
• Переключение осуществляется подачей управляющего сигнала
• Время переключения может составлять наносекунды

Транзисторные ключи являются основой логических элементов и триггеров в цифровых микросхемах. Они позволяют создавать сложные вычислительные устройства.

Что такое транзистор для чайников

Ну… усиление это когда мы производим какое-то действие, чтобы было лучше, качественнее, комфортнее, удобнее, безопаснее. По-моему как-то так. Усиливаем подвеску на машине, чтобы езда была комфортнее. Усиливаем фундамент под дом, загоняя туда железную арматуру, чтобы дом стоял долго и не трещал.

Поиск данных по Вашему запросу:

Что такое транзистор для чайников

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Что такое транзистор и как он работает?
• Как работает транзистор?
• Биполярный транзистор
• Как работает биполярный транзистор
• Биполярный транзистор, принцип работы для чайников
• Основы электроники для чайников: что такое транзистор и как он работает
• Принцип усиления транзистора
• Как работает транзистор: принцип и устройство
• Транзистор: виды, применение и принципы работы
• Принцип работы полевого транзистора для чайников

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Резистор — как это работает ?

Что такое транзистор и как он работает?

Транзистор — прибор, предназначенный для управления током в электрической цепи. Применяется практически во всех моделях видео- и аудио аппаратуры. Полупроводниковые транзисторы пришли на смену морально устаревшим ламповым, которые устанавливались в старые телевизоры. Для изготовления полупроводниковых моделей ранее использовался германий, но сферы его применения ограничены из-за чувствительности к температурным колебаниям. На смену германию пришел кремний, так как кремниевые детали стоят дешевле германиевых и более устойчивы к скачкам температуры.

Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических цилиндрических.

В этой статье мы постараемся простыми словами изложить, что такое транзистор, как он устроен и что делает. Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора — биполярный. В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база Б , коллектор К и эмиттер Э , каждая из которых имеет свой вывод.

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование — это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала.

Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p. В таком транзисторе коллектор и эмиттер сильно легированы, база тонкая, содержит малое количество примесей. Если к эмиттеру и базе подключают напряжение, противоположное по знаку, ток прекращается, и транзистор переходит в закрытое состояние.

Кратко принцип работы полупроводникового транзистора можно изложить так: при подключении к зажимам эмиттера и базы напряжения одноименного заряда прибор переходит в открытое состояние, при подключении к этим выводам обратных зарядов транзистор закрывается. Обратная связь Получить информацию о наличии товара вы можете у наших менеджеров, позвонив по телефону Электронные компоненты Статьи по радиоэлектронике Как работает транзистор: принцип и устройство.

Обновлена: 05 Июля 0. Поделиться с друзьями. Транзисторы Устройство транзисторов Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора — биполярный. Б — база, очень тонкий внутренний слой; Э — эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу; К — коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

Типы проводимости: n-типа — носителями зарядов являются электроны. В базе образуются носители зарядов. Чем выше напряжение, тем больше количество носителей зарядов появляется в базе.

Ток, подаваемый на базу, называется управляющим. Если к коллектору подключить обратное напряжение n-коллектор подключается к плюсу, p-коллектор — к минусу , то между эмиттером и коллектором появится разница потенциалов, и между ними потечет ток.

Чем больше носителей заряда скапливается в базе, тем сильнее будет ток между коллектором и эмиттером. Этот принцип используется при производстве усилителей. Как работает транзистор — видео Была ли статья полезна? Оцените статью. Как определить выводы транзистора. Назначение и области применения транзисторов.

Биполярные транзисторы: принцип работы, характеристики и параметры. Анатолий Мельник. Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент. Комментарии Нет комментариев Добавить комментарий.

Да Нет Оцените статью.

Как работает транзистор?

Войдите , пожалуйста. Хабр Geektimes Тостер Мой круг Фрилансим. Войти Регистрация. Биполярные транзисторы. For dummies Электроника для начинающих Предисловие Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах. Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода.

Появление транзистора определенно стало переворотом в электронике, я бы сказал, что с транзистора она и началась. Необходимо знать что такое.

Биполярный транзистор

Биполярные транзисторы с изолированным затвором являются новым типом активного прибора, который появился сравнительно недавно. Его входные характеристики подобны входным характеристикам полевого транзистора, а выходные — выходным характеристикам биполярного. По быстродействию они значительно превосходят биполярные транзисторы. Чаще всего IGBT-транзисторы используют в качестве мощных ключей, у которых время включения 0,2 — 0,4 мкс, а время выключения 0,2 — 1,5 мкс, коммутируемые напряжения достигают 3,5 кВ, а токи А. IGBT- т ранзисторы вытесняют тиристоры из высоковольтных схем преобразования частоты и позволяют создать импульсные источники вторичного электропитания с качественно лучшими характеристиками. IGBT- т ранзисторы используются достаточно широко в инверторах для управления электродвигателями, в мощных системах бесперебойного питания с напряжениями свыше 1 кВ и токами в сотни ампер. В какой-то степени это является следствием того, что во включенном состоянии при токах в сотни ампер падение напряжения на транзисторе находится в пределах 1,5 — 3,5В. Как видно из структуры IGBT-транзистора рис.

Как работает биполярный транзистор

Что такое биполярный транзистор — элементарное полупроводниковое устройство, функциональность которого охватывает изменение либо усиление выходного сигнала от заряженных частиц. Соответственно, данное устройство может быть представлено как два диодных элемента, включенных противоположно друг другу. В простонародье биполярный транзистор пришел на смену морально и физически устаревшим транзисторам лампового вида, которые эксплуатировались очень длительное время в конструкциях телевизоров прошлого столетия. Рисунок 1 — Биполярный транзистор. Как видно из изображения 1 устройства данного вида имеют 3 выхода, однако, по конструктивному исполнению внешний вид отличается друг от друга.

Принцип полупроводникового управления электрическим током был известен ещё в начале ХХ века.

Биполярный транзистор, принцип работы для чайников

Электроника окружает нас всюду. Но практически никто не задумывается о том, как вся эта штука работает. На самом деле все довольно просто. Именно это мы и постараемся сегодня показать. А начнем с такого важного элемента, как транзистор. Расскажем, что это такое, что делает, и как работает транзистор.

Основы электроники для чайников: что такое транзистор и как он работает

Транзисторы — полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Наиболее распространены так называемые биполярные транзисторы. Их основа — пластинка монокристаллического полупроводника чаще всего кремния или германия , в которой с помощью особых технологических приемов созданы, как минимум, три области с разной электропроводностью: эмиттер, база и коллектор. Электропроводность эмиттера и коллектора всегда одинаковая р или п , базы — противоположная п или р. Иными словами, биполярный транзистор далее просто транзистор содержит два р-п перехода: один из них соединяет базу с эмиттером эмиттерный переход , другой — с коллектором коллекторный переход. На схемах транзисторы обозначают, как показано на рис. Внешний вид транзисторов, обозначение транзисторов на принципиальных схемах.

Основы электроники для чайников: что такое транзистор и как он работает. Электроника окружает нас всюду. Но практически никто не.

Принцип усиления транзистора

Что такое транзистор для чайников

Это такая хитрая фиговина, пропускающая ток только в одну сторону. Его можно сравнить с ниппелем. Применяется, например, в выпрямителях, когда из переменного тока делают постоянный.

Как работает транзистор: принцип и устройство

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности. Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств — от нескольких нанометров бескорпусные элементы, используемые в микросхемах , до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до В. Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе.

Транзистор — прибор, предназначенный для управления током в электрической цепи. Применяется практически во всех моделях видео- и аудио аппаратуры.

Транзистор: виды, применение и принципы работы

Транзистор transistor, англ. В радиодеталях, из которых собирают современные сложные электроприборы, используются полевые транзисторы. Их свойства позволяют решать задачи по выключению или включению тока в электрической цепи печатной платы, или его усилению. Оглавление: Что такое полевой транзистор Полевые транзисторы, их виды Полевой транзистор, принцип работы Зачем нужен полевой транзистор Применение полевых транзисторов Плюсы и минусы полевых транзисторов. Полевой транзистор — это устройство с тремя или четырьмя контактами, в котором ток на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. Поэтому их называют полевыми. Полевой транзистор с п — р переходом — особый вид транзисторов, которые служат для управления током.

Принцип работы полевого транзистора для чайников

Условно биполярный транзистор можно нарисовать в виде пластины полупроводника с меняющимися областями разной проводимости, состоящие из двух p-n переходов. Причем крайние области пластины обладают проводимостью одного типа, а средняя область противоположного типа, каждая из областей имеет свой персональный вывод. В зависимости от чередования этих областей транзисторы бывают p-n-p и n-p-n проводимости, соответственно. А если взять и прикрыть одну любую часть транзисто, то у нас получится полупроводник с одним p-n переходом или диод.

Транзистор. Как работает транзистор и для чего он нужен? Виды транзисторов и принцип работы для чайников

В свое время за открытие транзистора его создатели удостоились Нобелевской премии. Этот маленький прибор изменил человечество навсегда: начиная с простых радиоприемников и заканчивая процессорами, в которых их число достигает нескольких миллиардов. Между тем, чтобы узнать, как он работает, не нужно быть золотым медалистом или лауреатом «нобелевки».

Содержание статьи

• 1 Что такое транзистор
• 2 Принцип действия
• 3 Биполярный транзистор
• 4 Полевой транзистор
• 5 Основные характеристики
• 6 Типы подключений
• 7 Виды транзисторов

Что такое транзистор

Транзистор – это прибор, изготовленный из полупроводниковых материалов. Выглядит как маленькая металлическая пластинка с тремя контактами. Назначений у него два: усиливать поступающий сигнал и участвовать в управлении компонентами электроприборов.

Принцип действия

Полупроводники занимают промежуточное состояние между проводниками и диэлектриками. В обычном состоянии они не проводят электрический ток, но их сопротивление падает с ростом температуры. Чем она выше, тем больше энергии, которую получает вещество.

В атомах полупроводника электроны отрываются от «родительского» атома и улетают к другому, чтобы заполнить там «дырку», которую оставил такой же электрон. Получается, что внутри такого материала одновременно происходят два процесса: полет электронов (n-проводимость, от слова negative – отрицательный), и образование «дырок» (p-проводимость от слова positive – положительный). В обычном куске кремния эти процессы уравновешены: количество дырок равно количеству свободных электронов.

Однако с помощью специальных веществ можно нарушить это равновесие, добавив «лишние» электроны (вещества – доноры) или «лишние» «дырки» (вещества акцепторы). Таким образом можно получить кристалл полупроводника с преобладающей n-проводимостью, либо p-проводимостью.

Если два таких материала приложить друг к другу, то в месте их соприкосновения образуется так называемый p-n переход. Дырки и электроны проходят через него, насыщая соседа. То есть там, где был избыток дырок, идет их заполнение электронами и наоборот.

В какой-то момент в месте соприкосновения не останется свободных носителей заряда и наступит равновесие. Это своего рода барьер, который невозможно преодолеть, этакая пустыня. Этот слой принято называть обедненным слоем.

Теперь, если приложить к такому материалу напряжение, то оно поведет себя интересным образом: при прямой его направленности обедненный слой истончится и через него пойдет электроток, а при обратном – наоборот, расширится.

Как говорится, если для чайников, то p-n переход обладает способностью пропускать ток только в одном направлении. Это своего рода «обратный клапан» для электрической сети. На этом их свойстве основана работа всех полупроводниковых приборов.

Существует две основные разновидности транзисторов: полевые (иногда их называют униполярными) и биполярными. Различаются они по устройству и принципу действия.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор обладает двумя переходами: p-n-p или n-p-n. Принципиальное различие между ними – направление течения тока.

Коллектор и эмиттер, обладающие одинаковой проводимостью (в n-p-n транзисторе n-проводимостью), разделены базой, которая обладает p-проводимостью. Если даже эмиттер подключен к источнику питания, ему не пробиться напрямую в коллектор. Для этого необходимо подать ток на базу.

В таком случае электроны из эмиттера заполняют «дырки» последней. Но так как база слабо легирована, то и дырок в ней мало. Поэтому большая часть электронов переходит в коллектор и они начинают свое движение по цепи. Ток коллектора практически равен току эмиттера, ведь на базу приходится очень маленькое его значение.

Чтобы нагляднее себе это представить, можно воспользоваться аналогией с водопроводной трубой. Для управления количеством воды нужен вентиль (транзистор). Если приложить к нему небольшое усилие, он увеличит свое проходное сечение трубы и через него начнет проходить больше воды.

Полевой транзистор

Если в биполярном транзисторе управление происходило с помощью тока, то в полевом – с помощью напряжения. Состоит он из пластинки полупроводника, которую называют каналом. С одной стороны к ней подключен исток – через него в канал входят носители электрического тока, а с другой сток – через него они покидают канал.

Сам канал как бы «зажат» между затвором, который обладает обратной проводимостью, то есть если канал имеет n-проводимость, то затвор – p-проводимость. Затвор электрически отделен от канала. Изменяя напряжение на затворе, можно регулировать зону p-n перехода. Чем она больше, тем меньше электрической энергии проходит через канал. Существует значение напряжения, при котором затвор полностью перекроет канал и ток между истоком и стоком прекратится.

Наиболее наглядная иллюстрация в этом случае – садовый шланг, который проходит через камеру небольшого колеса. В таком случае, даже когда в него подается небольшое давление воздуха (напряжение затвор-исток), оно значительно увеличивается в размерах и начинает пережимать шланг, перекрывается просвет шланга и прекращается подача воды (увеличивается зона p-n перехода и через канал перестает идти электроток).

Описанный выше тип полупроводникового прибора является классическим и называется транзистором с управляющим p-n переходом. Часто можно встретить аббревиатуру JFET – Junction FET, что просто перевод русского названия на английский.

Другой тип полевого триода имеет небольшое различие в конструкции затвора. На слое кремния с помощью окисления образуется слой диэлектрика оксида кремния. Уже на него методом напыления металла наносят затвор. Получаются чередующиеся слои Металл -Диэлектрик – Полупроводник или МДП-затвор.

Такой полевой транзистор с изолированным затвором обозначается латинскими буквами MOSFET.

Существует два вида МДП-затвора:

1. МДП-затвор с индуцированным (или инверсным) каналом в обычном состоянии закрыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал не проходит. Для того, чтобы открыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.
2. МДП-затвор со встроенным (или собственным) каналом в обычном состоянии открыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал проходит. Для того, чтобы закрыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.

Основные характеристики

Основная особенностью всех видов транзисторов является способность управлять мощным током с помощью небольшого по силе. Их отношение показывает насколько эффективен полупроводниковый прибор.

В биполярных транзисторах этот показатель называется статическим коэффициентом передачи тока базы. Он характеризует, во сколько раз основной коллекторный ток больше вызвавшего его тока базы. Этот параметр имеет очень широкое значение и может достигать 800.

Хотя на первый взгляд кажется, что здесь важен принцип «чем больше, тем лучше», но в действительности это не так. Скорее, тут применимо изречение «лучше меньше, да лучше». В среднем биполярные транзисторы имеют коэффициент передачи тока базы в пределах 10 – 50.

Для полевых транзисторов схожий по типу параметр называется крутизной входной характеристики или проводимостью прямой передачи тока. Если вкратце, он показывает, на сколько изменится напряжение, проходящее через канал, если изменить напряжение затвора на 1 В.

Если на транзистор подать сигнал с определенной частотой, то он многократно усилит его. Это свойство полупроводниковых приборов применяется в радиоэлектронике. Однако существует предел усиления частоты, за которым триод уже не в состоянии усилить сигнал.

Поэтому оптимальным считается максимальная рабочая частота сигнала, в 10-20 раз ниже предельного усиления частоты транзистора.

Еще одной показательной характеристикой транзистора является максимальная допустимая рассеиваемая мощность. Дело в том, что при работе любого электрического прибора вырабатывается тепло. Оно тем больше, чем выше значения силы тока и напряжения в цепи.

Отводится оно несколькими способами: с помощью специальных радиаторов, принудительного обдува воздухом и другими. Таким образом, существует некий предел количества теплоты для любого триода (для каждого он разный), который он может рассеять в пространство. Поэтому при выборе прибора исходят из характеристик электрической цепи, на который предстоит установить транзистор.

Типы подключений

Основная задача транзистора – усиливать поступающий сигнал. Проблема в том, что у любого триода имеются только три контакта, в то время как сам усилитель имеет четыре полюса – два для входящего сигнала и два для выходящего, то есть усиленного. Выход из положения – использовать один из контактов транзистора дважды: и как вход, и как выход.

По этому принципу различают три вида подключения. Стоит отметить, что не имеет принципиальной разницы, какой тип прибора используется – полевой или биполярный.

1. Подключение с общим эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ). Эта схема подключения имеет наибольшие значения усиления мощности по току и напряжению. Однако из-за эффекта Миллера его частотные характеристики значительно хуже. Борются с этим негативным явлением несколькими способами: используют подключение с общей базой, применяют каскодное подключение двух транзисторов (подключённому по общему эмиттеру добавляется второй, подключенный по общей базе).
2. Подключение с общей базой (ОБ) или общим затвором (ОЗ). Здесь полностью исключено влияние эффекта Миллера. Однако за это приходиться платить: в этой схеме усиления тока практически не происходит, зато имеется широкий диапазон для изменения частоты сигнала.
3. Подключение с общим коллектором (ОК) или общим стоком (ОС). Такой тип подключения часто называют эмиттерным или истоковым повторителем. Это «золотая середина» между двумя предыдущими видами схем: частотные характеристики и мощность усиления по току и напряжению находятся где-то посередине между двумя первыми.

Все три описанных выше типа подключения применяются в зависимости от того, какие цели преследуют конструкторы.

Виды транзисторов

В первых транзисторах применялся германий, который работал не совсем стабильно. Со временем от него отказалось в пользу других материалов: кремния (самый распространённый) и арсенида галлия. Но все это традиционные полупроводники.

В настоящее время начинают набирать популярность триоды на основе органических материалов и даже веществ биологического происхождения: протеинов, пептидов, молекул хлорофилла и целых вирусов. Биотранзисторы используются в медицине и биотехнике.

Другие классификации транзисторов:

1. По мощности подразделяются на маломощные (до 0,1 Вт), средней мощности (от 0,1 до 1 Вт) и просто мощные (свыше 1 Вт).
2. Также разделяются по материалу корпуса (металл или пластмасса), типу исполнения (в корпусе, бескорпусные, в составе интегральных схем).
3. Нередко их объединяют друг с другом для улучшения характеристик. Такие транзисторы называются составными или комбинированными и могут состоять из двух и более полупроводниковых приборов. Строение и у них простое: эмиттер первого является базой для второго и так далее до необходимого количества триодов. Бывает нескольких типов: Дарлинга (все составляющие с одинаковым типом проводимости), Шиклаи (тип проводимости разный), каскодный усилитель (два прибора, работающие как один с подключением по схеме с общим эмиттером).
4. К составным относится также и IGBT-транзистор, представляющий собой биполярный, который управляется при помощи полярного триода с изолированным затвором. Такой тип полупроводниковых приборов применяется в основном там, где нужно управлять большим током (сварочные аппараты, городские электросети) или электромеханическими приводами (электротранспорт).
5. В качестве управления может применяться не ток, а другое электромагнитное воздействие. К примеру, в фототранзисторах в качестве базы используется чувствительный фотоэлемент, а в магнитотранзисторах – материал, индуцирующий ток при воздействии на него магнитного поля.

Технологический предел для транзисторов еще не достигнут. Их размеры уменьшаются с каждым голом, а различные научно-исследовательские институты ведут поиск новых материалов для использования в качестве полупроводника. Можно сказать, что эти полупроводниковые приборы еще не сказали миру своего последнего слова.

Транзисторы объяснили — что они из себя представляют и что они делают

Транзисторы объяснили — что они такое и что они делают

Содержание

– Почему важны транзисторы

– Что такое транзистор?

— История транзистора

– Как работают транзисторы?

• Роль полупроводников

• Транзисторы n-типа и p-типа

– Какие типы транзисторов существуют?

• БЮТ и МОП-транзистор

• Конструкции транзисторов – планарные, FinFET и Gate-all-around

– Как делают транзисторы

– Кто производит транзисторы?

Транзистор — сочетание слов «передача» и «резистор» — это полупроводниковое устройство, которое усиливает или переключает электрические сигналы и является одним из строительных блоков современной электроники. Триллионы транзисторов встроены в электронные устройства на Земле и в космосе.

Почему важны транзисторы

Транзистор называют «рабочей лошадкой электронных технологий» и «нервными клетками века информации». Без них мы до сих пор жили бы в 1950-х, говоря электронным языком: без портативных компьютеров, игровых консолей, электронных камер, смартфонов, смарт-часов и интернета, без GPS, космических телескопов или марсоходов, современных автомобилей. никаких крошечных слуховых аппаратов и громоздких черно-белых телевизоров. Производство, финансы, здравоохранение, наука и исследования, транспорт — затронуты будут почти все аспекты современной жизни. Транзисторы также используются для высокочастотных приложений, таких как схемы генератора, используемые для генерации радиосигналов.

С момента своего изобретения в 1947 году транзисторы стали невообразимо маленькими, размером с одну цепочку ДНК! Например, новейшая 2-нанометровая (нм) технология IBM позволяет компании втиснуть ошеломляющие 50 миллиардов транзисторов в чип размером с ноготь. Даже коммерчески используемые устройства, такие как нынешние процессоры M2, используемые Apple, представляют собой чипы, построенные по 5-нм технологии, которые уже содержат 20 миллиардов транзисторов.

Пластина с узловыми чипами 2 нм. (Изображение: IBM)

На сегодняшний день транзисторы чаще всего используются в чипах компьютерной памяти и микропроцессорах.

Что такое транзистор?

Транзисторы являются активными компонентами компьютерного чипа (также называемого микрочипом, интегральной схемой или ИС), который может содержать миллиарды этих устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. На чипе транзисторы действуют как взаимосвязанные миниатюрные электрические переключатели, которые могут усиливать электрические сигналы или включать или выключать ток.

Как и любой электрический переключатель, транзистор должен исключительно хорошо выполнять три задачи: пропускать максимальный ток во включенном состоянии; не допускайте утечки тока, когда он выключен; и включать и выключать как можно быстрее, чтобы гарантировать оптимальную производительность.

Это означает, что каждый транзистор может находиться в двух разных состояниях, сохраняя два числа — ноль и единицу. С миллиардами транзисторов чип может содержать миллиарды нулей и единиц, отправляя, получая и обрабатывая значительный объем данных.

Ряд из шести 2-нм транзисторов, каждый с четырьмя затворами, как видно с помощью просвечивающей электронной микроскопии. 2 нм не больше ширины одной цепи ДНК человека. (Изображение: IBM)

История транзистора

В 1940-х годах электронные лампы и электромеханические реле широко использовались в быстро растущих телефонных сетях. Электромеханические реле сделали реальностью полностью автоматический телефонный набор и переключение, но реле имели низкую скорость.

Вакуумные лампы широко использовались в качестве диодов и триодов в электронной промышленности того времени. Первый компьютер, который будет использовать электронные лампы, электронный числовой интегратор и компьютер, также известный как ENIAC, был построен в 1946 году. Фактически, ENIAC использовал более 17 000 электронных ламп для своей работы, что позволяло отправлять сигналы и выполнять вычисления. выполняться быстрее за счет использования электрического переключения, а не более медленного механического переключения.

Проблема с электронными лампами заключалась в том, что они были не очень надежными и были огромными по сравнению с транзисторами — как следствие, ENIAC занимал 15×9метров (50х30 футов) большая комната. Он обрабатывал около 500 операций с плавающей запятой в секунду (FLOPS). Теоретическая производительность процессора Apple M2 в последних iPhone оценивается в 3,6 терафлопс, то есть 3,6 трлн флопс — и это умещается на ногте.

Вакуумные трубки. (Фото)

В 1940-х годах в лабораториях Bell Labs в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси, физики Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли приступили к изучению полупроводниковых материалов, чтобы выяснить, смогут ли они создать прочную альтернативу, которая в конечном итоге сможет заменить электронные лампы. в телефонных сетях.

Бардин, Браттейн и Шокли тестировали различные комбинации полупроводников p-типа и n-типа в различных условиях, пока наконец не нашли конфигурацию, которая позволила бы тонкому слою полупроводника регулировать большой ток между двумя электродами.

16 декабря 1947 года они продемонстрировали первый работающий транзистор, теперь известный как транзистор с точечным контактом (подвиг, за который они были удостоены Нобелевской премии по физике 1956 года). Первый транзистор был размером примерно с большой палец.

Первый собранный транзистор. Он был назван транзистором с точечным контактом, потому что усиление происходило, когда два заостренных металлических контакта прижимались к поверхности полупроводникового материала. (Изображение: Nokia Bell Labs)

Хотя транзистор с точечным контактом был первым изобретённым транзистором, он так и не стал коммерчески успешным, поскольку трудно контролируемые изменения в точечных контактах металл-полупроводник затрудняли их надёжное производство. и с едиными рабочими характеристиками.

Коммерческие транзисторы начали набирать обороты после того, как в июле 1951 года Bell Labs объявила об успешном изобретении и разработке переходного транзистора.

К концу 1950-х годов транзисторы с биполярным переходом почти полностью заменили электронные лампы в компьютерных приложениях.

Транзистор работал эффективнее электронной лампы и потреблял меньше энергии. Это не только произвело революцию в телефонных сетях и компьютерных технологиях, но также позволило компьютерам стать меньше, более экономичными и развиваться более быстрыми темпами. Транзисторы стали ступенькой между электронными лампами и современными компьютерными технологиями.

В 1971 году появился первый микропроцессор: Intel 4004, включающий 2300 транзисторов и первую память. Ширина линии схемы микропроцессора Intel 4004 составляла 10 микрон или 10 000 нанометров. 40 лет спустя процессор Intel Core с 32-нм кристаллом содержал 560 миллионов транзисторов. Еще через 10 лет, к 2021 году, топовые процессоры M2, используемые Apple, представляют собой чипы, построенные по 5-нм технологии и содержащие 20 миллиардов транзисторов.

Сложность интегральных схем растет экспоненциально, удваиваясь каждые 2-3 года в соответствии с законом Мура, поскольку транзисторы продолжают становиться все более миниатюрными.

Закон Мура, постулированный одним из основателей Intel Гордоном Муром в 1965 году, соблюдает эмпирическую закономерность, согласно которой количество транзисторов в интегральных схемах удваивается примерно каждые два года. Это наблюдение остается в силе уже более 50 лет и способствует развитию вычислительной техники, в том числе скорости обработки и стоимости компьютеров.

Закон Мура: Количество транзисторов удваивается каждые два года. (щелкните изображение, чтобы увеличить его) (Источник: OurWorldInData.org, лицензия CC-BY)

Как работают транзисторы?

Транзистор — это устройство для управления, усиления и генерации электрических сигналов практически во всех современных электронных устройствах. Он основан на электронных свойствах полупроводникового материала для его функции регулировать или контролировать ток или поток напряжения, усиливая и генерируя эти электрические сигналы и действуя для них как переключатель / ворота.

Транзистор работает как электронный переключатель, который может включать и выключать ток. Таким образом, его основной принцип работы применяется непосредственно к обработке двоичного кода (0, ток заблокирован, 1 он проходит) в логических схемах (инверторах, логических элементах, сумматорах и ячейках памяти). Но транзистор также может быть частично включен, что полезно для создания усилителей.

Роль полупроводников

В отличие от проводников, таких как металлы, которые имеют множество свободных электронов для переноса электрического тока, полупроводники, такие как кремний и германий, имеют очень мало носителей заряда. Однако добавление небольшого количества определенных примесей — процесс, называемый легированием, — может изменить количество носителей заряда. Легирование модулирует его электрические, оптические и структурные свойства и, как следствие, позволяет кремнию приобретать свободные электроны, которые переносят электрический ток.

Когда полупроводник подвергся легированию, его называют внешним полупроводником . Напротив, полупроводник в чистом нелегированном виде представляет собой собственный полупроводник .

При легировании кремния существует два типа примесей, по которым классифицируются кремниевые полупроводники: n-типа, когда из него вытекают электроны, и p-типа, когда электроны в него втекают. В любом случае полупроводник позволяет транзистору функционировать как переключатель или усилитель.

Транзисторы n-типа и p-типа

Например, если в кремний добавить небольшое количество фосфора или мышьяка, получится хороший полупроводник, в котором электроны, отданные фосфором или мышьяком, действуют как носители заряда. Полупроводники, полученные таким образом, называются полупроводниками n-типа, так как заряд носителей отрицательный.

Более примечательный тип полупроводника образуется при легировании кремния небольшим количеством бора или галлия. Бор или галлий обеспечивают положительно заряженный носитель, похищая электрон у кремния. Вместо электрона остается дырка, и эта дырка может перемещаться внутри полупроводника, действуя как носитель положительного заряда. Эти полупроводники называются полупроводниками р-типа.

Техническое значение полупроводников во многом связано с взаимодействием дырок и электронов. Существенная разница между легированием n- и p-типа заключается в направлении, в котором электроны текут через осажденные слои полупроводника. Кремний как n-, так и p-типа является хорошим (но не отличным) проводником электричества. Кремний N- и p-типа сам по себе не представляет ничего удивительного. Однако, когда вы соединяете их вместе, интересное поведение проявляется на стыке между ними.

Работа переходных транзисторов, как и большинства других полупроводниковых устройств, сильно зависит от поведения электронов и дырок на границе раздела двух разнородных слоев, известной как p-n переход.

Какие типы транзисторов существуют?

Конструкция транзистора со временем претерпела изменения: от планарных до транзисторов FinFET и транзисторов с затвором по всему периметру (GAA).

BJT и MOSFET

Обычно транзистор, основанный на транспорте электронов в твердом теле (т. е. твердотельное устройство), а не в вакууме, как в старых вакуумных лампах, состоит как минимум из три вывода для подключения к электронной схеме: база, эмиттер и коллектор, как они называются в классическом транзисторе с биполярным переходом (BJT). В современных переключающих приложениях, в которых используются полевые транзисторы (FET), они называются вентиль , сток и источник .

Источник действует как эмиттерная нить накала электронной лампы; слив действует как пластина коллектора; и ворота действуют как контроллер. Эти элементы работают по-разному в двух основных типах транзисторов, используемых сегодня: транзисторах с биполярным переходом, которые появились первыми, и полевых транзисторах металл-оксид-полупроводник (MOSFET).

Схематический обзор планарного MOSFET n-типа с легированными областями истока и стока. (Изображение: Азал Алотмани, Лундский университет)

При работе в качестве усилителя транзистор преобразует небольшой входной ток в больший выходной ток. В качестве переключателя он может находиться в одном из двух различных состояний — ВКЛ или ВЫКЛ — для управления потоком электронных сигналов через электрическую цепь или электронное устройство.

Сегодня МОП-транзисторы являются наиболее распространенным типом транзисторов. Это связано с уникальными характеристиками этого транзистора, в основном с низким энергопотреблением и высокой производительностью. Его можно использовать в качестве переключателя, а также для усиления сигналов в электронных устройствах.

Конструкции транзисторов

Планарные транзисторы

(Изображение: ASML)

Эта конструкция представляет собой классический транзистор с биполярным переходом (так называемый, потому что он имеет два p-n перехода транзистора), который соединяет ключевые элементы двумерная плоскость, включающая затвор, который модулирует проводимость через канал, исток, через который управляющий ток входит в канал, и сток, через который ток выходит из канала.

Типы биполярных переходных транзисторов: транзисторы n-p-n и p-n-p. Транзистор n-p-n изготавливается путем помещения материала p-типа между двумя материалами n-типа. Транзистор p-n-p изготавливается путем помещения материала n-типа между двумя материалами p-типа.

Все эти компоненты построены на основе полупроводникового материала кремния. Эта концепция транзистора была промышленно внедрена в 1950-х и 60-х годах и очень подходила для массового производства и миниатюризации.

Транзисторы FinFET

(Изображение: ASML)

Со временем инженеры обнаружили, что можно лучше контролировать поток тока в канале, поднимая ворота над плоскостью кремния, как плавник над водой. . В то время как биполярный транзистор управляется током, полевой транзистор (FET) управляется напряжением. Кроме того, полевой транзистор является униполярным устройством, что означает, что он изготовлен с использованием материала p-типа или n-типа в качестве основной подложки. Следовательно, проводимость тока полевого транзистора осуществляется либо электронами, либо дырками.

Основным преимуществом полевого транзистора является то, что он имеет очень высокий входной импеданс, порядка мегаОм. Дополнительными преимуществами являются низкое энергопотребление и низкое тепловыделение, что делает полевые транзисторы высокоэффективными устройствами. Следовательно, промышленность переключилась с 2D-планарных транзисторов на полевые транзисторы с 3D-ребрами, сокращенно FinFET.

В транзисторах FinFET затвор охватывает канал с трех сторон кремниевого ребра, а не через его верхнюю часть, как в планарных транзисторах. Это создает инверсионный слой с гораздо большей площадью поверхности, что позволяет затвору лучше контролировать протекание тока через транзистор. Это означает, что через транзистор может протекать больший ток с меньшей утечкой, а для работы транзистора требуется более низкое напряжение затвора. Кроме того, вертикальная геометрия FinFET позволила инженерам упаковать больше транзисторов в микросхему, еще больше продвинув закон Мура. Результатом стал чип с более высокой производительностью, меньшим энергопотреблением и лидирующим статусом в 2010-х годах.

Транзисторы со сквозным затвором

(Изображение: ASML)

Благодаря современным узлам микросхем, которые производят ведущие производители микросхем, FinFET достигают предела своих возможностей. сколько ребер можно поставить рядом друг с другом, чтобы увеличить их пропускную способность по току, не страдая от проблем с электричеством.

Чтобы еще больше улучшить управление транзисторным каналом, инженеры нашли способ заменить вертикальное ребро стопкой горизонтальных листов, создав новую концепцию, называемую полевыми транзисторами с открытым затвором, которые сокращенно называются GAA-транзисторами. или GAAFET.

Транзисторы со сквозным затвором используют многослойные нанолисты. Эти отдельные горизонтальные листы уложены друг на друга вертикально, так что затвор окружает канал со всех четырех сторон, дополнительно уменьшая утечку и увеличивая управляющий ток. Это означает, что превосходные электрические сигналы проходят через транзисторы и между ними, улучшая производительность чипа.

Кроме того, у производителей микросхем теперь есть возможность варьировать ширину нанолистов в соответствии с конкретной конструкцией микросхемы. В частности, широкие нанолисты обеспечивают более высокий и лучший управляющий ток, а узкие нанолисты могут оптимизировать энергопотребление.

Как изготавливаются транзисторы

Транзисторы на микросхемах изготавливаются путем создания слоев взаимосвязанных узоров на кремниевой пластине. Этот производственный процесс представляет собой очень сложное предприятие, включающее сотни высокоточных шагов, выполняемых в сверхчистых помещениях со сложным и специализированным оборудованием.

С самого начала транзисторы изготавливались из кремния (Si), который остается наиболее широко используемым полупроводником из-за исключительного качества интерфейса, создаваемого кремнием и оксидом кремния (SiO2), который служит изолятором.

Вот краткий обзор основных этапов:

1) Осаждение

Первым этапом создания микрочипа обычно является нанесение тонких пленок материалов на кремниевую пластину. Эти материалы могут быть проводниками, изоляторами или полупроводниками.

2) Литография

Литография, или фотолитография, является важным этапом в процессе изготовления компьютерных микросхем. Он включает в себя покрытие пластины светочувствительным материалом и экспонирование ее светом внутри литографической машины.

3) Покрытие фоторезистом

Для печати слоя чипа пластина сначала покрывается светочувствительным слоем, называемым «фоторезистом» или для краткости «резистом». Затем он поступает в литографическую машину.

4) Экспонирование

Внутри литографической машины свет проецируется на пластину через сетку, содержащую план печатаемого рисунка. Оптика системы сжимает рисунок и фокусирует его на резисте. Когда свет попадает на резист, он вызывает химические изменения, воссоздавая рисунок сетки на резисте.

5) Компьютерная литография

Сетку, содержащую рисунок, который будет напечатан на пластине, иногда необходимо оптимизировать путем преднамеренной деформации рисунка, чтобы компенсировать физические и химические эффекты, возникающие во время литографии.

6) Запекание и проявление

После выхода из литографической машины пластина запекается и проявляется, чтобы сделать эти изменения постоянными, а часть фоторезиста смывается, чтобы создать узор из открытых пространств в резисте.

7) Травление

Такие материалы, как газы, используются для удаления материала из открытых пространств, образующихся на этапе проявки, оставляя трехмерную версию рисунка.

8) Метрология и контроль

На протяжении всего процесса производства чипов пластина измеряется и проверяется на наличие ошибок. Эти измерения возвращаются в системы и используются для оптимизации и стабилизации оборудования.

9) Ионная имплантация

Пластина также может быть подвергнута бомбардировке положительными или отрицательными ионами для настройки полупроводниковых свойств частей шаблона перед удалением оставшегося фоторезиста.

10) Повторять, повторять, повторять

Шаги 1-9, от осаждения до удаления сопротивления, повторяются до тех пор, пока пластина не будет покрыта узором, завершая один слой чипов пластины. Чтобы сделать весь чип, этот процесс можно повторить до 100 раз, накладывая шаблоны поверх шаблонов, чтобы создать интегральную схему.

11) Обработанная пластина

На последнем этапе производства пластина нарезается на отдельные чипсы, которые помещаются в защитные пакеты.

Процесс производства чипов состоит из двух этапов: предварительный процесс, при котором чипы формируются на пластинах, и завершающий процесс, когда готовые пластины разрезаются и чипы размещаются в своих упаковках. (Изображение: Toshiba)

Здесь, на веб-сайте Toshiba, есть отличная карта производственного процесса, от начального роста пленки оксида кремния до окончательного процесса создания слоя проводки.

Кто производит транзисторы?

Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (которая производит все чипы Apple), Intel и Samsung Electronics — единственные компании, которые могут производить самые современные микрочипы. Причина, по которой этот клуб настолько эксклюзивен, заключается в огромных капитальных затратах на строительство заводов по производству полупроводников ( фабрики или литейных цеха ), которые производят эти микросхемы. Например, TSMC, как сообщается, тратит 34 миллиарда долларов на свой последний литейный завод, который будет производить будущие 2-нм чипы.

Однако эти фабрики не могли существовать сами по себе. Передовая полупроводниковая промышленность представляет собой сложную сеть специализированных компаний из Америки, Европы и Азии.

Просто чтобы дать вам представление об этой экосистеме: используя сложные инструменты автоматизированного проектирования и программное обеспечение от Synopsys и Cadence, такие компании, как AMD, Qualcomm, Intel, Apple и Nvidia, преуспевают в разработке самых передовых чипов. Applied Materials разрабатывает и производит оборудование, используемое на различных этапах процесса изготовления пластин. ASML обеспечивает литографию. Zeiss SMT специализируется на оптических линзах, которые рисуют трафареты на кремниевых пластинах этих конструкций, используя как глубокий, так и экстремальный ультрафиолетовый свет. Lam Research, KLA и другие фирмы поставляют различное сложное и узкоспециализированное оборудование для изготовления пластин.

 

электронов — Как работает транзистор?

Задай вопрос

спросил 1 год, 6 месяцев назад

Изменено 1 год, 6 месяцев назад

Просмотрено 396 раз

$\begingroup$

Здесь мы видим транзистор с биполярным переходом (BJT), который имеет общую базовую конфигурацию. Мой инструктор недавно объяснил мне его принцип работы, но я не полностью понял его объяснение, так как у меня были некоторые проблемы с его объяснением. Его объяснение было следующим:

Эмиттер очень сильно легирован, а база очень, очень тонкая и очень слабо легирована. Коллектор умеренно легирован.

У нас есть два источника напряжения, один из которых имеет значительно большее напряжение, чем другой. Источник постоянного тока с более высоким напряжением А подключен в обратном смещении к диоду база-коллектор, а источник постоянного тока с более низким напряжением В подключен в прямом смещении к диоду эмиттер-база. При обратном смещении зона обеднения диода база-коллектор расширяется.

Теперь, когда эмиттерно-базовый диод соединен в прямом смещении с B, электроны начнут течь от отрицательного вывода B, стремясь переместиться к положительному выводу B. Однако, достигнув базы, электроны найти очень меньше отверстий по сравнению с их количеством. Итак, очень небольшое количество электронов рекомбинирует с дырками в базе и генерирует небольшой ток $I_B$, текущий к базе ($i$). Остальные электроны, а их большинство (около 95%), притягиваемые положительными донорными ионами другой стороны зоны обеднения базово-коллекторного диода, перескакивают на коллектор и движутся к положительному выводу диода. А ($ii$). Таким образом, ток намного больший, чем $I_B$, $I_C$, течет от положительной клеммы A к отрицательной клемме A.

Мои проблемы:

1. Моя первая проблема с ($i$): ток не движется посредством рекомбинации электронов и дырок! Ток движется посредством потока свободных электронов или дырок. Почему мой инструктор упомянул об этом? Я очень смущен.
2. Моя вторая проблема связана с ($ii$): электроны притягиваются к положительным донорным ионам по другую сторону зоны обеднения. По словам моего инструктора, именно поэтому электроны мчатся к коллектору и движутся к положительной клемме А, но мой вопрос в том, что электроны должны в равной степени отталкиваться непокрытыми отрицательными акцепторными ионами в базе. Итак, почему электроны движутся к положительному полюсу А?

• электроны
• физика полупроводников
• электроника
• электротехника

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Выпуск №1 . Здесь нужно учитывать различные аспекты, позвольте мне пропустить момент.

Выпуск №2 . Хорошо, я думаю, что понимаю, что имеет в виду ваш инструктор, но это может быть действительно немного запутанным.

• В первую очередь: вне обедненной области на стыках EB и BC, в не обедненной части основания (на вашем рисунке я ее не вижу, но она есть, по крайней мере, в нормальных условиях), электрическое поле вообще очень-очень мало… что касается неосновных носителей, можно предположить $\vec{E}\приблизительно\vec{0}$ в неистощенной базе (вы можете назвать это QNR, «квазинейтральным область»). Причина, по которой это происходит, не совсем тривиальна, но она связана с экранированием большинством носителей.

• Неосновные носители (электроны в вашем NPN), введенные в базу напрямую смещенным EB-переходом, ничем не притягиваются, в токе в значительной степени преобладает случайная диффузия, а не дрейф из-за любого остаточного электрического поля, которое может присутствовать. Электроны просто ходят и исследуют базу случайным образом. В общем, диффузия просто перемещает частицы из областей с высокой плотностью (E-край основания) в области с низкой плотностью (C-край основания).

• Когда один электрон после случайной диффузии в базе достигает обедненной области BC-перехода, то, ДА, он уносится в коллектор электрическим полем BC-перехода, что в основном вызвано притяжением со стороны BC-перехода. доноры в C, как вы упомянули.

Итак, видите ли, в конце концов это как-то связано с «привлечением доноров в С», но не все так просто. Допустим, доноры в C создают градиент плотности в базе, удаляя любой электрон, достигающий границы BC. Это, в свою очередь, несколько косвенно, вызывает диффузию электронов через базу…

Очевидно, что «привлечение доноров в E» не имеет подобного эффекта, так что, надеюсь, это разрешит ваш парадокс: соединение EB напрямую смещено, и оно действует прямо противоположно соединению BC, оно повышает концентрацию неосновных носителей, опять гоняя диффузию… в гостях из Е.

Перемотать на выпуск#1 . Электроны в базе (неосновные носители), которые достигают перехода BC, всасываются в коллектор и вносят основной вклад в ток $I_C$. В принципе, у вас также есть дыры, введенные из C в B… но это должно быть очень незначительным в активной конфигурации. Прямой расчет $I_B$ не очевиден, лучше вычислить $I_E$, а затем сделать $I_B=I_E-I_C$. Ну… $I_E$, т.е. ток, пересекающий границу ЭП, обусловлен

• Электроны, инжектированные из E в B, то есть те, о которых мы говорили выше.
• Отверстия введены от B до E.

В вашем описании вы каким-то образом пренебрегаете вторым слагаемым (но оно есть!), поэтому позвольте мне также пренебречь им, иначе нам нужно открыть еще один пункт. Вы видите, что $I_E-I_C$ возникает только из-за электронов, инжектированных в базу (таким образом, внося свой вклад в $I_E$), которые каким-то образом не могут достичь C-конца (таким образом внося свой вклад в $I_C$). Итак, вы видите, что вполне корректно вычислять $I_B$ как соответствующий заряду, теряемому в единицу времени при рекомбинации в базе.

[Изменить] Возможно, полезный дополнительный комментарий. Если вы хотите получить полную картину, я действительно советую вам изучить этот дырочный ток B$\rightarrow$E, которым мы пренебрегли выше, потому что это не имеет значения. На самом деле транзисторы обычно имеют базу, короткую по сравнению с длиной диффузии, что означает, что рекомбинация в базе может быть не так важна (в «короткой базе» вы даже полностью ею пренебрегаете). В этом пределе $I_B$ на самом деле в основном связано с током этой дырки в переходе EB, а не с рекомбинацией в B. Тогда вы увидите, что все типичные эмпирические правила проектирования имеют большой смысл: вам нужно большое легирование E (минимизирует долю дырочного тока в переходе EB), вам нужен низкий уровень легирования B (максимально увеличивается инжекция электронов в B, улучшается диффузия, что, в свою очередь, повышает $\beta$ и снижает время отклика)… вам не нужен слишком низкое легирование B, иначе вы можете полностью истощить B при обратном смещении BC, и это плохо (вы получаете «пробой», и все разваливается, возможно, включая само устройство).

$\endgroup$

$\begingroup$

Эмиттер очень сильно легирован, а база очень тонкая и легирована очень слабо. Коллектор умеренно легирован.

Как правило, эмиттер легирован наиболее сильно, коллектор — наиболее легирован, а база находится где-то посередине.

ток не движется за счет рекомбинации электронов и дырок! Ток движется посредством потока свободных электронов или дырок. Почему мой инструктор упомянул об этом? Я очень смущен.

Одним из типов тока, часто обсуждаемых в полупроводниках, является «рекомбинационный ток». Это ток, который течет, чтобы компенсировать рекомбинацию носителей. Когда носители, инжектированные из эмиттера в базу, рекомбинируют, дополнительные носители инжектируются из базы, чтобы компенсировать их.

электрона притягиваются к положительным донорным ионам по другую сторону зоны истощения. По словам моего инструктора, именно поэтому электроны мчатся к коллектору и движутся к положительной клемме А, но мой вопрос в том, что электроны должны в равной степени отталкиваться непокрытыми отрицательными акцепторными ионами в базе. Итак, почему электроны движутся к положительному полюсу А?

Я не думаю, что объяснение вашего инструктора, сформулированное здесь, неверно. Давайте предположим npn для этого примера. Поменяйте местами электроны и дырки в моем объяснении, чтобы получить ту же идею для pnp.

Сначала поговорим о переходе база-коллектор с обратным смещением. В базе не так много электронов, потому что она p-типа. Но те, что есть, перемещаются хаотично. Некоторые из них окажутся на краю области обеднения и будут падать вниз по наклонной кривой энергии, способствуя обратному току насыщения диода.

Теперь давайте познакомимся с эмиттером. Смещенный в прямом направлении переход эмиттер-база вводит в базу целый пучок дополнительных электронов. Они естественным образом диффундируют через основание и достигают соединения база-коллектор, где все они падают вниз по склону энергии.

Регулировка напряжения база-эмиттер позволяет регулировать количество электронов, инжектируемых в базу, и тем самым модулировать ток, проходящий через устройство.

$\endgroup$

$\begingroup$

Во-первых, обратите внимание, что на вашей принципиальной схеме показано протекание обычного тока, что может сбить с толку студента, пытающегося понять работу диода, не говоря уже о транзисторе. Перевернув стрелки на вашей диаграмме, чтобы показать поток электронов, более четко видно физику того, что происходит:

Электроны текут от подключенного отрицательного вывода батареи к эмиттеру в высокоэнергетическом состоянии в виде n-носителей, затем перемещаются в базу, где они могут диффундировать в область коллектора, оставаясь в своем высокоэнергетическом состоянии в качестве n-носителей, или переходить в вакантное более низкое энергетическое состояние в базе, иначе объединяясь с «дыркой» и испуская фотон. Если он диффундирует в область коллектора, то это нарушит электрическое равновесие коллектора, так что электрон на другом конце переместится в положительный полюс батареи для компенсации. Если он сочетается с отверстием в базе, это нарушит нейтральность базы, в результате чего положительный вывод батареи будет собирать электрон на другом конце базовой области для компенсации. Следовательно, сохраняется общее электрическое равновесие.

Проблема (i): электроны и дырки, объединяющиеся в области основания, нарушают электрическое равновесие основания; вызывая протекание компенсационных токов в область и из нее в зависимости от типа транзистора и типа показанного тока: обычный или электронный.