- Čo je to tranzistor?
- Druhy tranzistorov
- Ako funguje bipolárny tranzistor? Pokyny pre Dummies
- Ako funguje tranzistor fungujúci v teréne? Vysvetlenie pre Dummies
- Video vysvetľujúce princíp tranzistora v jednoduchom jazyku
Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!
Princíp riadenia polovodičového elektrického prúdu bol známy už na začiatku dvadsiateho storočia. Napriek tomu, že inžinieri pracujúci v oblasti elektroniky vedeli, ako funguje tranzistor, pokračovali v navrhovaní zariadení na báze vákuových trubíc. Dôvodom pre nedôveru k polovodičovým triodám bola nedokonalosť prvého bodového tranzistora. Rodina germániových tranzistorov sa nelíšila v stabilite charakteristík a silne závisela od teplotných režimov.
Monolitické kremíkové tranzistory spôsobili vážnu konkurenciu elektronickým lampám až na konci 50. rokov. Od tej doby sa elektronický priemysel začal rozvíjať a kompaktné polovodičové triody aktívne nútili energeticky náročné žiarovky z elektronických zariadení. S príchodom integrovaných obvodov, kde počet tranzistorov môže dosiahnuť miliardy kusov, polovodičová elektronika získala presvedčivé víťazstvo v zápase o miniaturizáciu zariadení.
Čo je to tranzistor?
V modernom zmysle sa tranzistor nazýva polovodičový rádiový prvok určený na zmenu parametrov elektrického prúdu a riadenia. Bežná polovodičová trioda má tri výstupy: základňu, na ktorú sa vysielajú riadiace signály, vysielač a kolektor. Existujú tiež vysoko výkonné kompozitné tranzistory.
Ovplyvňuje rozsah veľkostí polovodičových zariadení - od niekoľkých nanometrov (nebalené prvky používané v mikročipoch) až po centimetre v priemere výkonných tranzistorov určených pre elektrárne a priemyselné zariadenia. Reverzné napätie priemyselných triod môže dosiahnuť až 1000 V.
zariadenie
Štruktúrne sa trioda skladá z polovodičových vrstiev uzavretých v skrini. Polovodiče sú materiály na báze kremíka, germánia, arzenidu gália a iných chemických prvkov. V súčasnosti sa uskutočňujú štúdie, ktoré pripravujú určité typy polymérov na úlohu polovodičových materiálov a dokonca uhlíkových nanorúrok. Zdá sa, že v blízkej budúcnosti sa dozvieme o nových vlastnostiach grafénových tranzistorov s efektom poľa.
Predtým boli polovodičové kryštály umiestnené v kovových puzdrách vo forme čiapok s tromi nohami. Tento dizajn bol typický pre bodové tranzistory.
Dnes je výstavba väčšiny bytov, vrátane kremíkových polovodičových zariadení vyrobené na základe dopovaných v určitých častiach jedného kryštálu. Sú lisované do plastových, kovových alebo keramicko-keramických puzdier. Niektoré z nich majú vyčnievajúce kovové dosky na odvod tepla, ktoré sú namontované na radiátoroch.
Elektródy moderných tranzistorov sú usporiadané v jednom rade. Takéto usporiadanie nôh je vhodné pre automatickú montáž dosiek. Kolíky nie sú na krytoch označené. Typ elektródy je určený referenčnými knihami alebo meraním.
Pre tranzistory používajte polovodičové kryštály s rôznymi štruktúrami, ako napríklad pnp alebo npn. Líšia sa polaritou napätia na elektródach.
Schematicky môže byť štruktúra tranzistora reprezentovaná ako dve polovodičové diódy oddelené ďalšou vrstvou. (Pozri obrázok 1). Je to prítomnosť tejto vrstvy, ktorá vám umožňuje riadiť vodivosť polovodičovej triody.
Obrázok 1 schematicky znázorňuje štruktúru bipolárnych triod. Existuje tiež trieda tranzistorov s účinkom v teréne, o ktorých sa bude diskutovať nižšie.
Základný princíp činnosti
V pokoji medzi kolektorom a emitorom bipolárneho triodového prúdu prúdi. Elektrickému prúdu je zabránené odporom križovatky emitoru, ku ktorej dochádza v dôsledku interakcie vrstiev. Pre zapnutie tranzistora je potrebné použiť na jeho základňu mierne napätie.
Obrázok 2 ukazuje diagram, ktorý vysvetľuje, ako funguje triode.
Ovládaním základných prúdov môžete prístroj zapnúť a vypnúť. Ak je na základňu privedený analógový signál, zmení amplitúdu výstupných prúdov. Zároveň výstupný signál presne zopakuje frekvenciu oscilácie na základnej elektróde. Inými slovami, dôjde k zosilneniu prichádzajúceho elektrického signálu.
Teda polovodičové triody môžu pracovať v režime elektronických spínačov alebo v režime zosilnenia vstupných signálov.
Činnosť zariadenia v režime elektronického kľúča je možné pochopiť z obr.
Označenie na diagramoch
Konvenčné označenie: "VT" alebo "Q", za ktorým nasleduje pozičný index. Napríklad VT 3. V predchádzajúcich schémach môžete nájsť zastarané notácie: "T", "PP" alebo "PT". Tranzistor je znázornený ako symbolické čiary označujúce zodpovedajúce elektródy, zakrúžkované s ním alebo bez neho. Smer prúdu v žiariči je označený šípkou.
Obr. 4 znázorňuje VLF obvod, v ktorom sú tranzistory označené novým spôsobom, a obr. 5 znázorňuje schematické znázornenie rôznych typov tranzistorov s efektom poľa.
Druhy tranzistorov
Podľa princípu prevádzky a štruktúry sa rozlišujú polovodičové triody:
- poľa;
- bipolárne;
- kombinovať.
Tieto tranzistory vykonávajú rovnakú funkciu, ale existujú rozdiely v princípe ich fungovania.
poľa
Tento typ triody sa tiež nazýva unipolárny, pretože má svoje elektrické vlastnosti - majú prúd len jednej polarity. Podľa štruktúry a typu riadenia sú tieto zariadenia rozdelené do 3 typov:
- Tranzistory s riadiacim pn spojom (obr. 6).
- S izolovaným uzáverom (s vstavaným alebo s indukovaným kanálom).
- MDP, so štruktúrou: kov-dielektrický vodič.
Charakteristickým znakom izolovanej brány je prítomnosť dielektrika medzi ním a kanálom.
Diely sú veľmi citlivé na statickú elektrinu.
Modely triode poľa sú znázornené na obr.
Dbajte na názov elektród: odtok, zdroj a hradlo.
Tranzistory účinkujúce v teréne spotrebujú veľmi málo energie. Môžu pracovať viac ako rok od malej batérie alebo batérie. Preto sú široko používané v moderných elektronických zariadeniach, ako sú diaľkové ovládače, mobilné miniaplikácie atď.
bipolárne
O tomto type tranzistora sa veľa hovorí v podkapitole "Princíp základnej prevádzky". Všimli sme si len to, že názov „bipolárne“ zariadenie prijal kvôli schopnosti odovzdať obvinenia opačných značiek cez jeden kanál. Ich vlastnosťou je nízky výstupný odpor.
Tranzistory zosilňujú signály, pracujú ako spínacie zariadenia. Kolektorový okruh môže obsahovať pomerne silné zaťaženie. Vďaka veľkému prúdu kolektora je možné znížiť odpor zaťaženia.
Podrobnejšie o štruktúre a princípe prevádzky uvažujeme nižšie.
kombinovaný
Aby sa dosiahli určité elektrické parametre z použitia jediného diskrétneho prvku, konštruktéri tranzistorov vynájdú kombinované návrhy. Medzi nimi sú:
- bipolárne tranzistory so zabudovanými odpormi;
- kombinácie dvoch triod (rovnakej alebo odlišnej štruktúry) v tom istom balení;
- lambda diódy - kombinácia dvoch polôh poľa, tvoriacich graf s negatívnym odporom;
- konštrukcie, v ktorých triode s izolovanou bránou ovláda bipolárnu triodu (používanú na riadenie elektrických motorov).
Kombinované tranzistory - je v skutočnosti základným čipom v jednom balíku.
Ako funguje bipolárny tranzistor? Pokyny pre Dummies
Práca bipolárnych tranzistorov je založená na vlastnostiach polovodičov a ich kombináciách. Aby sme pochopili princíp pôsobenia triod, skúmajme správanie polovodičov v elektrických obvodoch.
Semiconductors.
Niektoré kryštály, ako napríklad kremík, germánium atď., Sú dielektriká. Ale majú jednu vlastnosť - ak pridáte určité nečistoty, stanú sa vodičmi so špeciálnymi vlastnosťami.
Niektoré prísady (donory) vedú k vzniku voľných elektrónov, zatiaľ čo iné (akceptory) tvoria „diery“.
Ak je napríklad kremík dopovaný fosforom (donorom), potom získame polovodič s prebytkom elektrónov (štruktúra n-Si). Keď sa pridá bór (akceptor), dopovaný kremík sa stane polovodičom s vodivosťou dier (p-Si), to znamená, že jeho štruktúra bude dominovať kladne nabitými iónmi.
Jednostranná vodivosť.
Vykonajme mentálny experiment: pripojte dva rôzne typy polovodičov so zdrojom energie a dodávame prúd do nášho dizajnu. Nastane niečo neočakávané. Ak pripojíte záporný vodič s kryštálom typu n, okruh sa uzavrie. Keď však zmeníme polaritu, v okruhu nebude žiadna elektrina. Prečo sa to deje?
Výsledkom je, že kombinácia kryštálov s rôznymi typmi vodivosti medzi nimi tvorí oblasť s pn križovatkou. Časť elektrónov (nosiče náboja) z kryštálu n-typu bude prúdiť do kryštálu s vedením dier a rekombináciou dier v kontaktnej zóne.
V dôsledku toho sa objavia nekompenzované náboje: v oblasti n-typu, z negatívnych iónov av oblasti p-typu z pozitívnych. Rozdiel potenciálu dosahuje hodnotu 0, 3 až 0, 6 V.
Vzťah medzi koncentráciou napätia a nečistôt môže byť vyjadrený vzorcom:
φ = V T * ln (Nn * Np) / n2i, kde
VT je hodnota termodynamického napätia, Nn a Np sú koncentrácia elektrónov a otvorov, a n i označuje vlastnú koncentráciu.
Keď je plus pripojený k p-vodiču a mínus k polovodiču n-typu, elektrické náboje prekonajú bariéru, pretože ich pohyb bude nasmerovaný proti elektrickému poľu vnútri križovatky pn. V tomto prípade je prechod otvorený. Ak sú však póly zamenené, prechod bude uzavretý. Preto záver: pn križovatka tvorí jednostrannú vodivosť. Táto vlastnosť sa používa pri stavbe diód.
Od diódy k tranzistoru.
Komplikujme experiment. Pridajte ďalšiu vrstvu medzi dva polovodiče s rovnakými štruktúrami. Napríklad medzi kremíkové dosky typu p vkladáme vodivú vrstvu (n-Si). Nie je ťažké uhádnuť, čo sa stane v kontaktných zónach. Analogicky s vyššie opísaným postupom sa vytvoria oblasti s pn spojmi, ktoré blokujú pohyb elektrických nábojov medzi vysielačom a kolektorom, bez ohľadu na polaritu prúdu.
Najzaujímavejšie sa stane, keď na medzivrstvu (základňa) aplikujeme mierne napätie. V našom prípade dávame prúd so záporným znamienkom. Rovnako ako v prípade diódy je vytvorený obvod emitorovej bázy, cez ktorý prúdi prúd. Vrstva sa zároveň začne saturovať otvormi, čo povedie k vodivosti dier medzi vysielačom a kolektorom.
Pozrite sa na obrázok 7. Ukazuje, že pozitívne ióny naplnili celý priestor našej konvenčnej konštrukcie a teraz nič nezasahuje do vedenia prúdu. Získali sme vizuálny model bipolárneho tranzistora štruktúry pnp.
Keď je základňa odpojená od napätia, tranzistor sa veľmi rýchlo dostane do pôvodného stavu a uzol zberača sa zatvára.
Zariadenie môže pracovať v režime zosilňovača.
Kolektorový prúd je priamo úmerný základnému prúdu : I к = ß * I B, kde ß je faktor zosilnenia prúdu, I B je základný prúd.
Ak zmeníte veľkosť riadiaceho prúdu, intenzita vytvárania dier v základni sa zmení, čo bude znamenať proporcionálnu zmenu amplitúdy výstupného napätia pri zachovaní frekvencie signálu. Tento princíp sa používa na zosilnenie signálov.
Ak použijeme slabé impulzy na základňu, dostaneme rovnakú výstupnú frekvenciu na výstupe, ale s oveľa väčšou amplitúdou (danou napätím aplikovaným na reťazec zberača kolektorov).
Npn tranzistory pracujú podobným spôsobom. Zmení sa len polarita napätia. Zariadenia s npn štruktúrou sú priamo vodivé. Reverzná vodivosť má tranzistory typu pnp.
Zostáva dodať, že polovodičový kryštál reaguje podobným spôsobom ako ultrafialové spektrum svetla. Zapnutím a vypnutím toku fotónov, alebo nastavením jeho intenzity, môžete ovládať činnosť triady alebo meniť odpor polovodičového odporu.
Bipolárny tranzistorový obvod
Obvodní inžinieri používajú nasledujúce schémy zapojenia: so spoločnou základňou, spoločnými emitorovými elektródami a zapínaním pomocou spoločného kolektora (Obr. 8).
Pre zosilňovače so spoločnou základnou charakteristikou:
- nízky vstupný odpor, ktorý nepresahuje 100 ohmov;
- dobré teplotné vlastnosti a frekvenčné parametre triody;
- vysoké prípustné napätie;
- vyžaduje dva rôzne zdroje energie.
Schémy so spoločným emitorom majú:
- vysoké prúdové a napäťové zisky;
- nízky príkon;
- inverziu výstupného napätia vzhľadom na vstup.
S týmto prepojením postačuje jeden zdroj napájania.
Schéma „spoločného zberača“ poskytuje:
- veľký vstup a nízky výstupný odpor;
- pomer nízkeho zosilnenia (<1).
Ako funguje tranzistor fungujúci v teréne? Vysvetlenie pre Dummies
Štruktúra tranzistora s účinkom poľa sa líši od bipolárnej v tom, že prúd v ňom neprekračuje zóny spojenia pn. Poplatky sa pohybujú v regulovanej oblasti nazývanej uzávierka. Kapacita clony je regulovaná napätím.
Priestor zóny pn sa znižuje alebo zvyšuje pôsobením elektrického poľa (pozri obr. 9). V dôsledku toho sa počet nosičov bezplatného náboja mení, od úplného zničenia až po maximálne nasýtenie. V dôsledku takéhoto vplyvu na hradlo je regulovaný prúd na odtokových elektródach (kontakty, ktoré poháňajú upravený prúd). Prichádzajúci prúd preteká cez zdrojové kontakty.
Na podobnom princípe pracujú triody s integrovaným a indukovaným kanálom. Ich schémy, ktoré ste videli na obrázku 5.
Zapínanie obvodov tranzistora s efektom poľa
V praxi používajú diagramy pripojenia analogicky s bipolárnou triode:
- so spoločným zdrojom - dáva veľký nárast prúdu a výkonu;
- spoločné hradlové obvody zabezpečujúce nízku vstupnú impedanciu a nízky zisk (obmedzené použitie);
- so spoločným odtokom pracujúcim rovnakým spôsobom ako spoločný obvod vysielača.
Obrázok 10 zobrazuje rôzne schémy zapojenia.
Prakticky každý okruh je schopný pracovať pri veľmi nízkych vstupných napätiach.