Транзистор состоит из: Эта страница ещё не существует

Содержание

Работа и устройство биполярного транзистора

Работа и устройство биполярного транзистора

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.

Транзистором называется активный полупроводниковый прибор, при помощи которого осуществляется усиление, преобразование и генерирование электрических колебаний. Такое применение транзистора можно наблюдать в аналоговой технике. Кроме этого транзисторы применяются и в цифровой технике, где они используются в ключевом режиме. Но в цифровой аппаратуре почти все транзисторы «спрятаны» внутри интегральных микросхем, причем в огромных количествах и в микроскопических размерах.

Здесь мы уже не будем слишком подробно останавливаться на электронах, дырках и атомах, о которых уже было рассказано в предыдущих частях статьи, но кое-что из этого, при необходимости, все же придется вспомнить.

Полупроводниковый диод состоит из одного p-n перехода. Транзистор, как известно, состоит из двух переходов, поэтому полупроводниковый диод можно рассматривать как предшественник транзистора, или его половину.

Если p-n переход находится в состоянии покоя, то дырки и электроны распределяются, как показано на рисунке 1, образуя потенциальный барьер. Постараемся не забыть условные обозначения электронов, дырок и ионов, показанные на этом рисунке.

Рисунок 1.

Как устроен биполярный транзистор

Устройство биполярного транзистора на первый взгляд просто. Для этого достаточно на одной пластине полупроводника, называемой базой, создать сразу два p-n перехода. 

Если проводимость базы будет типа p, то полученный транзистор будет иметь структуру n-p-n (произносится как «эн-пэ-эн»). А когда в качестве базы используется пластина n типа, то получается транзистор структуры p-n-p («пэ-эн-пэ»).

Уж коль скоро речь зашла о базе, то следует обратить внимание на такую вещь: полупроводниковая пластина, используемая в качестве базы очень тонкая, намного тоньше, чем эмиттер и коллектор. Это утверждение следует запомнить, поскольку оно понадобится в процессе объяснения работы транзистора.

Естественно, что для соединения с «внешним миром» от каждой области p и n выходит проволочный вывод. Каждый из них имеет название области, к которой соединен: эмиттер, база, коллектор. Такой транзистор называется биполярным, поскольку в нем используются два типа носителей заряда, — дырки и электроны. Схематическое устройство транзисторов обоих типов показано на рисунке 2.

Рисунок 2.

В настоящее время в большей степени применяются кремниевые транзисторы. Германиевые транзисторы почти полностью вышли из употребления, будучи вытесненными кремниевыми, поэтому дальнейший рассказ будет именно о них, хотя иногда будут упоминаться и германиевые. Большинство кремниевых транзисторов имеют структуру n-p-n, поскольку эта структура более технологична в производстве.

Комплементарные пары транзисторов

Для германиевых транзисторов, видимо, более технологичной была структура p-n-p, поэтому германиевые транзисторы большей частью имели именно эту структуру. Хотя, в составе комплементарных пар (близкие по параметрам транзисторы, которые отличались лишь типом проводимости) выпускались и германиевые транзисторы разной проводимости, например ГТ402 (p-n-p) и ГТ404 (n-p-n).

Такая пара применялась в качестве выходных транзисторов в УНЧ различной радиоаппаратуры. И если несовременные германиевые транзисторы ушли в историю, то комплементарные пары кремниевых транзисторов выпускаются до сих пор, начиная от транзисторов в SMD – корпусах и вплоть до мощных транзисторов для выходных каскадов УНЧ.

Кстати, звуковые усилители на германиевых транзисторах меломанами воспринимались почти как ламповые. Ну, может чуть и похуже, но много лучше, чем усилители на кремниевых транзисторах. Это просто для справки.

Как работает транзистор

Для того, чтобы понять, как работает транзистор нам снова придется вернуться в мир электронов, дырок, доноров и акцепторов. Правда сейчас это будет несколько проще, и даже интересней, чем в предыдущих частях статьи. Такое замечание пришлось сделать для того, чтобы не испугать читателя, позволить дочитать все это до конца.

На рисунке 3 сверху показано условное графическое обозначение транзисторов на электрических схемах, а ниже p-n переходы транзисторов представлены в виде полупроводниковых диодов, к тому же включенных встречно. Такое представление очень удобно при проверке транзистора мультиметром.

Рисунок 3.

А на рисунке 4 показано внутреннее устройство транзистора.

На этом рисунке придется немного задержаться, чтобы рассмотреть его поподробнее.

Рисунок 4.

Так пройдет ток или нет?

Здесь показано, как к транзистору структуры n-p-n подключен источник питания, причем именно в такой полярности, как он подключается в реальных устройствах к настоящим транзисторам. Но, если присмотреться повнимательней, то получается, что через два p-n перехода, через два потенциальных барьера ток не пройдет: как ни меняй полярность напряжения один из переходов обязательно оказывается в запертом, непроводящем, состоянии. Так что уж оставим пока все, как показано на рисунке и посмотрим, что же там происходит.

Неуправляемый ток

При включении источника тока, как показано на рисунке, переход эмиттер – база (n-p) находится в открытом состоянии и легко пропустит электроны в направлении слева – направо. После чего электроны столкнутся с закрытым переходом база эмиттер (p-n), который остановит это движение, дорога для электронов будет закрыта.

Но, как всегда и везде из всяких правил бывают исключения: некоторые особо шустрые электроны под воздействием температуры все-таки этот барьер сумеют преодолеть. Поэтому хоть и незначительный ток при таком включении все же будет. Этот незначительный ток называется начальным током или током насыщения. Последнее название вызвано тем, что в образовании этого тока участвуют всех свободные электроны, способные при данной температуре преодолеть потенциальный барьер.

Начальный ток неуправляемый, он имеется у любого транзистора, но в то же время мало зависит от внешнего напряжения. Если его, напряжение, повысить весьма значительно (в пределах разумного, обозначенного в справочниках), начальный ток особо не изменится. Зато тепловое воздействие на этот ток влияет весьма заметно.

Дальнейшее повышение температуры вызывает увеличение начального тока, что в свою очередь может привести к дополнительному нагреву p-n перехода. Такая тепловая нестабильность может привести к тепловому пробою, разрушению транзистора. Поэтому следует принимать меры по охлаждению транзисторов, и не прилагать предельных напряжений при повышенной температуре.

А теперь вспомним о базе

Описанное выше включение транзистора с оборванной базой нигде в практических схемах не применяется. Поэтому на рисунке 5 показано правильное включение транзистора. Для этого понадобилось подать на базу относительно эмиттера некоторое небольшое напряжение, причем в прямом направлении (вспомним диод, и еще раз посмотрим на рисунок 3).

Рисунок 5.

Если в случае с диодом все вроде бы понятно, — открылся и через него пошел ток, то в транзисторе происходят еще и другие события. Под действием эмиттерного тока электроны устремятся в базу с проводимостью p из эмиттера с проводимостью n. При этом часть электронов заполнят дырки, находящиеся в области базы и через базовый вывод протекает незначительный ток, — ток базы Iб. Вот тут как раз и следует вспомнить, что база тонкая и дырок в ней немного.

Остальные электроны, которым не хватило дырок в тонкой базе, устремляются в коллектор и будут извлечены оттуда более высоким потенциалом коллекторной батареи Eк-э. Под этим воздействием электроны преодолеют второй потенциальный барьер и через батарею вернутся в эмиттер.

Таким образом, небольшое напряжение, приложенное к переходу база – эмиттер, способствует открыванию перехода база – коллектор, смещенному в обратном направлении. Собственно в этом и заключается транзисторный эффект.

Остается только рассмотреть, как влияет это «небольшое напряжение», приложенное к базе, на ток коллектора, каковы их величины и соотношения. Но об этом рассказ в следующей части статьи про транзисторы.

Ранее ЭлектроВести писали, что Министерство энергетики обратилось к Министерству финансов с просьбой поддержать инициативу ГП «Гарантированный покупатель» о выпуске облигаций внутреннего госзайма для обеспечения расчетов с ВИЭ-генерацией за 2021 год на сумму 13,62 млрд грн или предложить другой способ финансирования из бюджета не менее 20% прогнозной выработки «зеленой» электроэнергии, что предусмотрено статьей 8 закона об альтернативных источниках энергии.

По материалам: electrik.info.

4.1.1.   Общая характеристика | Электротехника

Биполярный транзистор (в дальнейшем просто транзистор) – это трехэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих р-n-перехода. Транзистор (рис. 4.1) состоит из трех основных областей: эмиттерной, базовой и коллекторной. К каждой из областей имеется омический контакт.

Переход, который образуется на границе областей «эмиттер – база», называется эмиттерным, а на границе «база – коллектор» – коллекторным. Проводимость базы может быть как дырочной, так и электронной; соответственно различают транзисторы со структурами n-p-n и p-n-p. Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, за исключением того, что в транзисторе типа n-p-n ток, текущий через базу от эмиттера к коллектору, создают электроны, а в транзисторе типа p-n-p этот ток создают дырки. Полярность рабочих напряжений и направления токов в транзисторах n-p-n-типа и p-n-p-типа противоположны.

На схемах эмиттер изображают стрелкой, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода.

Рассматривая трехслойную полупроводниковую структуру, можно убедиться, что у транзистора нет принципиальных различий между эмиттерным и коллекторным переходами и (при включении транзистора в схему) их можно поменять местами, т.е. коллекторный переход использовать в качестве эмиттерного, а эмиттерный – в качестве коллекторного. Но при конструировании кристалла всегда добиваются того, чтобы прямой ток эмиттерного перехода практически целиком замыкался через коллекторную цепь, т.е. Iк ≈ Iз.

Для этого необходимо выполнение следующих основных условий:

1) база транзистора должна быть настолько тонкой, чтобы инжектированные в нее носители могли относительно свободно (не рекомбинируя) достигать коллекторного перехода. У современных приборов толщина базы имеет порядок единиц микрометров;

2) эмиттерная область в сравнении с областью базы должна иметь большую концентрацию примеси (концентрацию примесей в базе делают на два-три порядка меньше концентрации примесей в эмиттере), чтобы прямой ток эмиттера в основном определялся носителями, инжектируемыми эмиттером в базу;

3) площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода (sк > sэ), чтобы инжектированные в базу носители при перемещении в направлении уменьшения своей концентрации попадали преимущественно в область коллекторного перехода. Отношение sэ / sк обычно составляет 0,15 – 0,5;

1) чтобы увеличить максимально допустимое напряжение коллектора, которое ограничивается напряжением пробоя коллекторного перехода (Uк.б.max ≈ 0,8 Uк.б.проб) в область коллектора обычно вносят несколько меньшую дозу примеси, чем в область эмиттера. Следовательно, для транзистора p-n-p-типа:

nб << pк << pз.

В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует, и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют дрейфовыми.

На каждый p-n-переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. Соответственно различают четыре режима работы транзистора:

1) отсечки – на оба перехода подано обратное напряжение;

2) насыщения – на оба перехода подано прямое напряжение;

3) активный – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переход – обратное;

4) инверсный – на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный переход – прямое.

Активный режим работы используют для усиления и генерирования сигналов. Режим работы насыщения и режим отсечки используются в ключ
евых устройствах, в логических устройствах, цифровых интегральных схемах. Инверсный режим используется в специальных схемах.

Ученые разработали революционный новый транзистор

Создан динамически программируемый транзистор, который один может реализовать такую многокомпонентную логику, как NOR, NAND и т.д Разработанный транзистор легко ложится на существующую инфраструктуру производства и не использует экзотические материалы. Особенный выигрыш от его использования ожидается в сфере искусственного интеллекта.

Учёные представили транзистор, который заменяет целые логические схемы

Обычный транзистор состоит из двух электродов для токопроводящего канала и ещё одного электрода для управления каналом (затвором). Управление затвором позволяет пропускать ток через транзистор или запирать его. На этом принципе базируется практически вся современная цифровая электроника. Исследователи из Венского технического университета добавили в структуру транзистора два дополнительных электрода и соединили их тончайшей нитью из чистого германия. Особые свойства германия и использование специальных программных вентильных электродов позволили создать прототип нового компонента, который может открыть новую эру технологии микросхем.

Благодаря своим электронным свойствам германий демонстрирует эффект отрицательного дифференциального сопротивления. Это означает, что по мере увеличения тока на определённом участке напряжение перестаёт увеличиваться и образуется провал. Чем больший ток мы подаём на таком отрезке вольтамперной характеристики, тем меньше напряжение, что также можно использовать для переключения прибора (сигнала).

Этот дополнительный металл-германиевый переход (в качестве металлических электродов использован алюминий) позволяет программировать транзистор на заданные пороговые напряжения переключения состояний. Подчеркнём, этот порог можно динамически устанавливать на заданном уровне — это фактически программирование транзистора на ряд последовательных логических операций вместо простого «включено» или «выключено».

«До сих пор интеллект электроники возникал просто благодаря соединению нескольких транзисторов, каждый из которых обладал лишь довольно примитивной функциональностью. В будущем этот интеллект может быть перенесён на адаптивность самого нового транзистора, — сказал профессор Вальтер Вебер  — Арифметические операции, для которых ранее требовалось 160 транзисторов, благодаря этой повышенной адаптивности станут возможны с 24 транзисторами. Таким образом, скорость и энергоэффективность схем также могут быть значительно увеличены».

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР

Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, в котором входной сигнал создает электрическое поле, перпендикулярное току. В результате действия электрического поля ток изменяется. Полевой транзистор носит еще название униполярного. Его отличием от биполярного транзистора является то, что ток в полевом транзисторе возникает за счет зарядов одного знака. Полевой транзистор представляет собой твердотельную электронную лампу, характеристика параметров транзистора и лампы аналогична.

Полевой транзистор состоит из затвора, области пространственного заряда, области канала, стока, истока, диэлектрика, проводников спирпроводимостью, тока стока. Кроме этого, в состав транзистора входят напряжения: источника тока в цепи стока, затвора, смещения рабочей точки, отсечки, усиливаемого сигнала.

Полевой транзистор был изобретен в 1930 г. ученым Ю. Лилиенфельдом. В отличие от биполярного транзистора, который появился на свет на 17 лет позже своего собрата, для создания которого понадобились лабораторные опыт и изучение теорий механики, полевой транзистор было достаточно легко сконструировать. Чтобы его изобрести, Лилиенфельду понадобилось лишь знание того, что в природе все состоит из отрицательно и положительно заряженных частиц, а самая важная частица — электрон — способна двигаться.

В 1960-е гг. стала развиваться технология полупроводников и активно начал применяться кремний, главный полупроводник полевого транзистора. В эти же годы американцы М. Аталла и Д. Кант поставили на поток серийное изготовление полевых транзисторов на основе кремния и двуокиси кремния. Интересен курьезный случай, связанный с изготовлением транзисторов. В Советском Союзе примерно в это же время физик Р. С. Нахмансон подал патент на полевой транзистор, основанный на кремнии. Но Государственный комитет по изобретениям и открытиям отверг этот проект из-за того, что чиновники просто-напросто перепутали магнитное поле с электрическим.-«-переходом затвор отделен от канала в электрическом отношении переходом, который смещается в обратном направлении. У подобного транзистора имеются два контакта к области с током носителей заряда, а также управляющие электронно-дырочные переходы, которые смещены в обратном направлении. По своему механизму работы полевой транзистор во многом схож с вакуумным триодом. Катод вакуумного триода аналогичен истоку полевого транзистора, сетка подобна затвору, а анод — току. Но при работе транзистора в отличие от триода подогрев катода не требуется.

В транзисторе с изолированным затвором затвор в электрическом отношении отделяется от канала диэлектриком. Подобный прибор относится ко второй группе транзисторов, у которых структура состоит из диэлектрика, металла и полупроводника, и часто называется МДП-транзистором. Транзистор с изолированным затвором различается по двум типам — со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В транзисторах со встроенным каналом имеется инверсный слой. Он представляет собой канал, соединяющий сток с истоком. Инверсный слой находится у поверхности полупроводника. В транзисторах с индуцированным каналом отсутствует канал, который соединяет исток и сток. И только при пороговом напряжении, т. е. при определенном значении напряжения на затворе относительно тока и при определенной полярности появляется ток стока.

Полевые транзисторы используются как усилители электрических сигналов в электронной аппаратуре.

  • Предыдущее: ПОКАЗАТЕЛЬНЫЕ ВЫСТУПЛЕНИЯ
  • Следующее: ПОЛЕВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Что такое транзистор и для чего нужен транзистор


Что такое транзистор?

Транзистор – полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электрическим током.

Где применяются транзисторы? Да везде! Без транзисторов не обходится практически ни одна современная электрическая схема. Они повсеместно используются при производстве вычислительной техники, аудио- и видео-аппаратуры.

Времена, когда советские микросхемы были самыми большими в мире, прошли, и размер современных транзисторов очень мал. Так, самые маленькие из устройств имеют размер порядка нанометра!

Приставка нано- обозначает величину порядка десять в минус девятой степени.

Однако существуют и гигантские экземпляры, использующиеся преимущественно в областях энергетики и промышленности.


Транзисторы

Существуют разные типы транзисторов: биполярные и полярные, прямой и обратной проводимости. Тем не менее, в основе работы этих приборов лежит один и тот же принцип. Транзистор — прибор полупроводниковый. Как известно, в полупроводнике носителями заряда являются электроны или дырки.

Область с избытком электронов обозначается буквой n (negative), а область с дырочной проводимостью – p (positive).

Как работает транзистор?

Чтобы все было предельно ясно, рассмотрим работу биполярного транзистора (самый популярный вид).

Биполярный транзистор (далее – просто транзистор) представляет собой кристалл полупроводника (чаще всего используется кремний или германий), разделенный на три зоны с разной электропроводностью. Зоны называются соответственно коллектором, базой и эмиттером. Устройство транзистора и его схематическое изображение показаны на рисунке ни же


Биполярный транзистор

Разделяют транзисторы прямой и обратной проводимости. Транзисторы p-n-p называются транзисторами с прямой проводимостью, а транзисторы n-p-n – с обратной.


Транзисторы

Теперь о том, какие есть два режима работы транзисторов. Сама работа транзистора похожа на работу водопроводного крана или вентиля. Только вместо воды – электрический ток. Возможны два состояния транзистора – рабочее (транзистор открыт) и состояние покоя (транзистор закрыт).

Что это значит? Когда транзистор закрыт, через него не течет ток. В открытом состоянии, когда на базу подается малый управляющий ток, транзистор открывается, и большой ток начинает течь через эмиттер-коллектор.

xTechx.ru

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

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

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

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

Разновидности транзисторов:

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

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

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

Подтипы:

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

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

Для чего используются транзисторы?

Используются транзисторы в усилительных схемах, лампах, электродвигателях и других приборах где необходимо быстрое изменение силы тока или положение вклвыкл. Транзистор умеет ограничивать силу тока либо плавно, либо методом 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.

Физические процессы в транзисторе

А теперь подробнее о том, почему все происходит именно так, то есть почему транзистор открывается и закрывается. Возьмем биполярный транзистор. Пусть это будет n-p-n транзистор.

Если подключить источник питания между коллектором и эмиттером, электроны коллектора начнут притягиваться к плюсу, однако тока между коллектором и эмиттером не будет. Этому мешает прослойка базы и сам слой эмиттера.


Транзистор закрыт

Если же подключить дополнительный источник между базой и эмиттером, электроны из n области эмиттера начнут проникать в область баз. В результате область базы обогатиться свободными электронами, часть из которых рекомбинирует с дырками, часть потечет к плюсу базы, а часть (большая часть) направится к коллектору.

Таким образом, транзистор получается открыт, и в нем течет ток эмиттер коллектор. Если напряжение на базе увеличить, увеличится и ток коллектор эмиттер. Причем, при малом изменении управляющего напряжения наблюдается значительный рост тока через коллектор-эмиттер. Именно на этом эффекте и основана работа транзисторов в усилителях.


Транзистор открыт

Вот вкратце и вся суть работы транзисторов. Нужно рассчитать усилитель мощности на биполярных транзисторах за одну ночь, или выполнить лабораторную работу по исследованию работы транзистора? Это не проблема даже для новичка, если воспользоваться помощью специалистов нашего студенческого сервиса.

Не стесняйтесь обращаться за профессиональной помощью в таких важных вопросах, как учеба! А теперь, когда у вас уже есть представление о транзисторах, предлагаем расслабиться и посмотреть клип группы Korn “Twisted transistor”! Например, вы решили купить отчет по практике, обращайтесь в Заочник.

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.

Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:

Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.

Обратите внимание на токоограничивающий резистор R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля. Главное — не превысить допустимый ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:

здесь Ud — это падение напряжения на самом транзисторе. Оно зависит от материала из которого он изготовлен и обычно составляет 0.3 – 0.6 В.

Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае — это 100 мА. Допустим для используемого транзистора hfe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА

Нам подойдёт резистор номиналом от 118 Ом до 4.7 кОм. Для устойчивой работы с одной стороны и небольшой нагрузки на чип с другой, 2.2 кОм — хороший выбор.

Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, можно обойтись без резистора:

это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.

Транзистор BC849B, NPN, 30V, 0.1A, корпус SOT-23

Описание товара Транзистор BC849B, NPN, 30V, 0.1A, корпус SOT-23

Транзистор BC849B, NPN, 30V, 0.1A, корпус SOT-23 от интернет-магазина Electronoff — уникальный, качественный радиокомпонент. Биполярные транзисторы применяются в различных современных цифровых и аналоговых устройствах. Наиболее часто биполярные транзисторы применяют в радиоприемниках, телевизорах и передающих устройствах. А все благодаря уникальным свойствам этих радиокомпонентов.

Технические характеристики

  • Тип транзистора: NPN
  • Рабочее напряжение: 30V
  • Рабочий ток: 0.1A
  • Тип корпуса: SOT-23

Особенности транзисторов BC849B, NPN, 30V, 0.1A, корпус SOT-23
Современные биполярные транзисторы являются отличными, функциональными и качественными радиокомпонентами. Биполярные транзисторы применяются в современных аналоговых и цифровых устройствах. Довольно часто их можно встретить схемах современных радиоприемников, а также в телевизорах, различных усилителях сигнала, в радиопередатчиках и прочих устройствах.

Устройство современных транзисторов
Биполярные транзисторы имеют довольно простое устройство — практически все транзисторы производят из кремниевых кристаллов. Транзистор состоит из трех слоев полупроводника, к каждому из которых подключен электрод. Как правило средний электрод является базой, а два остальных — эмиттером и коллектором.
Свойства транзистора зависят от свойств полупроводниковых слоев, материала, формы и прочих факторов. Собственно от этого зависит и размер транзисторов и тип их корпуса.

Режимы работы биполярных транзисторов
Биполярные транзисторы имеют несколько режимов работы:

  • В нормальном режиме работы переход транзистора эмиттер-база открыт, а вот переход коллектор-база закрыт.
  • Если же переходы транзистора будут открыты в обратном порядке — эмиттер-база закрыт, а коллектор-база открыт, то получим инверсный активный режим.
  • Если оба перехода открыты и направлены к базе, такой режим называют режимом насыщения. При этом, токи насыщения эмиттера и коллектора направлены к базе.
  • Существует так называемый режим отсечки, при котором переход коллектора смещается обратно, а на переход эмиттера будет подаваться как прямое, так и обратное смещение напряжения.
  • В барьерном режиме транзистор будет работать как своеобразный диод. Чтобы активировать такой режим работы транзистора, перед эмиттером или коллектором устанавливают резистор.

Правила безопасности при работе с биполярными резисторами
Биполярные транзисторы могут работать в цепях с довольно высоким напряжением, поэтому необходимо соблюдать элементарные правила безопасности. Не прикасайтесь к контактам транзистора включенного в высоковольтную сеть.

Если вы меняете испорченный транзистор на новый, внимательно проследите за тем, чтобы параметры нового компонента были аналогичны таковым у старого. Особенно если вы берете не такой же компонент, а его аналог.

Ну и конечно всегда нужно учитывать как параметры электросети, так и самого транзистора. Если через цепь будет протекать 100 вольт, а транзистор будет рассчитан максимум на 90, он может просто сгореть.

Биполярный переходной транзистор (BJT) | 3 Режим работы

Contents [show]
  • Определение BJT
  • Виды БЮТ
  • Конфигурации
  • Области применения
  • Преимущества недостатки
  • Различные режимы и характеристики.

Определение биполярного переходного транзистора:

Биполярный транзистор с переходом (также известный как BJT) — это особый тип полупроводникового устройства с тремя выводами, сделанными из pn переходов. Они могут усиливать сигнал, а также управляют током, т.е. они называются устройствами, управляемыми током. Три терминала — это база, коллектор и эмиттер.

Виды БЮТ:

Есть два типа BJT —

  • PNP-транзистор.
  • NPN-транзистор.

BJT состоит из трех частей: эмиттера, коллектора и базы. Здесь переходы на основе эмиттера смещены в прямом направлении, а переходы на основе коллектора — в обратном направлении.

Биполярный переходной транзистор PNP:

Эти типы транзисторов имеют две p-области и одну n-область. Область n зажата между двумя областями p.

Биполярный переходной транзистор NPN:

«Транзистор NPN — это тип биполярного переходного транзистора (BJT), который состоит из трех выводов и трех слоев и функционирует как усилители или электронные переключатели».

 

NPN BJT с прямым смещением E – B переходом и обратным смещением B – C переходом

Что такое пробой через пробой в BJT?

В конфигурации с обратным смещением коллекторный переход увеличивается, эффективная базовая область уменьшается. При определенном обратном смещении коллекторного перехода обедненная область перекрывает базу, уменьшая эффективную ширину базы до нуля. По мере того, как коллекторное напряжение проникает через базу, потенциальный барьер на эмиттерном переходе уменьшается. В результате протекает чрезмерно большой ток эмиттера. Это явление известно как «пробивание».

Применение биполярного переходного транзистора:

Существует так много приложений BJT, некоторые из них —

  • В логических схемах используется BJT.
  • Биполярный переходной транзистор используется в качестве усилителя.
  • Этот тип транзисторов используется в качестве переключателей.
  • Для разработки схем ограничения предпочтение отдается биполярному переходному транзистору для схем формирования сигнала.
  • В схемах демодуляции также используются BJT.

Преимущества и недостатки биполярного переходного транзистора:

BJT — это один из типов силового транзистора. Он используется в усилителях, мультивибраторах, осцилляторах и т. Д. BJT также имеет несколько недостатков помимо своих преимуществ, а именно:

Преимущества —
  1. BJT имеет лучший коэффициент усиления по напряжению.
  2. БЮТ имеет высокую плотность тока.
  3. Более высокая пропускная способность
  4. BJT обеспечивает стабильную работу на высоких частотах.

Disadvantages-
  1. Биполярный переходной транзистор имеет низкую термическую стабильность.
  2. Обычно он производит больше шума. Так что схема подвержена шуму.
  3. Имеет небольшую частоту переключения.
  4. Время переключения BJT не очень быстрое.

Характеристики биполярного переходного транзистора:

Характеристики транзистора-Конфигурации биполярных транзисторов

Режимы транзистора:

Три режима транзистора:

  • CB (общий-базовый)
  • CE (общий излучатель)
  • CC (общий коллектор)

CB-Common Base, CE-Common Emitter и CC-Common Collector Mode для транзисторов PNP и NPN обсуждались следующим образом:

Входные характеристики:

Входные характеристики транзистора отображаются между током эмиттера и напряжением эмиттер-база с напряжением базы коллектора как постоянной.

Выходные характеристики:

Характеристики транзистора показаны между током коллектора и напряжением коллектор-база, при этом ток эмиттера является постоянной величиной.

Выходные характеристики распределены по разным разделам:

Активная область — В этом активном режиме все вместе переходы имеют обратное смещение, и ток не проходит через схему. Таким образом, транзистор остается в выключенном состоянии; работают как разомкнутый выключатель.

Область насыщенности — В этом режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, и ток проходит через схему. Следовательно, транзистор остается во включенном состоянии; работают как замкнутый переключатель.

Отсеченная область — В этом режиме отсечки один из переходов находится в прямом смещении, а другой — в обратном. Этот режим отсечки используется для усиления тока.

CB (общая база)

В режиме общей базы база заземлена. EB-переход подключается с прямым смещением во время стандартной работы; входные характеристики аналогичны pn диоду. яE увеличивается с увеличением | VCB|, Если функциональное напряжение при | ВCB| увеличивается, размер обедненной области в CB-переходе увеличивается, тем самым уменьшая эффективную базовую область. «Изменение эффективной ширины базы» под действием напряжения, приложенного к клемме коллектора, называется ранним эффектом.

В режиме CB база заземлена

Из узлового анализа мы знаем,

IE=IB+IC

Теперь α = отношение IC И яE

Итак, α = IC/IE

       IC= αIE

       IE=IB+ αIE

      IB=IE (1- а)

График входного тока IE от входного напряжения VEB с выходным напряжением VCB как параметр.

Входная характеристика кремниевого транзистора с общей базой:

Выходная характеристика кремниевого транзистора с общей базой:

CE (общий эмиттер)

В режиме CE эмиттер заземлен, входное напряжение подается между эмиттером и базой, а выходное напряжение измеряется от коллектора и эмиттера.

β = соотношение между IC И яB

β = IC/IB

IC= βIB

IE=IB+ βIB

IE=IB (1+ β)

В режиме общего эмиттера эмиттер является общим для входа и выхода схемы. Входной ток IB  график зависимости напряжения VBE с выходным напряжением VCE в настоящее время. Это связано с тем, что ширина обедненной области на коллекторно-эмиттерном переходе увеличивается. Это называется Ранний эффект.

Входная характеристика кремниевого транзистора с общим эмиттером

Выходная характеристика кремниевого транзистора с общим эмиттером

CC (общий коллектор)

В режиме CC или с общим коллектором коллектор должен быть заземлен, и вход подается от базового коллектора, а выход — от коллектора к эмиттеру.

Соотношение, ЯE/IB = ЯE/IC.IC/IB

Или яE/IB = β / α

Мы знаем, что α = β (1- α)

                 β = α β + α

               IE=IB (1+ β)

Отношения между α и β: —

Мы знаем,

чтобы узнать больше о транзисторе нажмите сюда

О Сумали Бхаттачарье

В настоящее время я инвестирую в сферу электроники и связи.
Мои статьи сосредоточены на основных областях базовой электроники с использованием очень простого, но информативного подхода.
Я хорошо учусь и стараюсь быть в курсе всех последних технологий в области электроники.

Подключимся через LinkedIn —
https://www.linkedin.com/in/soumali-bhattacharya-34833a18b/

Транзистор | Викитроника | Fandom

Изобретение транзистора было сделано великими американскими учеными мистером Вардоном и мистером Брадоном. в 1947 году. После изобретения транзистора в области электроники произошла настоящая революция. Он (транзистор) представляет собой полностью электронное устройство, которое обычно изготавливается из полупроводниковых материалов германия или кремния. В чистом состоянии полупроводник обычно не является проводником. Добавляя два типа примесей, мы получаем два типа полупроводников:

  • Полупроводник N-типа.
  • Полупроводник P-типа.

Добавив полупроводник типа P и N, можно получить соединение и устройство, называемое диодом. В транзисторе два перехода, поэтому он называется бипереходным или биполярным транзистором. В транзисторе действительно есть два перехода, один из которых обеспечивает очень низкое сопротивление для протекания тока, а другой обеспечивает очень высокое сопротивление. Один транзистор передает ток от низкого сопротивления к высокому сопротивлению, по этой причине он называется передачей резистора или транзистора.По конструкции различают два типа транзисторов.

В обоих типах есть три вывода, а именно эмиттер, база и коллектор. Терминал, который излучает заряд, называется эмиттером, а тот, который собирает заряд, называется коллектором. Средний слой между эмиттером и коллектором называется базой, которая образует два перехода, один с эмиттером, а другой с коллектором, переход между базой и эмиттером называется эмиттерным переходом, и этот между базой и коллектором называется коллекторным переходом.Функция базы заключается в контроле тока коллектора.

Транзистор типа P-N-P[]

Состоит из двух слоев P-типа и одного слоя N-типа. В этом типе мы добавляем два слоя P-типа с двумя сторонами слоя N-типа. Таким образом, мы получаем переход PN и другой переход NP, мы можем сравнить транзистор PNP с двумя диодами, которые соединены полупроводниками типа NN между двумя диодами, один из которых называется эмиттерно-базовым диодом или эмиттерным диодом, а другой называется коллекторной базой или коллекторным диодом.На рисунке 1 (а) показаны два перехода транзистора P-N-P. На рис. l(b) представлено условное изображение транзистора P-N-P, а на рис. l(a) представлена ​​эквивалентная схема транзистора. В символическом изображении транзистора P-N-P стрелка направлена ​​внутрь.

Транзистор N-P-N[]

Он состоит из двух полупроводниковых слоев N-типа и одного P-типа. При этом между двумя слоями полупроводника N-типа находится слой материала P-типа, свойства транзистора N-P-N этого типа полностью противоположны транзистору P-N-P.На рис. LLK ig 2(c) показана диодная эквивалентная схема транзистора N-P-N. На символическом изображении транзистора N-P-N стрелка направлена ​​наружу.

P-N-P и N-P-N оба транзистора изготовлены из кремния и германия с низкими проводниками. Транзисторы, изготовленные из кремниевых полупроводников, называются кремниевыми транзисторами, а германиевые полупроводники называются германиевыми полупроводниками. Германиевые транзисторы всегда имеют металлический корпус, тогда как кремниевые транзисторы могут быть как в металлическом, так и в кварцевом корпусе.В настоящее время широко используются кремниевые транзисторы, на это есть много причин. Основная причина заключается в том, что выходная мощность транзистора Ge ниже, чем у кремниевого транзистора. Кремниевый (Si) транзистор может дать выходную мощность до 25 Вт, тогда как германиевый (Ge) транзистор не может дать такой высокой мощности. Транзисторы Si могут работать на более высокой частоте, чем транзисторы Ge. Si-транзисторы могут работать при сравнительно высоких температурах, тогда как Ge-транзисторы при высоких температурах разрушаются. Коэффициент усиления тока Si-транзистора больше, чем Ge-транзистора.В кремниевом транзисторе при 30°С ток утечки увеличивается до 10 раз. Этот ток утечки повышает температуру коллекторного перехода и может его разрушить. Поэтому по вышеуказанным причинам Si-транзистор используется шире, чем Ge-транзистор. Определите выводы транзистора: Обычно в транзисторах есть три вывода, которые называются эмиттером, базой и коллектором, но в высокочастотном диапазоне (частоты) транзистора есть дополнительная клемма, называемая экраном. Этот вывод обычно подключается к корпусу транзистора.В каждом типе транзистора есть разные способы идентификации этих выводов. В каком-то транзисторе для поиска этих выводов может быть ориентир, по которому мы знаем выводы эмиттера, базы и коллектора, если у некоторых типов транзисторов разные фирмы, то метод идентификации может быть другим. Чтобы идентифицировать выводы некоторых важных транзисторов, мы следуем следующим пунктам.

  1. В настоящее время обычно используются транзисторы фирмы BEL.Транзисторы, которые были доступны из материала Ge, теперь также доступны из материала Si, например, AC 187 и AC 1800 являются Ge-транзисторами, теперь на рынке доступны эквивалентные кремниевые транзисторы BEL с номерами BEL 187 и BEL 188. Идентификация клемм этот тип и другие кремниевые транзисторы, мы делаем в соответствии со следующими рисунками: эти транзисторы — БЭЛ 188, БЭЛ187, БЭЛ147, БЭЛ148, БЭЛ158, БЭЛ157 и т. д., формы всех этих транзисторов полукруглые и концевые.’; находятся на прямой линии.Для идентификации выводов берем транзисторы в руки таким образом, чтобы часть транзистора, на которой написаны цифры, оставалась к нам, а выводы оставались нижней стороной. Тогда крайний левый вывод является коллектором, крайний правый — эмиттером, а средний — базой. Эти транзисторы называются кремниевыми плоскостными транзисторами.
  2. некоторые транзисторы специальной формы, выпускаемые фирмой BEL, называются Epitexial транзисторами. Номера этих транзисторов начинались с обозначения ВС, а выводы обозначались согласно рис. Кл.Количество некоторых транзисторов этого типа следующее: BC147, BC148, BC149, BC157, BC158.
  3. Некоторые транзисторы Epitexial компании BEL, номера которых начинаются с BF, идентификация выводов этих транзисторов выполнена согласно рис. (5). Количество некоторых транзисторов этого типа: BE167, BF195, BF197.
  4. Выводы некоторых плоских транзисторов, таких как BEL195, BEL 194 и т. д., отличаются от выводов других плоских транзисторов BEL. Там база и эмиттер меняются местами, выводы идентифицируются согласно рис. (6).показано на рис. (7). Номера некоторых транзисторов этого типа: AC127, AC128, AC187, AC188.
  5. В некоторых транзисторах с металлическим корпусом ближе к выводу имеется металлический наконечник. Тот вывод, который ближе к наконечнику, называется эмиттерным, средний вывод называется базой, а крайний левый вывод называется коллектором, как показано на рис. , 2SC1820.
  6. Некоторые силовые транзисторы имеют особую форму.Обычно есть две клеммы, корпус этих транзисторов, он сам работает как коллектор. Остальные клеммы обозначены согласно рис. (а). Номера некоторых транзисторов этого типа: AD149, AD161, AD162, BU105, BU108, BU205, BU207, 2N3055 и т. д. На корпусе этих транзисторов имеются два отверстия. Расстояние штифтов от одного отверстия меньше, чем другое отверстие. Поставив меньшее отверстие к себе, мы обнаружим, что крайний правый вывод является базой, а левый — эмиттером. Кроме этого, здесь мы даем таблицу для идентификации выводов некоторых других транзисторов.Эти транзисторы используются в разных черно-белых телевизорах.

Обозначение транзистора N-P-N и P-N-P[]

С помощью мультиметра Sanwa мы можем идентифицировать транзисторы PNP и NPN. В этом процессе, поместив мультиметр в диапазон 1Q, мы измеряем сопротивление между эмиттером-базой и базой-коллектором. Подключаем черный щуп мультиметра к базе транзистора и подключаем красный датчик к эмиттеру и коллектору соответственно, если стрелка измерителя показывает низкое сопротивление (т.е. дает большое показание), то транзистор является транзистором NPN.Когда мы подключаем красный щуп к базе и подключаем черный щуп к эмиттеру и коллектору соответственно, и если счетчик показывает низкое сопротивление (означает большое показание), то транзистор будет транзистором P-N-P. Каждый транзистор будет либо типа P-N-P, либо типа N-P-N. Таким образом, измеритель показывает низкое сопротивление только для одной проверки.

Идентификация германиевого или кремниевого транзистора[]

Для изготовления транзисторов используются два типа полупроводников, а именно Si и Ge. Германиевые транзисторы обычно имеют металлический корпус, тогда как кремниевый транзистор может быть как в металлическом, так и в кварцевом корпусе.В этом состоянии их трудно идентифицировать. Измерив сопротивление между эмиттером и коллектором мультиметром sanwa-P-3, мы не можем определить ни транзистор, ни тип P-N-P, ни тип N-P-N. Для этого мы подключаем черный провод мультиметра к коллектору, а красный провод к эмиттеру. Если счетчик показывает высокое сопротивление (означает, что ниддл показывает низкое значение), то меняем местами выводы счетчика, т.е. черный провод подключается к эмиттеру, а красный к коллектору. Теперь метр показывает низкое сопротивление (означает, что ниддл показывает высокое значение).Таким образом, если сопротивление между эмиттером и коллектором велико и затем низкий уровень, тогда транзистор будет германиевым транзистором. Способ проверки транзистора показан на рис-10. Но если в обоих процессах измеритель показывает высокое сопротивление, то транзистор будет si транзистором.

Идентификация поврежденного транзистора[]

Поврежденные транзисторы могут иметь обрыв цепи, короткое замыкание или стать негерметичными. Проверка этих транзисторов производится мультиметром. Чтобы проверить, исправен ли транзистор или поврежден, мы проверяем транзистор в первую очередь по типу P-N-P.Если мы проверим транзистор N-P-N с помощью процесса проверки P-N-P, и если измеритель показывает низкое сопротивление между базой-эмиттером или базой-коллектором или обоими. Тогда транзистор будет разомкнут (Ckted). После вышеуказанной проверки мы проверяем, изготовлен ли транзистор из Ge или Si. Для этого измеряем сопротивление между эмиттером и коллектором. Для кремниевого транзистора сопротивление между эмиттером и коллектором очень велико, и ниддл не меняет своего положения. Если ниддл показывает очень слабую (маленькую) индикацию, то транзистор негерметичен.Аналогичным образом в Ge транзисторе ниддл должен показывать одно время высокое сопротивление, а другое — низкое сопротивление между эмиттером и коллектором. Но если оба раза метр покажет низкое сопротивление, то транзистор будет негерметичным. А если ниддл дойдет до нуля, то эмиттер и коллектор будут короткими. Точно так же, если в Ge Transistor измеритель показывает высокое сопротивление оба раза (это либо пустяк, либо не больше, либо немного), то эмиттер и коллектор транзистора будут негерметичными и открытыми соответственно.Таким образом мы можем проверить поврежденный транзистор. Заменяем поврежденный транзистор новым транзистором того же типа. Перед установкой нового транзистора мы также должны проверить его. Много раз новый транзистор с тем же номером был недоступен на рынке. В это состояние ставим транзистор с эквивалентным номером. Мы можем найти эквивалентный номер любого транзистора из «Эквивалентной книги» или «Таблицы сравнения транзисторов». Эта книга также дает некоторую другую информацию о напряжении транзистора, которое мы можем дать, идентификацию клемм и упаковки.Там дана полная информация о транзисторах некоторых важных номеров. Которая дана в виде таблицы на последних страницах книги. Смещение транзистора: Подача необходимого питания на клеммы транзистора называется смещением. Если питание на все клеммы неправильное, транзистор не будет работать должным образом. Мы даем два типа смещения транзистору:

Транзистор изготовлен из двух типов полупроводников P-типа и N-типа. Если мы даем положительное питание для P-типа и отрицательное для N-типа, то это называется прямым смещением.Прямое смещение всегда подается на переход базы и эмиттера.

Подача отрицательного напряжения на P-тип и положительного на N-тип называется обратным смещением. Таким образом, в этом смещении мы даем обратную подачу материалам. Обратное смещение всегда подается на переход база-коллектор. Значение обратного смещения всегда больше прямого смещения. В обоих типах смещения база всегда общая, поэтому на базе присутствует как прямое, так и обратное смещение. По этой причине смещение базы называется сигналом переменного тока.Кроме того, на базу подается входной сигнал, который мы хотим усилить. Базовое смещение транзистора зависит от входного сигнала. Если базовое смещение не совпадает с входным сигналом (волной), то волна не будет проходить через транзистор должным образом, а также выход не будет правильным. Таким образом, мы делаем смещение базы в соответствии с входной волной. Это правильное смещение базы. Теперь подробно о смещении транзисторов типа N-P-N и P-N-P. (A) Смещение транзистора P-N-P: На рис. 12 показано смещение транзистора P-N-P.Здесь между базой и эмиттером мы даем прямое смещение, т.е. мы даем положительное питание материалу P-типа. Точно так же мы даем обратное смещение на соединение базы и коллектора, т.е. база получает положительное питание, а коллектор P-типа добавляется к отрицательному питанию. К базе подключены как положительные, так и отрицательные источники питания, поэтому отрицательное питание, вызывающее прямое смещение базы, имеет меньшее значение, чем положительное питание, подключенное к базе.

Проверка транзистора, установленного в цепи[]

Работа транзистора P-N-P[]

Согласно рис. 12, эмиттер смещен в прямом направлении, а переход коллектора смещен в обратном направлении.Так как эмиттер (P-типа) подключен к плюсу питания, то отверстия эмиттера отталкиваются от плюса и подходят к эмиттерному переходу. Под действием электрического давления эти отверстия пересекают эмиттерный переход и попадают в область базы N-типа. Базовая область очень тонкая и состоит из небольшого количества примесей в собственном полупроводнике. Отверстия от эмиттера входят в базовую область с очень большой скоростью, пересекают базовую область и попадают прямо в Р-область коллектора. Кроме того, число электронов в базе смещение базы увеличивает прямое смещение эмиттерного перехода, а значит, увеличивается ток коллектора.Точно так же, если смещение базы увеличивает обратное смещение эмиттера, то ток коллектора уменьшается и может прекратиться. Таким образом, низкое сигнальное напряжение, подаваемое на базу, контролирует большой ток коллектора. Практическое представление смещения: На практике напряжения питания на все выводы транзистора подаются от общего источника питания, на рис. 14 показано практическое представление прямого и обратного смещения для транзисторов N-P-N и P-N-P.

 [Скрыть это сообщение]
 

[Показать больше] Лавинный срыв Из Википедии, свободной энциклопедии • Хотите внести свой вклад в Википедию? • Перейти к: навигация, поиск

Лавинный пробой — это явление, которое может происходить как в изоляционных, так и в полупроводниковых материалах.Это форма умножения электрического тока, которая позволяет очень большим токам течь в материалах, которые в остальном являются хорошими изоляторами. Содержание [Спрятать]

 * 1 Пояснение
   * 2 Лавинный процесс
   * 3 приложения
   * 4 См. также
   * 5 ссылок
 

Пояснение

Лавинный пробой может произойти в изолирующих или полупроводниковых твердых телах, жидкостях или газах, когда электрическое поле в материале достаточно велико, чтобы разогнать свободные электроны до такой степени, что, когда они сталкиваются с атомами в материале, они могут выбить другие электроны: Таким образом, количество свободных электронов быстро увеличивается, поскольку вновь генерируемые частицы становятся частью процесса.Это явление успешно используется в полупроводниковых устройствах специального назначения, таких как лавинный диод, лавинный фотодиод и лавинный транзистор, а также в некоторых газонаполненных трубках. В полупроводниковых устройствах общего назначения, таких как обычные диоды, МОП-транзисторы, транзисторы, это устанавливает верхний предел рабочих напряжений, поскольку связанные электрические поля могут запустить процесс и вызвать чрезмерный (если не неограниченный) ток и разрушение устройства. Когда внутри твердого изоляционного материала происходит лавинный пробой, он почти всегда является разрушительным.Когда лавинообразный эффект возникает без соединения двух электродов, его называют электронной лавиной. Хотя есть некоторое внешнее сходство с пробоем Зенера, физические причины этих двух явлений очень разные.

Лавинный процесс

Лавинный пробой представляет собой процесс умножения тока, происходящий только в сильных электрических полях, который может быть вызван либо наличием очень высоких напряжений, например, в системах электропередачи, либо более умеренными напряжениями, возникающими на очень коротких расстояниях, например как в полупроводниковых приборах.Напряженность электрического поля, необходимая для достижения лавинного пробоя, сильно различается для разных материалов: в воздухе типична 3 МВ/м, в то время как в хорошем изоляторе, таком как некоторые виды керамики, требуются поля свыше 40 МВ/м. Напряженность поля, используемая в полупроводниковых устройствах, использующих лавинный эффект, часто находится в диапазоне 20–40 МВ / м, но сильно различается в зависимости от деталей устройства.

Как только будет достигнута необходимая напряженность поля, все, что необходимо для начала лавинного эффекта, — это свободный электрон, а поскольку даже в самых лучших изоляторах всегда присутствует небольшое количество свободных электронов, лавина всегда будет происходить.В устройствах, использующих лавинный эффект, электрическое поле обычно поддерживается чуть ниже порога, при котором возможен лавинный пробой, в результате чего ток сильно зависит от генерации свободных электронов. В лавинных фотодиодах, например, падающий свет используется для генерации этих свободных электронов.

Когда начинается лавинный пробой, свободные электроны разгоняются электрическим полем до очень высоких скоростей. Когда эти высокоскоростные электроны движутся через материал, они неизбежно сталкиваются с атомами.Если их скорости недостаточно для лавинного пробоя (из-за недостаточной силы электрического поля), они поглощаются атомами и процесс останавливается. Однако, если их скорость достаточно высока, при ударе об атом они выбивают из него электрон, ионизируя его (по понятным причинам это называется ударной ионизацией). И исходный электрон, и тот, который только что был выбит, затем ускоряются электрическим полем и ударяются о другие атомы, в свою очередь выбивая дополнительные электроны.По мере того, как этот процесс продолжается, количество свободных электронов, движущихся через материал, увеличивается экспоненциально, часто достигая максимума всего за пикосекунды. Лавина может привести к протеканию очень больших токов, ограниченных только внешней схемой. Когда все электроны достигают анода, процесс останавливается, если, конечно, не образуются и дырки.

Для транзистора с биполярным переходом сила базового привода оказывает важное влияние на лавинное напряжение. Если к базе подключен низкоомный заряд, то заряд быстро снимается с базы, что помогает сдерживать лавинный процесс, но если база приводится в действие высоким импедансом, например, источником тока, то избыточные заряды остаются в базе. и лавина возникает при более низком электрическом поле.

[править] Приложения

Если ток не ограничен извне, процесс обычно разрушает устройство, в котором он начался, и в таких ситуациях, как изоляторы линий электропередач, это может принять форму взрывного пробоя изолятора. Когда лавинный поток ограничен извне, лавинный пробой может успешно служить нескольким целям. В лавинных транзисторах и лавинных фотодиодах этот эффект используется для умножения обычно крошечных токов, тем самым увеличивая коэффициент усиления устройств: в лавинных фотодиодах может быть достигнуто усиление по току более миллиона.Кроме того, это явление очень быстрое, а это означает, что лавинный ток быстро следует за изменениями лавинного напряжения или начального заряда (количество свободных электронов, доступных для запуска процесса), и это дает лавинным транзисторам и лавинным фотодиодам возможность работать в микроволновом диапазоне. диапазона и в импульсных схемах. В лавинных диодах этот эффект в основном используется для построения схем защиты от перенапряжения и схем опорного напряжения: на самом деле лавинный пробой и пробой Зенера совместно присутствуют в каждом лавинном диоде, в зависимости от напряжения пробоя, которое является ведущим процессом. к лавинному течению.

 [Скрыть это сообщение]
 

[Показать больше] Стабилитрон Из Википедии, свободной энциклопедии (Перенаправлено с поломки Зенера) • Есть вопросы? Узнайте, как задавать вопросы и получать ответы. • Перейти к: навигация, поиск Схематический символ стабилитрона Схематический символ стабилитрона Вольт-амперная характеристика стабилитрона с напряжением пробоя 17 вольт. Обратите внимание на изменение шкалы напряжения между прямым (положительным) направлением и обратным (отрицательным) смещением.Вольт-амперная характеристика стабилитрона с напряжением пробоя 17 вольт. Обратите внимание на изменение шкалы напряжения между прямым (положительным) направлением и обратным (отрицательным) смещением.

Зенеровский диод — это тип диода, который позволяет току течь в прямом направлении, как обычный диод, но также и в обратном направлении, если напряжение больше, чем напряжение пробоя, известное как «напряжение колена Зенера» или «напряжение Зенера». «. Назван в честь Кларенса Зенера, первооткрывателя этого электрического свойства.


Обычный твердотельный диод не будет пропускать значительный ток, если его обратное напряжение ниже обратного напряжения пробоя. Превышая напряжение пробоя обратного смещения, обычный диод подвергается протеканию большого тока из-за лавинного пробоя. Если этот ток не ограничен внешней схемой, диод будет необратимо поврежден. В случае большого прямого смещения (ток течет в направлении стрелки) на диоде наблюдается падение напряжения из-за встроенного напряжения перехода и внутреннего сопротивления.Величина падения напряжения зависит от материала полупроводника и концентрации легирующих примесей.

Стабилитрон обладает почти такими же свойствами, за исключением того, что устройство специально разработано так, чтобы иметь значительно сниженное напряжение пробоя, так называемое напряжение Зенера. Диод Зенера содержит сильно легированный p-n переход, позволяющий электронам туннелировать из валентной зоны материала p-типа в зону проводимости материала n-типа. В атомной модели такое туннелирование соответствует ионизации ковалентных связей.Эффект Зенера был открыт физиком Кларенсом Мелвином Зенером. Диод Зенера с обратным смещением будет демонстрировать контролируемый пробой и пропускать ток, чтобы поддерживать напряжение на стабилитроне на уровне напряжения Зенера. Например, диод с напряжением пробоя Зенера 3,2 В будет демонстрировать падение напряжения 3,2 В, если приложенное к нему обратное напряжение смещения больше, чем его напряжение Зенера. Однако ток не неограничен, поэтому стабилитрон обычно используется для создания опорного напряжения для усилительного каскада или в качестве стабилизатора напряжения для слаботочных приложений.

Напряжение пробоя можно достаточно точно контролировать в процессе легирования. Доступны допуски в пределах 0,05%, хотя наиболее широко используемые допуски составляют 5% и 10%.

Другим механизмом, производящим аналогичный эффект, является лавинный эффект, как в лавинном диоде. Два типа диодов фактически сконструированы одинаково, и в диодах этого типа присутствуют оба эффекта. В кремниевых диодах до примерно 5,6 вольт эффект Зенера является преобладающим эффектом и показывает заметный отрицательный температурный коэффициент.Выше 5,6 вольт лавинный эффект становится преобладающим и имеет положительный температурный коэффициент.

В диоде на 5,6 В эти два эффекта проявляются вместе, а их температурные коэффициенты четко компенсируют друг друга, поэтому диод на 5,6 В является предпочтительным компонентом для применений, критичных к температуре.

Современные технологии производства позволяют производить устройства с напряжением ниже 5,6 В с незначительными температурными коэффициентами, но по мере того, как встречаются устройства с более высоким напряжением, температурный коэффициент резко возрастает.Диод на 75 В имеет коэффициент в 10 раз больше, чем диод на 12 В.

Все такие диоды, независимо от напряжения пробоя, обычно продаются под общим названием «стабилитрон».

Использование

Стабилитроны широко используются для регулирования напряжения в цепи. При параллельном подключении к источнику переменного напряжения с обратным смещением стабилитрон проводит ток, когда напряжение достигает обратного напряжения пробоя диода. С этого момента он поддерживает напряжение на этом значении.

В показанной схеме резистор R обеспечивает падение напряжения между UIN и UOUT. Значение R должно удовлетворять двум условиям:

 1. R должно быть достаточно малым, чтобы ток через D удерживал D в обратном пробое.
 

Значение этого тока указано в техпаспорте на D.

Например, обычное устройство BZX79C5V6[1], стабилитрон 5,6 В 0,5 Вт, имеет рекомендуемый обратный ток 5 мА. Если через D протекает недостаточный ток, то UOUT будет нерегулируемым и будет меньше номинального напряжения пробоя (это отличается от ламп регулятора напряжения, где выходное напряжение будет выше номинального и может возрасти до UIN).При расчете R необходимо учитывать любой ток, протекающий через внешнюю нагрузку, не показанную на этой схеме, подключенную через UOUT.

 2. R должно быть достаточно большим, чтобы ток через D не разрушил устройство.
 

Если ток через D равен ID, его напряжению пробоя VB и максимальной рассеиваемой мощности PMAX, то IDVB < PMAX.

Стабилитрон, используемый таким образом, известен как шунтирующий регулятор напряжения (шунт в данном контексте означает параллельное соединение, а регулятор напряжения представляет собой класс схемы, обеспечивающей стабильное напряжение на любой нагрузке).

Эти устройства также встречаются, как правило, последовательно с переходом база/эмиттер в транзисторных каскадах, где избирательный выбор устройства, сосредоточенного вокруг точки лавины/стабилитрона, может использоваться для введения компенсирующего температурного коэффициента балансировки транзисторного PN перехода . Примером такого использования может быть усилитель ошибки постоянного тока, используемый в стабилизированной системе контура обратной связи цепи питания.

Лавинный диод Из Википедии, свободной энциклопедии • Есть вопросы? Узнайте, как задавать вопросы и получать ответы.• Перейти к: навигация, поиск

Лавинный диод — это диод (обычно сделанный из кремния, но может быть изготовлен из другого полупроводника), который предназначен для пробоя и проводимости при определенном обратном напряжении смещения.

Зенеровский диод демонстрирует похожее действие, но его работа вызвана другим механизмом, называемым пробоем Зенера. Оба эффекта фактически присутствуют в любом таком диоде, но один из них обычно доминирует над другим. Стабилитроны обычно ограничены максимум несколькими десятками вольт, но кремниевые лавинные диоды доступны с напряжением пробоя более 4000 В.[1] Содержание [Спрятать] это все неправильно

 * 1 использование
         о 1.1 Защита
         o 1.2 Генерация радиочастотного шума
   * 2 См. также
   * 3 ссылки
 

использования

Защита

Обычное применение — защита электронных схем от повреждения высоким напряжением. Лавинный диод включен в цепь так, что он имеет обратное смещение. Другими словами, его катод положителен по отношению к аноду. В этой конфигурации диод является непроводящим и не влияет на цепь.Если напряжение превышает расчетный предел, диод подвергается лавинному пробою, в результате чего вредное напряжение уходит на землю. При таком использовании их часто называют фиксирующими диодами, потому что они «фиксируют» напряжение до заданного максимального уровня. Лавинные диоды обычно выбираются для этой роли по напряжению фиксации VBR и максимальному размеру переходного процесса, который они могут поглощать, определяемому либо энергией (в джоулях), либо i2t. Лавинный пробой не является разрушительным, если не допустить перегрева диода.

Генерация радиочастотного шума

Лавинные диоды генерируют радиопомехи; они обычно используются в качестве источников шума в радиооборудовании. Например, они часто используются в качестве источника ВЧ для мостов антенных анализаторов. Лавинные диоды также можно использовать в качестве генераторов белого шума.

Транзисторы — обзор | ScienceDirect Topics

Практические транзисторы

Транзистор — это мельчайший объект на маленьком кремниевом (реже германиевом) чипе. Чтобы было удобно обращаться с транзистором, его монтируют в корпус или запечатывают в пластиковый блок с тонкими проводами, соединяющими базу, эмиттер и коллектор с более толстыми клеммными проводами.На заглавной фотографии этой главы показаны типичные корпуса маломощных транзисторов. Это два стандартных корпуса, используемых для транзисторов JFET, MOSFET и BJT.

Варьируя количество легирования, метод легирования и геометрию областей, можно изготавливать транзисторы с различными характеристиками. Некоторые имеют гораздо более высокий коэффициент усиления, чем другие (до 800 раз), или могут быть пригодны для работы с большими токами. В типичных транзисторах общего назначения максимальный ток коллектора составляет всего несколько сотен миллиампер.

Силовые транзисторы рассчитаны на ток коллектора до 90 А. Мощный транзистор имеет прочную конструкцию с каналами с низким сопротивлением для минимизации падения напряжения на нем. Он также имеет прочную металлическую бирку или корпус для крепления к радиатору.

Транзисторы радиочастотные разработаны специально для работы на частотах в несколько сотен мегагерц, а некоторые и до 5 ГГц. На высоких частотах емкость между базой и эмиттером биполярного транзистора может уменьшать амплитуду сигнала, поэтому радиочастотные транзисторы предназначены для минимизации этого эффекта.Транзистор, предназначенный для работы на радиочастотах, может использоваться в цепях, отличных от радиопередатчиков и приемников. Многие другие виды устройств, такие как компьютеры, мобильные телефоны, цифровые камеры и проигрыватели компакт-дисков, работают на радиочастотах, и для них также требуются высокочастотные транзисторы. Такие устройства являются цифровыми, а не аналоговыми, и основная функция транзисторов — высокая скорость переключения. Как поясняется в следующей главе, затвор или база транзистора смещаются и готовы к действию, если его подключить через резистор к положительным линиям питания.При изготовлении нет проблем (и почти нет дополнительных затрат) поместить резисторы смещения на тот же чип, что и транзистор. Это упрощает компоновку печатной платы и снижает стоимость отдельных резисторов. Цифровые транзисторы с включенными резисторами часто используются для переключения в цифровых схемах.

Большинство транзисторов доступны также в виде транзисторов для поверхностного монтажа . Типичная упаковка размером всего 3,0 мм × 1,5 мм показана вверху в центре фотографии на странице 166.

Транзистор NPN

НПН транзистор

Когда один p-тип полупроводниковый слой зажат между двумя n-типами полупроводниковых слоев формируется npn-транзистор.

НПН условное обозначение транзистора

символ цепи и диод аналогия транзистора npn показана на рисунке ниже.

В На приведенном выше рисунке показано, что электрический ток всегда течет из p-области в n-область.

НПН конструкция транзистора

Транзистор npn состоит из трех полупроводниковых слоев: один слой полупроводника p-типа и два полупроводника n-типа слои.

Слой полупроводника p-типа зажат между двумя слоями n-типа. полупроводниковые слои.

Транзистор npn имеет три вывода: эмиттер, базу и коллекционер. Клемма эмиттера подключена к левой стороне слой n-типа. Клемма коллектора подключена справа боковой слой n-типа. Базовый терминал подключен к слой р-типа.

npn-транзистор имеет два p-n соединения. Между эмиттером образуется один переход и база.Этот переход называется переходом эмиттер-база или эмиттерный переход. Другое соединение образуется между база и коллектор. Это соединение называется коллектор-база. переход или коллекторный переход.

Рабочий транзистора npn

Беспристрастный npn-транзистор

Когда нет напряжения применяется к транзистору, он называется несмещенным транзистор.С левой стороны n-область (эмиттер) и с правой стороны n-регион (коллектор), бесплатно электроны являются основными носителями, а дырки неосновные носители, тогда как в p-области (базе) дырки являются основные носители и свободные электроны составляют меньшинство перевозчики.

Мы известно, что носители заряда (свободные электроны и дырки) всегда старайтесь двигаться из области с более высокой концентрацией в область с более низкой область концентрации.

Для свободные электроны, n-область — это область с более высокой концентрацией р-область — область более низкой концентрации. Точно так же для отверстия, p-область является областью более высокой концентрации и n-область — область более низкой концентрации.

Следовательно, в свободные электроны в левой части n-области (эмиттер) и правой боковые n-области (коллектор) испытывают силу отталкивания от друг с другом.В результате свободные электроны слева и правые n-области (эмиттер и коллектор) будут двигаться в р-область (базу).

Во время В этом процессе свободные электроны встречаются с дырками в p-область (база) возле стыка и заполните их. Как результат, истощение область (положительные и отрицательные ионы) формируется на переход эмиттер-база и переход база-коллектор.

В переход эмиттера к базе, обедненная область пронизана аналогично ближе к основанию; от базы к коллектору стыка, область обеднения проникает больше в сторону базовая сторона.

Это Это связано с тем, что в месте перехода эмиттер-база эмиттер сильно легировано, а основание слегка легировано, поэтому обедненная область проникает больше в сторону основания и меньше в сторону сторона эмиттера.Точно так же в переходе база-коллектор коллектор сильно легирован, а база легирована слабо, поэтому область истощения больше проникает в сторону основания и меньше в сторону коллектора.

коллекционер область слабо легирована, чем область эмиттера, поэтому ширина обедненного слоя со стороны коллектора больше ширина обедненного слоя со стороны эмиттера.

Почему истощение область проникает больше в сторону слаболегированной стороны, чем сильно допинговая сторона?

Мы известно, что легирование – это процесс добавления примесей в собственный полупроводник, чтобы улучшить его электрическую проводимость. Электропроводность полупроводника зависит от добавленного к нему уровня легирования.

Если полупроводниковый материал сильно легирован, его электрические проводимость очень высокая. Это означает, что сильно допинг полупроводниковый материал имеет большое количество носителей заряда которые проводят электрический ток.

Если полупроводниковый материал слегка легирован, его электрические проводимость очень низкая. Это означает, что слегка допинг полупроводниковый материал имеет небольшое количество носителей заряда которые проводят электрический ток.

Мы известно, что в полупроводнике n-типа свободными электронами являются основные носители заряда и дырки являются неосновным зарядом перевозчики.

В npn-транзистор, левая сторона n-области (эмиттер) сильно легированный. Таким образом, эмиттер имеет большое количество свободных электронов.

Мы известно, что в полупроводнике p-типа дырки составляют большинство носители заряда и свободные электроны составляют неосновной заряд перевозчики.

р-область (база) слабо легирована. Так что база небольшая количество отверстий.

правая часть n-области (коллектор) умеренно легирована. Его уровень легирования находится между уровнем эмиттера и базы.

Когда атом теряет или отдает электрон, становится положительным ионом. С другой стороны, когда атом получает или принимает электрон, он становится отрицательным ионом.

атомы, отдающие электроны, называются донорами, а атомы которые принимают электроны, называются акцепторами.

Излучатель-база развязка:

Пусть Предположим, что в левой n-области (эмиттере) каждый атом имеет три свободных электрона, а в р-области каждый атом имеет по одной дырке.

Во время распространение процесс, свободные электроны перемещаются из эмиттера (n-область) к основанию (p-регион).Точно так же отверстия перемещаются от основания (p-регион) в эмиттер (n-регион).

В эмиттер-база переход, когда атомы n-области (эмиттера) встречаются с p-областью (базовые) атомы, каждый атом n-области отдает три свободных электрона до трех атомов р-области. В результате n-область (эмиттер) атом, отдавший три свободных электрона, станет положительным ион и три атома p-области (основания), которые принимают (каждый принять один свободный электрон) три свободных электрона станут отрицательные ионы.Таким образом, каждая n-область (эмиттер) положительного иона производит три отрицательных иона p-области (основания).

Следовательно, в обедненная область на переходе эмиттер-база содержит больше отрицательные ионы, чем положительные ионы. Отрицательные ионы находятся в p-области (основании) вблизи перехода и положительных ионов находятся в n-области (эмиттер) вблизи перехода.

Следовательно, в обедненная область больше проникает в сторону р-области (база), чем n-область (эмиттер).

База-коллектор развязка:

Пусть Предположим, что в правой части n-области (коллектор) каждый атом имеет два свободных электрона, а в р-области каждый атом имеет по одному отверстие.

Во время процесс диффузии, свободные электроны перемещаются из коллектора (n-регион) в основание (p-регион).Точно так же дырки перемещаются из от базы (p-регион) к коллектору (n-регион).

В базовый коллектор переход, когда атомы n-области (коллектор) встречаются с атомы p-области (основы), каждый атом n-области (коллектор) отдает два свободных электрона на два атома p-области (основания). Как результат, атом n-области (коллектор), который отдает два свободных электрона станет положительным ионом, а два атома p-области (основания) который принимает (каждый принимает по одному свободному электрону) два свободных электроны станут отрицательными ионами.Таким образом, каждая n-область (коллектор) положительный ион образует две р-области (основа) отрицательный ионы.

Следовательно, в обедненная область на переходе база-коллектор содержит больше отрицательные ионы, чем положительные ионы. Отрицательные ионы находятся в p-области (основании) вблизи перехода и положительных ионов находятся в n-области (коллекторе) рядом с переходом.

Следовательно, в обедненная область больше проникает в сторону р-области (база), чем n-область (коллектор).

Однако, ширина обедненного слоя со стороны коллектора более ширина обедненного слоя со стороны эмиттера. Это потому, что область коллектора легирована слабее, чем область эмиттера.

предвзятый npn-транзистор

Когда внешний напряжение подается на npn-транзистор, говорят, что это смещенный npn-транзистор.В зависимости от полярности приложенное напряжение, npn транзистор может работать в трех режимах: активный режим, режим отсечки и режим насыщения.

Транзистор npn часто работает в активном режиме, потому что в В активном режиме транзистор npn усиливает электрический ток.

Так давайте посмотрим, как работает npn-транзистор в активном режиме.

Пусть Рассмотрим npn-транзистор, как показано на рисунке ниже. В на рисунке ниже переход эмиттер-база смещен в прямом направлении напряжением постоянного тока В ЕЕ и переходом база-коллектор смещен в обратном направлении постоянным напряжением V CC .

Излучатель-база развязка:

Срок прямому смещению большое количество свободных электронов в левая сторона n-области (излучатель) испытывает силу отталкивания от отрицательную клемму батареи постоянного тока, а также они испытывать силу притяжения от положительного терминала батарея.В результате свободные электроны начинают течь от эмиттера к базе. Аналогичным образом отверстия в основании испытывать силу отталкивания от положительного вывода батареи, а также испытывать силу притяжения от минусовая клемма аккумулятора. В результате начинают появляться дыры. течет от базы к эмиттеру.

Срок к приложенному внешнему напряжению каждый атом-эмиттер имеет более чем один или два свободных электрона.Следовательно, каждый эмиттерный атом отдает более одного или двух свободных электронов более положительным ионы. В результате положительные ионы становятся нейтральными. Точно так же каждый основной атом принимает большее количество электронов. от большего количества отрицательных ионов. В результате отрицательные ионы становятся нейтральный. Мы знаем, что область истощения есть не что иное, как сочетание положительных ионов и отрицательных ионов.

Таким образом, ширина обеднения на переходе эмиттер-база уменьшается на подать прямое напряжение смещения.

Мы знать, что электрический ток означает поток носителей заряда. То свободные электроны (отрицательные носители заряда) перетекают из эмиттера в основание, тогда как дырки (носители положительного заряда) вытекают из основания к эмиттеру.Эти носители заряда проводят электрический ток. Тем не менее, обычный текущее направление совпадает с направлением отверстий.

Таким образом, электрический ток течет от базы к эмиттеру.

База-коллектор развязка:

Срок к обратному смещению большое количество свободных электронов в правая сторона н-область (коллектор) испытывает силу притяжения от положительной клеммы аккумулятора.Следовательно, бесплатно электроны удаляются от соединения и направляются к плюсовая клемма аккумулятора. В результате большое количество нейтральных атомов-коллекторов теряет электроны и становится положительные ионы. С другой стороны, дырки в p-области (основание) испытывать силу притяжения от отрицательного терминала батарея. Следовательно, отверстия удаляются от соединения и течь к отрицательной клемме аккумулятора.Как В результате большое количество нейтральных атомов основания получает электроны и становится отрицательными ионами.

Таким образом, ширина обедненной области увеличивается в основании-коллекторе узел. Другими словами, количество положительных и отрицательных ионов увеличивается на переходе база-коллектор.

Коллектор-база-эмиттер текущий:

свободные электроны, которые текут от эмиттера к базе из-за прямое смещение будет сочетаться с отверстиями в основании.Тем не мение, основа очень тонкая и слегка легированная. Так только, маленький процент свободных электронов эмиттера соединяется с дырками в базовом районе. Осталось большое количество свободных электроны пересекают базовую область и достигают район коллектора. Это связано с положительным напряжением питания применяется у коллектора. Следовательно, свободные электроны вытекают из эмиттера к коллектору.На коллекторе оба свободных электрона эмиттера а свободные электроны коллектора производят ток, протекая к положительной клемме аккумулятора. Таким образом, на выходе возникает усиленный ток.

В npn-транзистор, электрический ток в основном проводится свободные электроны.

Транзистор изготовлен из

1).Диод можно использовать для
А). обнаружение
Б). усиление
С). исправление
Д). модуляция
— Просмотреть ответ
2). При добавлении мышьяка в качестве примеси к кремнию полученный материал
А). полупроводник р-типа
Б).полупроводник n-типа
С). проводник n-типа
Д). Ничего из вышеперечисленного
— Просмотреть ответ
3). Чистый полупроводник имеет
А). конечное сопротивление, уменьшающееся с температурой
Б). конечное сопротивление, которое увеличивается с температурой
С). конечное сопротивление, не зависящее от температуры
Д).на конечное сопротивление при 0°C
— Просмотреть ответ
4). Распространение ионосферной волны подходит для радиоволн частоты
А). от 2МГц до 20МГц
Б). от 2МГц до 30МГц
С). от 2МГц до 80МГц
Д). до 2МГц
— Просмотреть ответ
5).Электрические схемы, используемые для получения плавного выхода постоянного тока из выпрямленной цепи, называются
А). усилитель
Б). фильтр
С). осциллятор
Д). двухполупериодный выпрямитель
— Просмотреть ответ
6). Оптоволоконная связь обычно предпочтительнее обычной системы связи, потому что
А).сигнализации
Б). это эффективнее
С). И а, и б
Д). Ничего из вышеперечисленного
— Просмотреть ответ
7). Поглощение радиоволн атмосферой зависит от
А). их частота
Б). поляризация волны
С). их расстояние от передатчика
Д).поляризация атмосферы
— Просмотреть ответ
8). В полупроводнике p-типа
А). электроны являются единственными носителями
Б). отверстия являются единственными носителями
С). дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными носителями
Д). Ничего из вышеперечисленного
— Просмотреть ответ
9).Спутник Intelsat работает как
А). передатчик
Б). абсорбер
С). повторитель
Д). Ни один из этих
— Просмотреть ответ
10). Какие из следующих спутников используются для связи между судном и берегом, берегом и судном?
А). Марисат
Б).Комсат
С). Телестар
Д). Интелсат
— Просмотреть ответ

Полупроводниковый транзистор — Исторический компьютер

Конструкция полупроводникового транзистора

4 Факты о полупроводниковом транзисторе
  • Полупроводниковый транзистор — это устройство, используемое для усиления или переключения электрических импульсов.
  • Транзистор является основным компонентом современной электроники и содержит три контакта для подключения к электрической цепи.
  • В 1956 году Нобелевская премия по физике была присуждена за создание транзистора, который был признан одним из самых важных изобретений двадцатого века.
  • Транзистор был изобретен Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли из Bell Labs.
Бардин, Шокли и Браттейн – изобретатели полупроводникового транзистора

История полупроводникового транзистора

Алессандро Вольта был первым, кто использовал «полупроводник» в 1782 году.В 1833 году Майкл Фарадей первым заметил полупроводниковый эффект.

Майкл Фарадей первым заметил эффект полупроводника.

Электрическое сопротивление сульфида серебра уменьшается с температурой по Фарадею. Карл Браун обнаружил и описал первый эффект полупроводникового диода в 1874 году. Браун обнаружил, что ток свободно течет только в одном направлении на контакте между металлическим острием и кристаллом галенита.

Следующим значительным вкладом в область полупроводников является французский физик-экспериментатор Эдмон Беккерель.В 1839 году он сообщил об обнаружении фотонапряжения в платиновых электродах, покрытых хлоридом серебра. В его эксперименте платиновый электрод, покрытый AgCl, был погружен в водный раствор электролита азотной кислоты. Освещение электрода генерировало фотонапряжение, которое изменяло ЭДС, создаваемое клеткой, фактически оно создавало восстановительный (катодный) фототок на электроде, покрытом AgCl; это было первое известное фотоэлектрическое устройство. Фотоэдс создавался на контакте металл-полупроводник Ag/AgCl.

Уиллоуби Смит обнаружил, что сопротивление на самом деле зависит от интенсивности падающего света.

В 1873 году английский инженер-электрик Уиллоуби Смит (1828-1891) (см. портрет рядом) пришел к открытию фотопроводимости селена. Первоначально он работал с подводными кабелями. Он начал эксперименты с селеном из-за его высокого сопротивления, которое оказалось подходящим для его подводной телеграфии. Различные экспериментаторы измеряли сопротивление селеновых стержней, но сопротивления, измеренные ими в разных условиях, совершенно не совпадали.Затем Смит обнаружил, что сопротивление на самом деле зависит от интенсивности падающего света. Когда селеновые стержни были помещены в коробку с закрытой скользящей крышкой, сопротивление было самым высоким. Когда на пути света помещались стекла разных цветов, сопротивление менялось в зависимости от количества света, прошедшего через стекло. Но когда крышку сняли, проводимость увеличилась. Он также обнаружил, что эффект не был связан с изменением температуры.

Фердинанд Браун открыл эффект выпрямления в точке контакта между металлами и некоторыми кристаллическими материалами.

В 1874 году немецкий физик Фердинанд Браун (см. портрет рядом), 24-летний выпускник Берлинского университета, изучал в Вюрцбургском университете характеристики электролитов и кристаллов, проводящих электричество. Когда он исследовал кристалл галенита (сульфид свинца) острием тонкой металлической проволоки, Браун заметил, что ток свободно течет только в одном направлении. Он открыл эффект выпрямления в точке контакта между металлами и некоторыми кристаллическими материалами.

Браун продемонстрировал это полупроводниковое устройство аудитории в Лейпциге 14 ноября 1876 года, но оно не нашло полезного применения до появления радио в начале 1900-х годов, когда оно использовалось в качестве детектора сигнала в «кристаллическом радиоприемнике».Общее описательное название детектора «кошачий ус» происходит от тонкого металлического зонда, используемого для установления электрического контакта с поверхностью кристалла. Браун более известен своей разработкой осциллографа с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) в 1897 году, известного как «трубка Брауна» (Braunsche Röhre на немецком языке). Он разделил Нобелевскую премию 1909 года с Гульельмо Маркони за его вклад в развитие беспроводной телеграфии , в основном за разработку настраиваемых схем для радиоприемников.

Greenleaf Уиттьер Пикард протестировал тысячи образцов минералов, чтобы оценить их ректифицирующие свойства.

В период с 1902 по 1906 год инженер-электрик American Telephone and Telegraph Гринлиф Уиттиер Пикард (1877–1956) (см. рядом портрет) проверил тысячи образцов минералов, чтобы оценить их ректифицирующие свойства. Кристаллы кремния от Westinghouse дали одни из лучших результатов. 20 августа 1906 года он подал патент США на «Средства для получения интеллектуальной связи с помощью электрических волн» для кремниевого точечного детектора (диода), и он был выдан в ноябре того же года (см.С. патент 836531 Пикарда). Вместе с двумя сотрудниками Пикард основал компанию Wireless Specialty Apparatus Company для продажи кристаллических радиодетекторов «кошачий ус». Вероятно, это была первая компания, которая производила и продавала кремниевые полупроводниковые устройства. Другой американский изобретатель Генри Данвуди получил патент на систему с точечным контактным детектором из карборунда (карбида кремния) всего через несколько недель после Пикарда.

В 1915 году американский физик Мэнсон Бенедикс обнаружил, что кристалл германия можно использовать для преобразования переменного тока (переменного тока) в постоянный (постоянный ток), т.е.е. Выпрямительные свойства кристаллов германия. Таким образом, германий был добавлен в список полупроводников. До этого это был краткий список, состоящий из кремния, селена и теллура.

В 1927 году американцы Л.О. Грондаль и П.Х. Гейгер изобрел выпрямитель на основе оксида меди. Патент США 1640335 был выдан 23 августа 1927 г. Грондалю.

Юлий Эдгар Лилиенфельд широко известен как выдающийся человек в области физики и электроники.

В 1925 году известный изобретатель Юлиус Лилиенфельд (см. фото рядом) подал заявку на патент в Канаде, в следующем году в США, описывая устройство, очень похожее на MESFET-транзистор, которое он назвал тогда Метод и устройство для управления электрическими токами. (см. патент США 1745175 Lilienfeld).

Юлиус Эдгар Лилиенфельд (1882–1963) был выдающимся человеком в области физики и электроники. Австрийский еврей Лилиенфельд родился в Лемберге в Австро-Венгрии (ныне Львов на Украине). Он получил образование (кандидатская степень по физике) и жил в Германии до середины 1920-х годов, когда решил эмигрировать в США. Помимо вышеупомянутого патента на первый транзистор, он был обладателем нескольких других патентов в этой области — патент США 18 «Устройство для управления электрическим током» от 1928 г. на тонкопленочный MOSFET-транзистор; патент США 1877140 «Усилитель электрического тока» от 1928 г. на твердотельное устройство, в котором протекание тока контролируется пористым металлическим слоем, твердотельный вариант вакуумной трубки; Патент США 2013564 «Электролитический конденсатор» от 1931 г. на первый электролитический конденсатор.Когда Браттейн, Бардин и Шокли пытались получить патент на свой транзистор, большинство их требований было отклонено именно из-за патентов Лилиенфельда.

Патент Хайля 1935 г.

В 1934 г. другой немецкий ученый — Оскар Хайль (1908–1994), инженер-электрик и изобретатель, подал заявку на немецкий патент на раннее транзистороподобное устройство, описывающее возможность управления сопротивлением в полупроводниковом материале с помощью электрическое поле, которое он назвал . Усовершенствования электрических усилителей и других механизмов и устройств управления или связанные с ними .В 1935 году Хейл получил британский (см. рядом рисунок из британского патента), бельгийский и французский патенты на свое устройство.

Первый транзистор 1947

Первое полупроводниковое устройство, получившее название «кошачьи усы», было изобретено в 1901 году Джагадисом Чандрой Бозе. «Кошачьи усы» представляли собой детектор радиоволн, в котором использовался полупроводниковый выпрямитель с точечным контактом.

Джагадис Чандра Бозе, изобретатель первого полупроводникового устройства

Транзистор — это устройство на основе полупроводникового материала. В 1947 году Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли изобрели транзистор.

Джон Бардин был инженером и физиком из США. Он единственный человек, дважды получивший Нобелевскую премию по физике. Уолтер Хаузер Браттейн работал физиком в Bell Labs. Браттейн провел большую часть своего времени, изучая поверхностные состояния. В 1970-х Уолтер был активным членом загородного клуба Walla Walla Country Club, пока не умер в 1987 году. Уильям Брэдфорд Шокли-младший был американским физиком и изобретателем. Он был менеджером исследовательской группы Bell Labs.

Джон Бардин и Уолтер Браттейн из Bell Labs компании AT&T в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси, проводили эксперименты с 17 ноября 1947 года по 23 декабря 1947 года.Они обнаружили, что когда к кристаллу германия прикладывались два золотых точечных контакта, выходная мощность сигнала превышала входную. Уильям Шокли, глава группы по физике твердого тела, увидел потенциал и провел следующие несколько месяцев, работая над тем, чтобы резко расширить знания в области полупроводников. В результате Джон Р. Пирс изобрел название «транзистор», чтобы сократить словосочетание «транс-сопротивление».

Уильям Брэдфорд Шокли, Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн разделили Нобелевскую премию по физике в 1956 году за «исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта.”

Полупроводниковый транзистор: как это работает

Транзистор может управлять значительно более сильным сигналом на другой паре клемм с небольшим сигналом, подаваемым между одним набором клемм. Усиление — это имя для этого свойства. Он может действовать как усилитель, создавая более надежный выходной сигнал, такой как напряжение или ток, пропорциональный более слабому входному сигналу. В качестве альтернативы транзистор может быть переключателем с электрическим управлением для включения или выключения тока в цепи.Величина тока определяется другими частями цепи.

Транзистор состоит из двух P-N переходов, расположенных друг над другом. Один смещен в прямом направлении, а именно переход база-эмиттер, тогда как другой смещен в обратном направлении, а именно переход база-коллектор. Несмотря на то, что линия база-коллектор смещена в обратном направлении, обнаружено, что, когда ток вынужден протекать в переходе база-эмиттер, в цепи коллектора протекает более значительный ток.

Транзистор NPN используется в качестве примера для пояснения.В устройстве PNP применяется тот же принцип, только вместо электронов основными носителями являются дырки. Электроны покидают эмиттер и попадают в базу, когда ток проходит через переход база-эмиттер. Однако легирование в этой области сведено к минимуму, и рекомбинационных щелей мало.

В результате большинство электронов могут пройти мимо области базы и в зону коллектора, привлеченные положительным потенциалом. Лишь небольшой процент электронов эмиттера соединяется с дырками в области базы, что приводит к возникновению тока в цепи база-эмиттер.В результате ток коллектора значительно выше.

Полупроводниковый транзистор: историческое значение

Компания Bell Telephone Laboratories изобрела транзистор в 1948 году. Изобретение транзистора стало важным моментом в истории электроники, поскольку оно ознаменовало начало современной эры в электронной промышленности.

Транзистор произвел революцию в электронной промышленности, позволив разработать почти все современные электронные устройства, от телефонов до компьютеров, и открыв век информации.Известно, что полупроводники являются мозгом современной электроники. Полупроводники являются жизненно важным компонентом электронного оборудования, позволяющим добиться прогресса в области связи, компьютеров, здравоохранения, военных систем, транспорта, экологически чистой энергии и многих других областях.

Полупроводниковые транзисторы имеют такое большое значение из-за их широкого применения. Некоторые из важных применений заключаются в следующем.

Электронные переключатели изготовлены из транзисторов. Они могут включать и выключать токи со скоростью миллиарды раз в секунду.Транзисторы являются основным механизмом хранения и передачи данных в цифровых компьютерах. Кроме того, транзисторы можно использовать в качестве усилителей, если они правильно настроены. Это свойство используется в подавляющем большинстве усилителей звука и других сигналов.

Существует предел размера транзисторов, но решение — фотонные чипы — кварц. скорее аксиома или наблюдение.По сути, это предполагает, что электронные устройства удваиваются в скорости и возможностях примерно каждые два года. И действительно, каждый год технологические компании придумывают новые, более быстрые, умные и лучшие гаджеты.

В частности, закон Мура, сформулированный одним из основателей Intel Гордоном Муром, заключается в том, что «количество транзисторов, встроенных в чип, будет удваиваться примерно каждые 24 месяца». Транзисторы — крошечные электрические переключатели — это основной блок, который приводит в действие все электронные гаджеты, о которых мы только можем подумать.По мере того, как они становятся меньше, они также становятся быстрее и потребляют меньше электроэнергии для работы.

В мире технологий один из самых больших вопросов 21-го века: насколько малы мы можем сделать транзисторы? Если есть предел тому, насколько крошечными они могут стать, мы можем достичь точки, в которой мы больше не сможем продолжать делать меньшие, более мощные и более эффективные устройства. Это отрасль с годовым доходом более 200 миллиардов долларов только в США. Может перестанет расти?

Приближаясь к пределу

В настоящее время такие компании, как Intel, массово производят транзисторы 14 нанометров в поперечнике, что всего в 14 раз шире, чем молекулы ДНК.Они сделаны из кремния, второго по распространенности материала на нашей планете. Атомный размер кремния составляет около 0,2 нанометра.

Сегодняшние транзисторы имеют ширину около 70 атомов кремния, поэтому возможность сделать их еще меньше сама по себе сужается. Мы очень близко подошли к пределу того, насколько маленьким мы можем сделать транзистор.

В настоящее время транзисторы используют для связи электрические сигналы — электроны перемещаются из одного места в другое. Но если бы мы могли использовать свет, состоящий из фотонов, вместо электричества, мы могли бы делать транзисторы еще быстрее.Моя работа по поиску способов интеграции обработки на основе света с существующими чипами является частью этих зарождающихся усилий.

Включение света внутрь микросхемы

Транзистор состоит из трех частей; думайте о них как о частях цифровой камеры. Сначала информация поступает в линзу, аналогичную источнику транзистора. Затем он проходит по каналу от датчика изображения к проводам внутри камеры. И, наконец, информация хранится на карте памяти камеры, которую называют «стоком» транзистора, куда в конечном итоге попадает информация.

Прямо сейчас все это происходит за счет движения электронов. Чтобы заменить свет в качестве среды, нам на самом деле нужно вместо этого перемещать фотоны. Субатомные частицы, такие как электроны и фотоны, движутся волнообразно, вибрируя вверх и вниз, даже когда они движутся в одном направлении. Длина каждой волны зависит от того, через что она проходит.

В кремнии наиболее эффективная длина волны для фотонов составляет 1,3 микрометра. Это очень мало — человеческий волос составляет около 100 микрометров в поперечнике. Но электроны в кремнии еще меньше – их длина волны в 50–1000 раз короче, чем у фотонов.

Это означает, что оборудование для работы с фотонами должно быть больше, чем современные устройства для работы с электронами. Так что может показаться, что это заставит нас создавать более крупные транзисторы, а не меньшие.

Однако по двум причинам мы могли бы оставить чипы того же размера и обеспечить большую вычислительную мощность, уменьшить размер чипов при одинаковой мощности или, возможно, и то, и другое. Во-первых, фотонному чипу требуется всего несколько источников света, генерирующих фотоны, которые затем можно направить вокруг чипа с помощью очень маленьких линз и зеркал.

Во-вторых, свет гораздо быстрее электронов. В среднем фотоны могут двигаться примерно в 20 раз быстрее, чем электроны в чипе. Это означает, что компьютеры работают в 20 раз быстрее, а для достижения такой скорости при использовании современных технологий потребуется около 15 лет.

В последние годы ученые продемонстрировали прогресс в области фотонных чипов. Ключевой задачей является обеспечение того, чтобы новые световые чипы могли работать со всеми существующими электронными чипами. Если мы сможем понять, как это сделать, или даже использовать световые транзисторы для улучшения электронных, мы увидим значительное улучшение производительности.

Когда я смогу получить легкий ноутбук или смартфон?

Нам еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем первое потребительское устройство появится на рынке, и прогресс требует времени. Первый транзистор был изготовлен в 1907 году с использованием вакуумных трубок, высота которых обычно составляла от одного до шести дюймов (в среднем 100 мм). К 1947 году был изобретен нынешний тип транзистора — тот, который сейчас составляет всего 14 нанометров в поперечнике — и имел длину 40 микрометров (примерно в 3000 раз больше, чем нынешний).А в 1971 году первый коммерческий микропроцессор (основной элемент любого электронного гаджета) был в 1000 раз больше, чем сегодняшний, когда он был выпущен.

Огромные исследовательские усилия и последующая эволюция, наблюдаемая в электронной промышленности, только начинаются в фотонной промышленности. В результате современная электроника может выполнять задачи гораздо более сложные, чем лучшие современные фотонные устройства. Но по мере продолжения исследований возможности света догонят и в конечном итоге превзойдут скорости электроники.Сколько бы времени ни потребовалось, чтобы добраться туда, будущее фотоники блестяще.

Первоначально этот пост появился на The Conversation.

Представляем вакуумный транзистор: устройство, сделанное из ничего

В конце концов, в Соединенных Штатах вакуумные лампы уступили место более компактным и менее энергоемким твердотельным устройствам два десятилетия назад, вскоре после того, как Уильям Шокли, Джон Бардин , и Уолтер Браттейн собрали первый транзистор в Bell Laboratories в 1947 году.К середине 1970-х единственные электронные лампы, которые можно было найти в западной электронике, были спрятаны в определенных видах специализированного оборудования, не считая вездесущих кинескопов телевизоров. Сегодня даже их нет, и за пределами нескольких ниш электронные лампы являются вымершей технологией. Поэтому может оказаться сюрпризом узнать, что некоторые очень скромные изменения в методах изготовления, используемых в настоящее время для создания интегральных схем, могут все же вдохнуть жизнь в вакуумную электронику.

В Исследовательском центре Эймса НАСА последние несколько лет мы работали над созданием транзисторов с вакуумным каналом.Наше исследование все еще находится на ранней стадии, но созданные нами прототипы показывают, что это новое устройство имеет огромные перспективы. Транзисторы с вакуумным каналом могут работать в 10 раз быстрее, чем обычные кремниевые транзисторы, и, возможно, в конечном итоге смогут работать на терагерцовых частотах, которые долгое время были недоступны для любого твердотельного устройства. И они значительно более устойчивы к теплу и радиации. Чтобы понять почему, полезно немного узнать о конструкции и функционировании старых добрых электронных ламп.

Фото: Грегори Максвелл Lightbulb Потомок: Вакуумные лампы были продуктом обычных лампочек, развитие которых стимулировалось исследованиями Томаса Эдисона способности нагретых нитей испускать электроны. Этот пример 1906 года, ранняя лампа Audion, очень похож на лампочку, хотя нить накала в этой конкретной лампе не видна, поскольку она давно перегорела. Эта нить когда-то служила катодом, от которого электроны летели к аноду или пластине, расположенной в центре стеклянной трубки.Поток тока от катода к аноду можно было контролировать, изменяя напряжение, подаваемое на сетку, зигзагообразную проволоку, видимую под пластиной.

Вакуумная лампа s размером с большой палец, которая усиливала сигналы бесчисленных радиоприемников и телевизоров в первой половине 20-го века, может показаться совсем не похожей на полевые МОП-транзисторы (МОП-транзисторы), регулярно поражающие нас своими возможностями. в современной цифровой электронике. Но во многом они очень похожи.Во-первых, они оба являются трехконтактными устройствами. Напряжение, подаваемое на одну клемму — сетку для простой триодной электронной лампы и затвор для полевого МОП-транзистора, — управляет величиной тока, протекающего между двумя другими: от катода к аноду в электронной лампе и от истока к стоку в полевом МОП-транзисторе. Именно эта способность позволяет каждому из этих устройств функционировать как усилитель или, при достаточном усилии, как переключатель.

Однако то, как электрический ток течет в вакуумной трубке, сильно отличается от того, как он течет в транзисторе.Вакуумные лампы основаны на процессе, называемом термоэлектронной эмиссией: нагревание катода заставляет его испускать электроны в окружающий вакуум. Ток в транзисторах, с другой стороны, возникает из-за дрейфа и диффузии электронов (или «дыр», мест, где электроны отсутствуют) между истоком и стоком через твердый полупроводниковый материал, который их разделяет.

Почему электронные лампы уступили место твердотельной электронике так много десятилетий назад? Преимущества полупроводников включают более низкую стоимость, гораздо меньшие размеры, превосходный срок службы, эффективность, прочность, надежность и согласованность.Несмотря на эти преимущества, если рассматривать вакуум исключительно как среду для переноса заряда, он выигрывает у полупроводников. Электроны свободно распространяются через ничто в вакууме, тогда как они страдают от столкновений с атомами в твердом теле (процесс, называемый рассеянием на кристаллической решетке). Более того, вакуум не подвержен радиационному повреждению, которое поражает полупроводники, и производит меньше шума и искажений, чем твердотельные материалы.

Недостатки ламп не были такими досадными, когда их требовалось всего несколько, чтобы запустить радио или телевизор.Но они оказались действительно проблематичными с более сложными схемами. Например, компьютер ENIAC 1946 года, в котором использовалось 17 468 электронных ламп, потреблял 150 киловатт энергии, весил более 27 метрических тонн и занимал почти 200 квадратных метров площади. И он все время ломался, трубка выходила из строя каждый день или два.

Чип в бутылке. Простейшей вакуумной лампой, способной к усилению, является триод, названный так потому, что он содержит три электрода: катод, анод и сетку.Как правило, структура имеет цилиндрическую симметрию, при этом катод окружен сеткой, а сетка окружена анодом. Работа аналогична работе полевого транзистора, здесь напряжение, приложенное к сетке, управляет током, протекающим между двумя другими электродами. (Триодные лампы часто имеют пять контактов для подключения двух дополнительных электрических разъемов для нагреваемой нити накала.) Иллюстрация: Джеймс Провост

Транзисторная революция положила конец таким разочарованиям.Но последовавшие кардинальные изменения в электронике произошли не столько из-за внутренних преимуществ полупроводников, сколько из-за того, что инженеры получили возможность массового производства и объединения транзисторов в интегральные схемы путем химической гравировки или травления кремниевой пластины с соответствующим рисунком. По мере развития технологии изготовления интегральных схем все больше и больше транзисторов можно было втиснуть в микросхемы, что позволяло схемам становиться все более сложными от поколения к поколению.Электроника также стала быстрее без дополнительных затрат.

Это преимущество в скорости было связано с тем, что по мере того, как транзисторы становились меньше, электронам, проходившим через них, приходилось преодолевать все более короткие расстояния между истоком и стоком, что позволяло включать и выключать каждый транзистор быстрее. Вакуумные лампы, с другой стороны, были большими и громоздкими, и их приходилось изготавливать индивидуально путем механической обработки. Несмотря на то, что с годами они улучшались, лампы так и не выиграли от чего-либо, хотя бы отдаленно напоминающего закон Мура.

Но после четырех десятилетий уменьшения размеров транзистора оксидный слой, изолирующий электрод затвора типичного полевого МОП-транзистора, теперь имеет толщину всего несколько нанометров, а его исток и сток разделяют всего несколько десятков нанометров. Обычные транзисторы действительно не могут стать намного меньше. Тем не менее поиск более быстрых и энергоэффективных чипов продолжается. Какой будет следующая транзисторная технология? Интенсивно разрабатываются нанопровода, углеродные нанотрубки и графен. Возможно, один из этих подходов изменит электронную промышленность.Или, может быть, они все сдохнут.

W Мы работали над созданием еще одного кандидата на замену полевого МОП-транзистора, с которым исследователи то и дело возились в течение многих лет: транзистора с вакуумным каналом. Это результат сочетания традиционной технологии электронных ламп и современных технологий изготовления полупроводников. Этот любопытный гибрид сочетает в себе лучшие аспекты электронных ламп и транзисторов и может быть таким же маленьким и дешевым, как любое твердотельное устройство.Действительно, их малые размеры устраняют хорошо известные недостатки электронных ламп.

Транзисторизация вакуумной лампы: Транзистор с вакуумным каналом очень похож на обычный полевой транзистор металл-оксид-полупроводник или МОП-транзистор (слева). В МОП-транзисторах напряжение, подаваемое на затвор, создает электрическое поле в полупроводниковом материале под ним. Это поле, в свою очередь, втягивает носители заряда в канал между областями истока и стока, позволяя току течь. Через затвор, который изолирован от подложки тонким слоем оксида, ток не течет.Транзистор с вакуумным каналом, разработанный авторами (справа), аналогичным образом использует тонкий слой оксида для изоляции затвора от катода и анода, которые заострены для усиления электрического поля на концах. Иллюстрация: Джеймс Провост; Изображение на вставке: Исследовательский центр Эймса НАСА

В вакуумной трубке электрическая нить накала, похожая на нить накаливания в лампе накаливания, используется для нагрева катода, достаточного для испускания электронов. Вот почему вакуумным лампам нужно время, чтобы прогреться, и почему они потребляют так много энергии.По этой же причине они часто перегорают (часто из-за незначительной течи в стеклянной оболочке трубки). Но транзисторам с вакуумным каналом не нужна нить накала или горячий катод. Если устройство сделать достаточно маленьким, электрического поля на нем достаточно, чтобы вытягивать электроны из источника с помощью процесса, известного как автоэлектронная эмиссия. Отсутствие потребляющего энергию нагревательного элемента уменьшает площадь, занимаемую каждым устройством на кристалле, и делает этот новый тип транзистора энергоэффективным.

Еще одним слабым местом ламп является то, что они должны поддерживать высокий вакуум, обычно тысячную или около того атмосферного давления, чтобы избежать столкновений между электронами и молекулами газа.При таком низком давлении электрическое поле заставляет положительные ионы, образующиеся из остаточного газа в трубке, ускоряться и бомбардировать катод, создавая острые выступы нанометрового размера, которые разрушают и, в конечном итоге, разрушают его.

Эти давние проблемы вакуумной электроники не являются непреодолимыми. Что, если бы расстояние между катодом и анодом было меньше среднего расстояния, которое проходит электрон, прежде чем столкнуться с молекулой газа, — расстояния, известного как длина свободного пробега? Тогда вам не придется беспокоиться о столкновениях между электронами и молекулами газа.Например, длина свободного пробега электронов в воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет около 200 нанометров, что в масштабах современных транзисторов довольно много. Используйте гелий вместо воздуха, и длина свободного пробега увеличится примерно до 1 микрометра. Это означает, что электрон, пересекающий, скажем, 100-нм зазор, залитый гелием, будет иметь лишь 10-процентную вероятность столкновения с газом. Сделайте зазор еще меньше, и вероятность столкновения еще больше уменьшится.

Но даже при низкой вероятности столкновения многие электроны все равно столкнутся с молекулами газа.Если удар выбьет связанный электрон из молекулы газа, он станет положительно заряженным ионом, а это означает, что электрическое поле отправит его в полет к катоду. Под воздействием всех этих положительных ионов катоды разрушаются. Так что вы действительно хотите избежать этого, насколько это возможно.

К счастью, если поддерживать низкое напряжение, электроны никогда не наберут достаточно энергии для ионизации гелия. Таким образом, если размеры вакуумного транзистора существенно меньше длины свободного пробега электронов (что несложно организовать), а рабочее напряжение достаточно низкое (что тоже несложно), устройство вполне может работать при атмосферном давлении.То есть вам вообще не нужно поддерживать какой-либо вакуум для того, что номинально является миниатюрной частью «вакуумной» электроники!

Но как включить и выключить этот новый тип транзистора? В триодной электронной лампе вы управляете током, протекающим через нее, изменяя напряжение, подаваемое на сетку — сетчатый электрод, расположенный между катодом и анодом. Расположение сетки близко к катоду улучшает электростатический контроль сетки, хотя такое близкое расположение имеет тенденцию увеличивать величину тока, протекающего в сетку.В идеале ток никогда не будет течь в сеть, потому что он тратит энергию и может даже привести к неисправности трубки. Но на практике всегда есть небольшой ток в сети.

Чтобы избежать таких проблем, мы управляем током в нашем транзисторе с вакуумным каналом так же, как это делается в обычных МОП-транзисторах, используя электрод затвора, который имеет изолирующий диэлектрический материал (диоксид кремния), отделяющий его от канала тока. Диэлектрический изолятор передает электрическое поле туда, где это необходимо, предотвращая протекание тока в затвор.

Вот видите, транзистор с вакуумным каналом совсем не сложный. Действительно, он работает намного проще, чем любой из предшествующих вариантов транзисторов.

Хотя наши исследования все еще находятся на ранней стадии e, мы считаем, что недавние усовершенствования, которые мы внесли в транзистор с вакуумным каналом, однажды могут оказать огромное влияние на электронную промышленность, особенно на приложения, где скорость имеет первостепенное значение. . Наша самая первая попытка создать прототип позволила создать устройство, способное работать на частоте 460 гигагерц — примерно в 10 раз быстрее, чем может работать лучший кремниевый транзистор.Это делает транзистор с вакуумным каналом очень перспективным для работы в так называемой терагерцовой щели, части электромагнитного спектра выше микроволн и ниже инфракрасного.

Заполнение пробела: транзисторы с вакуумным каналом обещают работать на частотах выше микроволн и ниже инфракрасного — область спектра, иногда называемая терагерцовым интервалом, из-за сложности работы большинства полупроводниковых устройств на этих частотах.Многообещающие приложения для терагерцового оборудования включают направленную высокоскоростную связь и обнаружение опасных материалов.

Такие частоты в диапазоне примерно от 0,1 до 10 терагерц полезны для обнаружения опасных материалов и для безопасных высокоскоростных телекоммуникаций, и это лишь пара возможных применений. Но терагерцовые волны трудно использовать, потому что обычные полупроводники не способны генерировать или обнаруживать это излучение.Вакуумные транзисторы могли бы, простите за выражение, заполнить эту пустоту. Эти транзисторы могут также найти свое применение в будущих микропроцессорах, поскольку их метод производства полностью совместим с традиционным изготовлением КМОП. Но прежде чем это произойдет, необходимо решить несколько проблем.

Наш прототип вакуумного транзистора работает при напряжении 10 вольт, что на порядок выше, чем в современных микросхемах CMOS. Но исследователи из Университета Питтсбурга смогли создать вакуумные транзисторы, работающие всего от 1 или 2 В, хотя и со значительными компромиссами в гибкости конструкции.Мы уверены, что можем снизить требования к напряжению нашего устройства до аналогичных уровней, уменьшив расстояние между его анодом и катодом. Кроме того, острота этих электродов определяет, насколько они концентрируют электрическое поле, а состав материала катода определяет, насколько велико поле, необходимое для извлечения из него электронов. Таким образом, мы могли бы также уменьшить необходимое напряжение, разработав электроды с более острыми концами или с более выгодным химическим составом, который снижает барьер для электронов, покидающих катод.Это, без сомнения, будет чем-то вроде уравновешивания, потому что изменения, сделанные для снижения рабочего напряжения, могут поставить под угрозу долговременную стабильность электродов и, как следствие, срок службы транзистора.

Следующим важным шагом для нас является встраивание большого количества транзисторов с вакуумными каналами в интегральную схему. Для этого мы должны быть в состоянии использовать многие из существующих инструментов автоматизированного проектирования и программного обеспечения для моделирования, разработанного для построения КМОП-ИС. Однако, прежде чем мы попытаемся это сделать, нам нужно усовершенствовать наши компьютерные модели для этого нового транзистора и разработать подходящие правила проектирования для соединения многих из них вместе.И нам нужно будет разработать надлежащие методы упаковки для этих одноатмосферных, наполненных гелием устройств. Скорее всего, методы, используемые в настоящее время для упаковки различных микроэлектромеханических датчиков, таких как акселерометры и гироскопы, могут быть применены к транзисторам с вакуумным каналом без лишней суеты.

По общему признанию, предстоит проделать большую работу, прежде чем мы сможем представить себе появление коммерческих продуктов. Но когда они в конце концов это сделают, это новое поколение вакуумной электроники, несомненно, будет обладать некоторыми удивительными возможностями.Ожидать что. В противном случае вы могли бы в конечном итоге почувствовать себя немного похожими на тех военных аналитиков, которые исследовали тот советский МиГ-25 в Японии еще в 1976 году: позже они поняли, что его авионика на вакуумной основе может выдержать электромагнитный импульс от ядерного взрыва лучше, чем все, что было на Западе. его самолеты. Только тогда они начали ценить маленькое небытие.

Первоначально эта статья появилась в печати под названием «Устройство, сделанное из ничего».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.