Принцип полупроводникового управления электрическим током был известен ещё в начале ХХ века. Несмотря на то, что инженеры, работающие в областях радиоэлектроники, знали как работает транзистор, они продолжали конструировать устройства на основе вакуумных ламп. Причиной такого недоверия к полупроводниковым триодам было несовершенство первых точечных транзисторов. Семейство германиевых транзисторов не отличались стабильностью характеристик и сильно зависели от температурных режимов.

Серьёзную конкуренцию электронным лампам составили монолитные кремниевые транзисторы лишь в конце 50-х годов. С этого времени электронная промышленность начала бурно развиваться, а компактные полупроводниковые триоды активно вытесняли энергоёмкие лампы со схем электронных приборов. С появлением интегральных микросхем, где количество транзисторов может достигать миллиардов штук, полупроводниковая электроника одержала убедительную победу в борьбе за миниатюризацию устройств.

Что такое транзистор?

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

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

Устройство

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

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

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

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

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

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

Рис. 1. Строение транзисторов

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

Базовый принцип работы

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

На рисунке 2 показана схема, объясняющая принцип работы триода.

Рис. 2. Принцип работы

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

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

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

Рис. 3. Триод в режиме ключа

Обозначение на схемах

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

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

Рис. 4. Пример схемы УНЧ на триодах

Виды транзисторов

По принципу действия и строению различают полупроводниковые триоды:

• полевые;
• биполярные;
• комбинированные.

Эти транзисторы выполняют одинаковые функции, однако существуют различия в принципе их работы.

Полевые

Данный вид триодов ещё называют униполярным, из-за электрических свойств – у них протекает ток только одной полярности. По строению и типу управления эти устройства подразделяются на 3 вида:

1. Транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 6).
2. С изолированным затвором (бывают со встроенным либо с индуцированным каналом).
3. МДП, со структурой: металл-диэлектрик-проводник.

Отличительная черта изолированного затвора – наличие диэлектрика между ним и каналом.

Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

Схемы полевых триодов показано на рисунке 5.

Рис. 5. Полевые транзисторы
Рис. 6. Фото реального полевого триода

Обратите внимание на название электродов: сток, исток и затвор.

Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать больше года от небольшой батарейки или аккумулятора. Поэтому они нашли широкое применение в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные гаджеты и т.п.

Биполярные

Об этом виде транзисторов много сказано в подразделе «Базовый принцип работы». Отметим лишь, что название «Биполярный» устройство получило из-за способности пропускать заряды противоположных знаков через один канал. Их особенностью является низкое выходное сопротивление.

Транзисторы усиливают сигналы, работают как коммутационные устройства. В цепь коллектора можно включать достаточно мощную нагрузку. Благодаря большому току коллектора можно понизить сопротивление нагрузки.

Более детально о строении и принципе работы рассмотрим ниже.

Комбинированные

С целью достижения определённых электрических параметров от применения одного дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них можно выделить:

• с внедрёнными и их схему резисторами;
• комбинации из двух триодов (одинаковых или разных структур) в одном корпусе;
• лямбда-диоды – сочетание двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением;
• конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом (применяются для управления электромоторами).

Комбинированные транзисторы – это, по сути, элементарная микросхема в одном корпусе.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

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

Полупроводники.

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

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

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

Односторонняя проводимость.

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

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

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

Связь между напряжением и концентрацией примесей можно выразить формулой:

φ= V T * ln (N n * N p )/n 2 i , где

V T – величина термодинамического напряжения, N n и N p – концентрация соответственно электронов и дырок, а n i обозначает собственную концентрацию.

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

От диода к транзистору.

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

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

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

Рис. 7. Принцип работы триода

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

Устройство может работать и в усилительном режиме.

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

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

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

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

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

Схемы включения биполярного транзистора

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

Рис. 8. Схемы подключения биполярных транзисторов

Для усилителей с общей базой характерно:

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

Схемы с общим эмиттером обладают:

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

При таком подключении достаточно одного источника питания.

Схема подключения по принципу «общий коллектор» обеспечивает:

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

Как работает полевой транзистор? Пояснение для чайников

Строение полевого транзистора отличается от биполярного тем, что ток в нём не пересекает зоны p-n перехода. Заряды движутся по регулируемому участку, называемому затвором. Пропускная способность затвора регулируется напряжением.

Пространство p-n зоны уменьшается или увеличивается под действием электрического поля (см. Рис. 9). Соответственно меняется количество свободных носителей зарядов – от полного разрушения до предельного насыщения. В результате такого воздействия на затвор, регулируется ток на электродах стока (контактах, выводящих обработанный ток). Входящий ток поступает через контакты истока.

Рисунок 9. Полевой транзистор с p-n переходом

По аналогичному принципу работают полевые триоды со встроенным и индуцированным каналом. Их схемы вы видели на рисунке 5.

Схемы включения полевого транзистора

На практике применяют схемы подключений по аналогии с биполярным триодом:

• с общим истоком – выдаёт большое усиление тока и мощности;
• схемы с общим затвором обеспечивающие низкое входное сопротивление, и незначительное усиление (имеет ограниченное применение);
• с общим стоком, работающие так же, как и схемы с общим эмиттером.

На рисунке 10 показаны различные схемы включения.

Рис. 10. Изображение схем подключения полевых триодов

Практически каждая схема способна работать при очень низких входных напряжениях.

Видео, поясняющие принцип работы транзистора простым языком

Любое электронное устройство состоит из радиоэлементов. Они могут быть пассивными, не требующими источника питания, и активными, работа которых возможна только при подаче напряжения. Активными элементами называют полупроводники. Одним из важнейших полупроводниковых приборов является транзистор. Этот радиоэлемент пришёл на смену ламповым приборам и полностью изменил схемотехнику устройств. Вся микроэлектроника и работа любой микросхемы базируется именно на нём.

Название «транзистор» произошло от слияния двух английских слов: transfer - переносимый, и resistor - сопротивление. В общепринятом понятии это полупроводниковый элемент с тремя выводами. В нём величина тока на двух выводах зависит от третьего, при изменении на котором тока или напряжения происходит управление значением тока выходной цепи. Вариацией тока управляются биполярные приборы, а напряжением - полевые.

Первые разработки транзистора были начаты в XX веке. В Германии учёный Юлий Эдгар Лилиенфельд описал принцип работы транзистора, а уже в 1934 году физиком Оскаром Хейл был зарегистрирован прибор, названный позже транзистором. Такое устройство работало на электростатическом эффекте поля.

Физики Уильям Шокли, Уолтер Браттейн вместе с учёным Джоном Бардином в конце 40-х годов изготовили первый макет точечного транзистора. С открытием n-p перехода выпуск точечного транзистора прекратился, а вместо него начались разработки плоскостных устройств из германия. Официально представлен был действующий прототип транзистора в декабре 1947 года. В этот день появился первый биполярный транзистор. Летом 1948 года начались продаваться устройства, выполненные на транзисторной основе. С этого момента распространённые на тот момент электронные лампы (триоды) начали уходить в прошлое.

В середине 50-х годов первый плоскостной транзистор был выпущен в серию компанией Texas Instruments, в качестве материала для его изготовления послужил кремний. На тот момент при производстве радиоэлемента выходило много брака, но это не помешало технологическому развитию прибора. В 1953 году на транзисторах была изготовлена схема, использующаяся в слуховых аппаратах, а годом позже американские физики получили за своё открытие Нобелевскую премию.

Март 1959 года ознаменовался созданием первого кремниевого планарного прибора, его разработчиком был физик из Швейцарии Жан Эрни. Пара транзисторов была успешно размещена на одном кристалле кремния. С этого момента и началось развитие интегральной схемотехники. На сегодняшний день в одном кристалле размещается более миллиарда транзисторов. Например, на популярном 8-ядерном компьютерном процессоре Core i7−5960X их количество составляет 2,6 миллиарда штук.

Параллельно с усовершенствованиями биполярного транзистора в 60-х годах начались разработки прибора на основе соединения металла с полупроводником. Такой радиоэлемент получил название МОП (металл-оксид-полупроводник) транзистор, сегодня более известный под обозначением «мосфет».

Изначально понятие «транзистор» относилось к сопротивлению, величина которого управлялась напряжением, поскольку транзистор можно представить как некий резистор, регулируемый приложенным потенциалом на одном выводе. Для полевых транзисторов, сравнение с которыми более верно, - потенциалом на затворе, а для биполярных транзисторов - потенциалом на базе или током базы.

Основа работы прибора заключается в способности n-p перехода пропускать ток в одну сторону. При подаче напряжения на одном переходе возникает его прямое падение, а на другом обратное. Зона перехода с прямым напряжением обладает малым сопротивлением, а с обратным - большим. Между базой и эмиттером протекает небольшой ток управления. От значения этого тока изменяется сопротивление между коллектором и эмиттером. Биполярный прибор бывает двух типов:

• p-n-p ;
• n-p-n.

Отличие заключается лишь в основных носителях заряда, т. е. направлении тока.

Если соединить два полупроводника разного типа между собой, то на границе соединения возникает область или, как принято называть, p-n переход. Тип проводимости зависит от атомного строения материала, а именно насколько прочны связи в материале. Атомы в полупроводнике располагаются в виде решётки, и сам по себе такой материал не является проводником. Но если в решётку добавить атомы другого материала, то физические свойства полупроводника изменяются. Примешанные атомы образовывают, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки.

Образованные свободные электроны формируют отрицательный заряд, а дырки - положительный. В области перехода существует потенциальный барьер. Он образуется контактной разностью потенциалов, и его высота не превышает десятые доли вольта, препятствуя протеканию носителей заряда вглубь материала. Если переход находится под прямым напряжением, то величина потенциального барьера уменьшается, а величина проходящего через него тока увеличивается. При прикладывании обратного напряжения, величина барьера увеличивается и сопротивление барьера прохождению тока возрастает. Понимая работу p-n перехода, можно разобраться, как устроен транзистор.

В первую очередь такие приборы разделяются на одиночные и составные. Существуют и так называемые комплексные радиоэлементы. Они имеют три вывода и выполненны, как единое целое. Такие сборки содержат как однотипные, так и разные по своему типу транзисторы. Основное разделение приборов происходит по следующим признакам:

Общее определение для радиоэлемента можно сформулировать следующим образом: транзистор - это полупроводниковый элемент, предназначенный для преобразования электрических величин. Основное его применение заключается в усилении сигнала или работе в ключевом режиме.

Принцип работы транзистора для «чайника» проще описать по аналогии с водопроводом. Сам элемент можно представить в виде вентиля. Кран небольшим поворотом позволяет регулировать поток воды (силу тока). Если немного повернуть рукоятку, вода потечёт по трубе (проводнику), если приоткрыть кран ещё сильнее, поток воды также увеличится. Таким образом, выход потока воды пропорционален её входу, умноженному на определённую величину. Этой величиной называется коэффициент усиления.

Биполярный транзистор имеет три вывода: эмиттер, база, коллектор. Эмиттер и коллектор имеют одинаковый тип проводимости, который отличный от базы. Дырочного типа транзисторы состоят из двух областей p -типа проводимости, и одной n -типа. Электронного типа наоборот. Каждая область имеет свой вывод.

При подаче на эмиттер сигнала нужной проводимости ток в области базы увеличивается. Основные носители заряда перемещаются в зону базы, что приводит к возрастанию тока и в обратной области подключения. Возникает объёмный заряд. Электрическое поле начинает втягивать в зону обратного подключения носители другого знака. В базе происходит частичная рекомбинация (уничтожение) зарядов противоположного знака, благодаря чему и возникает ток базы.

Эмиттером называют область прибора, служащую для передачи носителей заряда в базу. Коллектором называют зону, предназначенную для извлечения носителей заряда из базы. А база - это область для передачи эмиттером противоположной величины заряда. Основной характеристикой прибора является вольт-амперная характеристика, функция которой описывает зависимость между током и напряжением.

На схеме устройство подписывается латинскими буквами VT или Q. Выглядит как круг со стрелкой внутри, где стрелка указывает направление протекания тока. Для PNP (прямая проводимость) - стрелка внутрь, а NPN (обратная проводимость) - стрелка наружу. Для того чтобы сделать транзистор, используется германий или кремний. Отличаются эти материалы рабочей областью напряжения базового перехода. Для германиевых он лежит в диапазоне 0,1−0,4 В, а для кремниевых от 0,4 до 1,2 В. Обычно используется кремний.

Отличие полевого транзистора от биполярного в том, что в нём за прохождение тока отвечает величина напряжения, приложенная к управляемому контакту.

Основное назначение мосфетов связывают с их хорошей скоростью переключения при весьма небольшой мощности, приложенной к выводу управления. Полевой элемент имеет три вывода: затвор, сток, исток. При работе мосфета с управляющим n-p переходом потенциал на затворе либо равен нулю (прибор открыт), или имеет определённое значение, превышающее ноль (прибор закрыт). Когда обратное напряжения достигает определённого уровня, то открывается запирающий слой, и устройство переходит в режим отсечки.

В мосфете с p-n переходом управляющим электродом (затвором) служит слой полупроводника, имеющий проводимость р-типа, а противоположной проводимости - канал n-типа.

Изображение его на схеме сходно биполярному устройству, только все линии выполняются прямыми, а стрелка внутри подчёркивает разновидность прибора. В основе принципа действия МОП приборов лежит эффект изменения проводимости полупроводника на границе области с диэлектриком при воздействии электрического поля. Полевые устройства в зависимости от управляемого p-n перехода могут быть:

Каждый вид может иметь проводимость как p-типа, так и n-типа. В общем понимании принцип работы не зависит от проводимости, меняется только полярность источника напряжения.

Транзистор - это сложный прибор, физические процессы проходящие в котором сложны для понимания начинающим радиолюбителям (чайникам). Как работает транзистор, можно объяснить следующим образом: транзистор - это электронный ключ, степень открывания которого зависит от уровня тока или напряжения, приложенного к его управляемому выводу (база или затвор).

Зачем нужен транзистор, можно описать в обобщённой форме. Например, база (затвор) прибора - это дверь. Она открывается внешним воздействием, т. е. напряжением той же полярности, что и коллектор (исток). Чем больше напряжение, тем дверь больше откроется. Перед дверью стоит очередь людей (носители заряда), которые хотят пробежать через неё (коллектор-эмиттер или исток-сток). Чем больше воздействие на дверь, тем больше она открыта, а значит, и больше пробежит людей.

Поэтому, представляя дверь в виде сопротивления перехода, можно сделать вывод: чем больше воздействие на базу (затвор), тем меньше сопротивление основным носителям заряда (людям) в случае прямой полярности. Если полярность поменяется (дверь закроется на замок), то никакого движения зарядов (людей) не будет.

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 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, о свойствах которого было рассказано . Транзистор, как известно, состоит из двух переходов, поэтому 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

Транзисторы являются активными компонентами и используются повсеместно в электронных цепях в качестве усилителей и коммутационных устройств (транзисторных ключей). Как усилительные приборы они применяются в приборах высокой и низкой частоты, генераторах сигналов, модуляторах, детекторах и многих других цепях. В цифровых схемах, в импульсных блоках питания и управляемых электроприводах они служат в качестве ключей.

Биполярные транзисторы

Так называется наиболее распространенный тип транзистора. Они делятся на npn и pnp типы. Материалом для них наиболее часто является кремний или германий. Поначалу транзисторы делались из германия, но они были очень чувствительны к температуре. Кремниевые приборы гораздо более стойки к ее колебаниям и дешевле в производстве.

Различные биполярные транзисторы показаны на фото ниже.

Маломощные приборы расположены в небольших пластиковых прямоугольных или металлический цилиндрических корпусах. Они имеют три вывода: для базы (Б), эмиттер (Э) и коллектор (К). Каждый из них подключен к одному из трех слоев кремния с проводимостью либо n- (ток образуют свободные электроны), либо p-типа (ток образуют так называемые положительно заряженные «дырки»), из которых и состоит структура транзистора.

Как устроен биполярный транзистор?

Принципы работы транзистора нужно изучать, начиная с его устройства. Рассмотрим структуру npn-транзистора, которая изображена на рис.ниже.

Как видим, он содержит три слоя: два с проводимостью n-типа и один - p-типа. Тип проводимости слоев определяется степенью легирования специальными примесями различных частей кремниевого кристалла. Эмиттер n-типа очень сильно легирован, чтобы получить множество свободных электронов как основных носителей тока. Очень тонкая база p-типа слегка легирована примесями и имеет высокое сопротивление, а коллектор n- типа очень сильно легирован, чтобы придать ему низкое сопротивление.

Принципы работы транзистора

Лучшим способом познакомиться с ними является экспериментальный путь. Ниже приведена схема простой цепи.

Она использует силовой транзистор для управления свечением лампочки. Вам также понадобится батарейка, небольшаю лампочка от фонарика примерно 4,5 В/0,3 А, потенциометр в виде переменного резистора (5К) и резистор 470 Ом. Эти компоненты должны быть соединены, как показано на рисунке справа от схемы.

Поверните движок потенциометра в крайнее нижнее положение. Это понизит напряжение на базе (между базой и землёй) до нуля вольт (U BE = 0). Лампа не светится, что означает отсутствие тока через транзистор.

Если теперь поворачивать рукоятку от ее нижней позиции, то U BE постепенно увеличивается. Когда оно достигает 0,6 В, ток начинает втекать в базу транзистора, и лампа начинает светиться. Когда рукоятка сдвигается дальше, напряжение U BE остается на уровне 0,6 В, но ток базы увеличивается и это увеличивает ток через цепь коллектор-эмиттер. Если рукоятка сдвинута в верхнее положение, напряжение на базе будет немного увеличено до 0,75 В, но ток значительно возрастет и лампа будет светиться ярко.

А если измерить токи транзистора?

Если мы включим амперметр между коллектором (C) и лампой (для измерения I C), другой амперметр между базой (B) и потенциометром (для измерения I B), а также вольтметр между общим проводом и базой и повторим весь эксперимент, мы сможем получить некоторые интересные данные. Когда рукоятка потенциометра находится в его низшей позиции, U BE равно 0 В, также как и токи I C и I B . Когда рукоятку сдвигают, эти значения растут до тех пор, пока лампочка не начинает светиться, когда они равны: U BE = 0.6 В, I B = 0,8 мА и I C = 36 мА.

В итоге мы получаем от этого эксперимента следующие принципы работы транзистора: при отсутствии положительного (для npn-типа) напряжения смещения на базе токи через его выводы равны нулю, а при наличии напряжения и тока базы их изменения влияют на ток в цепи коллектор - эмиттер.

Что происходит при включении питания транзистора

Во время нормальной работы, напряжение, приложенное к переходу база-эмиттер, распределяется так, что потенциал базы (p-типа) приблизительно на 0,6 В выше, чем у эмиттера (n-типа). При этом к данному переходу приложено прямое напряжение, он смещен в прямом направлении и открыт для протекания тока из базы в эмиттер.

Гораздо более высокое напряжение приложено к переходу база-коллектор, причем потенциал коллектора (n-типа) оказывается более высоким, чем у базы (p-типа). Так что к переходу приложено обратное напряжение и он смещен в обратном направлении. Это приводит к образованию довольно толстого обедненного электронами слоя в коллекторе вблизи базы, когда к транзистору прикладывается напряжение питания. В результате ток через цепь коллектор-эмиттер не проходит. Распределение зарядов в зонах переходов npn-транзистора показан на рисунке ниже.

Какова роль тока базы?

Как же заставить работать наш электронный прибор? Принцип действия транзистора заключается во влиянии тока базы на состояние закрытого перехода база-коллектор. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, небольшой ток будет поступать в базу. Здесь его носителями являются положительно заряженные дырки. Они комбинируются с электронами, поступающими из эмиттера, обеспечивая ток I BE . Однако вследствие того, что эмиттер очень сильно легирован, гораздо больше электронов поступает из него в базу, чем способно соединиться с дырками. Это означает, что возникает большая концентрация электронов в базе, и большинство из них пересекает ее и попадает в обедненный электронами слой коллектора. Здесь они попадают под влияние сильного электрического поля, приложенного к переходу база-коллектор, проходят через обедненный электронами слой и основной объем коллектора к его выводу.

Изменения тока, втекающего в базу, влияют на количество привлеченных от эмиттера электронов. Таким образом, принципы работы транзистора могут быть дополнены следующим утверждением: очень небольшие изменения в базовом токе вызывают очень большие изменения в токе, протекающем от эмиттера к коллектору, т.е. происходит усиление тока.

Типы полевых транзисторов

По английски они обозначаются FETs - Field Effect Transistors, что можно перевести как «транзисторы с полевым эффектом». Хотя есть много путаницы в названиях для них, но встречаются в основном два основных их типа:

1. С управляющим pn-переходом. В англоязычной литературе они обозначаются JFET или Junction FET, что можно перевести как «переходный полевой транзистор». Иначе они именуются JUGFET или Junction Unipolar Gate FET.

2. С изолированным затвором (иначе МОП- или МДП-транзисторы). По английски они обозначаются IGFET или Insulated Gate FET.

Внешне они очень похожи на биполярные, что подтверждает фото ниже.

Устройство полевого транзистора

Все полевые транзисторы могут быть названы УНИПОЛЯРНЫМИ приборами, потому что носители заряда, которые образуют ток через них, относятся к единственному для данного транзистора типу - либо электроны, либо «дырки», но не оба одновременно. Это отличает принцип работы транзистора полевого от биполярного, в котором ток образуется одновременно обоими этими типами носителей.

Носители тока протекают в полевых транзисторах с управляющим pn-переходом по слою кремния без pn-переходов, называемому каналом, с проводимостью либо n-, либо p-типа между двумя выводами, именуемыми «истоком» и «стоком» - аналогами эмиттера и коллектора или, точнее,катода и анода вакуумного триода. Третий вывод - затвор (аналог сетки триода) - присоединен к слою кремния с другим типом проводимости, чем у канала исток-сток. Структура такого прибора показана на рисунке ниже.

Как же работает полевой транзистор? Принцип работы его заключается в управлении поперечным сечением канала путем приложения напряжения к переходу затвор-канал. Его всегда смещают в обратном направлении, поэтому транзистор практически не потребляет тока по цепи затвора, тогда как биполярному прибору для работы нужен определенный ток базы. При изменении входного напряжения область затвора может расширяться, перекрывая канал исток-сток вплоть до полного его закрытия, управляя таким образом током стока.

Условно биполярный транзистор можно нарисовать в виде пластины полупроводника с меняющимися областями разной проводимости, состоящие из двух p-n переходов. Причем крайние области пластины обладают проводимостью одного типа, а средняя область противоположного типа, каждая из областей имеет свой персональный вывод.

В зависимости от чередования этих областей транзисторы бывают p-n-p и n-p-n проводимости, соответственно.

А если взять и прикрыть одну любую часть транзисто, то у нас получится полупроводник с одним p-n переходом или диод. Отсюда напрашивается вывод, что биполярный транзистор условно можно представить в виде двух полупроводников с одной общей зоной, соединенных встречно друг к другу.

Часть транзистора, назначением которой является инжекция носителей зарядов в базу называется эмиттером, и соответствующий p-n переход эмиттерным, а та часть элемента, назначение которой заключается в выводе или экстракции носителей заряда из базы, получила название коллектор, и p-n переход коллекторный. Общую зону назвали базой.

Различие в обозначениях разных структур состоит лишь в направлении стрелки эмиттера: в p-n-p она направлена в сторону базы, а в n-p-n наоборот, от базы.

В чем разница между PNP и NPN транзисторами? Я постарался в этом видео показать разницу в работе двух видов биполярных транзисторов. Я использовал доступные радиодетали, такие как светодиод (и резистор для защиты), для демонстрации работы. В кпримера я использовал транзисторы типа 2n2907 и bc337. Регулировал напряжение с помощью переменного резистора (потенциометра).

В начальный период развития полупроводниковой электроники их изготавливали только из германия по технологии вплавления примесей, поэтому их назвали сплавными. Например, в основе кристалл германия и в него вплавляю маленькие кусочки индия.

Атомы индия проникаю в тело германиевого кристалла, создают в нем две области – коллектор и эмиттер. Между ними остается очень тонкая в несколько микрон прослойка полупроводника противоположного типа - база. А чтобы спрятать кристалл от света его прячут в корпус.

На рисунке показано, что к металлическому диску приварен кристаллодержатель, являющийся выводом базы, а снизу диска имеется ее наружный проволочный вывод.

Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проводникам внешних электродов.

С развитием электроники приступили к обработке кристаллов кремния, и изобрели кремниевые приборы, практически полностью отправившие на пенсию германиевые транзисторы.

Они способны работать с более высокими температурах, в них ниже значение обратного тока и более высокое напряжение пробоя.

Основным методом изготовления является планарная технологи. У таких транзисторов p-n переходы располагаются в одной плоскости. Принцип метода основывается на диффузии или вплавлении в пластину кремния примеси, которая может быть в газообразной, жидкой или твердой составляющей. При нагрева до строго фиксированной температуры осуществляется диффузия примесных элементов в кремний.

В данном случае один из шариков создает тонкую базовую область, а другой эмиттерную. В результате в кремнии образуются два p-n перехода. По этой технологии производят в заводских условиях наиболее распространенные типы кремниевых транзисторов.

Кроме того для изготовления транзисторных структур широко применяются комбинированные методы: сплавление и диффузия или различные варианты диффузии, например, двусторонняя или двойная односторонняя.

Проведем практический эксперимент, для этого нам потребуется любой транзистор и лампочка накаливания из старого фонарика и чуть-чуть монтажного провода для того, чтоб мы могли собрать эту схему.

Работа транзистора практический опыт для начинающих

Лампочка светится потому, что на коллекторный переход поступает прямое напряжение смещения, которое отпирает коллекторный переход и через него течет коллекторный ток Iк. Номинал его зависит от сопротивления нити лампы и внутреннего сопротивления батарейки или блока питания.

А теперь представим эту схему в структурном виде:

Так как в области N основными носителями заряда являются электроны, они проходя потенциальный барьер p-n переход, попадают в дырочную область p-типа и становятся неосновными носителями заряда, где начинают поглощаться основными носителями дырками. Таким же и дырки из коллектора, стремятся попасть в область базы и поглощаются основными носителями заряда электронами.

Так как база к минусу источника питания, то на нее будет поступать множество электронов, компенсируя потери из области базы. А коллектора, соединенный с плюсом через нить лампы, способен принять такое же число, поэтому будет восстанавливаться концентрация дырок.

Проводимость p-n перехода существенно возрастет и через коллекторный переход начнет идти ток коллектора Iк . И чем он будет выше, тем сильнее будет гореть лампочка накаливания.

Аналогичные процесс протекают и в цепь эмиттерного перехода. На рисунке показан вариант подключения схемы для второго опыта.

Проведем очередной практический опыт и подключим базу транзистора к плюсу БП. Лампочка не загорается, так как p-n переход транзистора мы подсоединили в обратном направлении и сопротивление перехода резко возросло и через него следует лишь очень маленький обратный ток коллектора Iкбо не способный зажечь нить лампочки.

Осуществим, еще один интересный эксперимент подключим лампочку в соответствии с рисунком. Лампочка не светится, давайте разберемся почему.

Если приложено напряжение к эмиттеру и коллектору, то при любой полярности источника питания один из переходов будет в прямом, а другой в обратном включении и поэтому ток течь не будет и лампочка не горит.

Из структурной схемы очень хорошо видно, что эмиттерный переход смещен в прямом направлении и открыт и ожидает прием свободных электронов. Коллекторный переход, наоборот, подсоединен в обратном направлении и мешает попадать электронам в базу. Между коллектором и базой образуется потенциальный барьер, который будет оказывать току большое сопротивление и лампа гореть не будет.

Добавим к нашей схеме всего одну перемычку, которой соединим эмиттер и базу, но лампочка все равно не горит.

Тут, в принципе, все понятно при замыкании базы и эмиттера перемычкой коллекторный переход превращается в диод, на который поступает обратное напряжение смещение.

Установим вместо перемычки сопротивление Rб номиналом 200 – 300 Ом, и еще один источник питания на 1,5 вольта. Минус его соединим через Rб с базой, а плюс с эмиттером. И свершилось чудо, лампочка засветилась.

Лампа засветилась потому, что мы подсоединили дополнительный источник питания между базой и эмиттером, и тем самым подали на эмиттерный переход прямое напряжение, что привело к его открытию и через него потек прямой ток, который отпирает коллекторный переход транзистора. Транзистор открывается и через него течет коллекторный ток Iк, во много раз превышающий ток эмиттер-база. И поэтому этому току лампочка засветилась.

Если же мы изменим полярность дополнительного источника питания и на базу подадим плюс, то эмиттерный переход закроется, а за ним и коллекторный. Через транзистор потечет обратный Iкбо и лампочка перестанет гореть.

Основная функция резистора Rб ограничивать ток в базовой цепи. Если на базу поступит все 1,5 вольта, то через переход пойдет слишком большой ток, в результате которого произойдет тепловой пробой перехода и транзистор может сгореть. Для германиевых транзисторов отпирающее напряжение должно быть около 0,2 вольта, а для кремниевых 0,7 вольта.

Обратимся к структурной схеме: При подаче дополнительного напряжения на базу открывается эмиттерный переход и свободные дырки из эмиттера взаимопоглощаются с электронами базы, создавая прямой базовый ток Iб.

Но не все дырки, попадая в базу, рекомбинируются с электронами. Так как, область базы достаточно узкая, поэтому лишь незначительная часть дырок поглощается электронами базы.

Основной объем дырок эмиттера проскакивает базу и попадает под более высокий уровень отрицательного напряжения в коллекторе, и вместе с дырками коллектора текут к его отрицательному выводу, где и взаимопоглощается электронами от основного источника питания GB. Сопротивление коллекторной цепи эмиттер-база-коллектор резко падает и в ней начинает течь прямой ток коллектора Iк во много раз превышающий ток базы Iб цепи эмиттер-база.

Чем выше уровень отпирающего напряжения на базе, тем выше количество дырок попадает из эмиттера в базу, тем выше значение тока в коллекторе. И, наоборот, чем ниже отпирающее напряжение на базе, тем ниже ток в коллекторной цепи.

В этих экспериментах начинающего радиолюбителя по принципам работы транзистора, он находится в одном из двух состояний: открыт или закрыт. Переключение его из одного состояния в другое осуществляется под действием отпирающего напряжения на базе Uб. Этот режим работы транзистора в электроники получил название ключевым. Он используют в приборах и устройствах автоматики.

В режиме усиления транзистор усилитель работает в схемах приемников и усилителях звуковой частоты (УЗЧ и УНЧ). При работе применяются малые токи в базовой цепи, управляющие большими токами в коллекторе.В этом заключается и отличие режима усиления от режима переключения, который лишь открывает или закрывает транзистор в зависимости от напряжения на базе

Транзистор это очень распространенный активный радиокомпонент, который попадается почти во всех схемах, и очень часто, особенно во время эксперементальных курсов по изучению азов электроники, он выходит из строя. Поэтому без навыка проверки транзисторов, вам в электронику лучше не соваться. Вот и давайте разбираться, как проверить транзистор.