- Co to jest tranzystor?
- Rodzaje tranzystorów
- Jak działa tranzystor bipolarny? Instrukcje dla manekinów
- Jak działa tranzystor polowy? Wyjaśnienie dla manekinów
- Film wyjaśniający zasadę tranzystora w prostym języku
Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Zasada półprzewodnikowego sterowania prądem elektrycznym była znana już na początku XX wieku. Pomimo faktu, że inżynierowie pracujący w dziedzinie elektroniki wiedzieli, jak działa tranzystor, kontynuowali projektowanie urządzeń opartych na lampach próżniowych. Przyczyną takiej nieufności wobec triod półprzewodnikowych była niedoskonałość tranzystorów pierwszego punktu. Rodzina tranzystorów germanu nie różniła się stabilnością charakterystyk i silnie zależała od reżimów temperaturowych.
Monolityczne krzemowe tranzystory stanowiły poważną konkurencję dla lamp elektronicznych dopiero pod koniec lat 50-tych. Od tego czasu przemysł elektroniczny zaczął się rozwijać, a kompaktowe triody półprzewodnikowe aktywnie wymuszały energochłonne lampy z urządzeń elektronicznych. Wraz z pojawieniem się układów scalonych, w których liczba tranzystorów może osiągnąć miliardy sztuk, elektronika półprzewodnikowa odniosła przekonujące zwycięstwo w walce o miniaturyzację urządzeń.
Co to jest tranzystor?
Współcześnie tranzystor nazywany jest półprzewodnikowym elementem radiowym przeznaczonym do zmiany parametrów prądu elektrycznego i sterowania. Zwykła trioda półprzewodnikowa ma trzy wyjścia: podstawę, do której wysyłane są sygnały sterujące, emiter i kolektor. Istnieją również tranzystory kompozytowe dużej mocy.
Wpływa na skalę rozmiarów urządzeń półprzewodnikowych - od kilku nanometrów (nieopakowanych elementów stosowanych w mikroprocesorach) do centymetrów średnicy potężnych tranzystorów przeznaczonych dla elektrowni i urządzeń przemysłowych. Odwrotne napięcia triod przemysłowych mogą osiągnąć do 1000 V.
Urządzenie
Strukturalnie trioda składa się z warstw półprzewodnikowych zamkniętych w obudowie. Półprzewodniki to materiały na bazie krzemu, germanu, arsenku galu i innych pierwiastków chemicznych. Obecnie prowadzone są badania przygotowujące niektóre rodzaje polimerów do roli materiałów półprzewodnikowych, a nawet nanorurek węglowych. Najwyraźniej w najbliższej przyszłości poznamy nowe właściwości tranzystorów polowych grafenowych.
Wcześniej kryształy półprzewodnikowe znajdowały się w metalowych obudowach w postaci czapek z trzema nogami. Ten projekt był typowy dla tranzystorów punktowych.
Obecnie konstrukcja większości płaskich, w tym krzemowych urządzeń półprzewodnikowych wykonanych na bazie domieszkowanej w niektórych częściach pojedynczego kryształu. Są prasowane w plastikowych, metalowo-szklanych lub metalowo-ceramicznych pudełkach. Niektóre z nich mają wystające metalowe płyty do rozpraszania ciepła, które są zamontowane na grzejnikach.
Elektrody nowoczesnych tranzystorów są rozmieszczone w jednym rzędzie. Takie ułożenie nóg jest wygodne do automatycznego montażu desek. Szpilki nie są oznaczone na obudowach. Rodzaj elektrody określa się za pomocą podręczników lub pomiarów.
Dla tranzystorów używaj półprzewodnikowych kryształów o różnych strukturach, takich jak pnp lub npn. Różnią się polaryzacją napięcia na elektrodach.
Schematycznie strukturę tranzystora można przedstawić jako dwie diody półprzewodnikowe oddzielone dodatkową warstwą. (Patrz rysunek 1). To obecność tej warstwy pozwala kontrolować przewodnictwo triody półprzewodnikowej.
Rysunek 1 pokazuje schematycznie strukturę triod bipolarnych. Istnieje również klasa tranzystorów polowych, które zostaną omówione poniżej.
Podstawowa zasada działania
W spoczynku pomiędzy kolektorem a emiterem bipolarnej triody prąd nie płynie. Prądowi elektrycznemu zapobiega rezystancja złącza emiterowego, która występuje w wyniku oddziaływania warstw. Aby włączyć tranzystor, należy zastosować niewielkie napięcie do jego podstawy.
Rysunek 2 przedstawia schemat wyjaśniający działanie triody.
Kontrolując prądy podstawowe, można włączać i wyłączać urządzenie. Jeśli sygnał analogowy zostanie zastosowany do bazy, zmieni amplitudę prądów wyjściowych. Jednocześnie sygnał wyjściowy dokładnie powtórzy częstotliwość oscylacji na elektrodzie podstawowej. Innymi słowy, nastąpi wzmocnienie przychodzącego sygnału elektrycznego.
Tak więc triody półprzewodnikowe mogą działać w trybie przełączników elektronicznych lub w trybie wzmacniania sygnałów wejściowych.
Działanie urządzenia w trybie klucza elektronicznego można zrozumieć na podstawie rysunku 3.
Oznaczenie na diagramach
Konwencjonalne oznaczenie: „VT” lub „Q”, po którym następuje indeks pozycyjny. Na przykład VT 3. We wcześniejszych schematach można znaleźć przestarzałą notację: „T”, „PP” lub „PT”. Tranzystor jest przedstawiony jako linie symboliczne wskazujące odpowiednie elektrody, zakreślone z nim lub bez niego. Kierunek prądu w emiterze jest wskazany strzałką.
Rysunek 4 przedstawia obwód VLF, w którym tranzystory są wyznaczane w nowy sposób, a Figura 5 przedstawia schematyczne reprezentacje różnych typów tranzystorów polowych.
Rodzaje tranzystorów
Zgodnie z zasadą działania i struktury wyróżnia się triody półprzewodnikowe:
- pole;
- dwubiegunowy;
- połączone.
Tranzystory te pełnią tę samą funkcję, ale istnieją różnice w zasadzie ich działania.
Pole
Ten typ triody nazywany jest również unipolarnym, ze względu na jego właściwości elektryczne - mają prąd tylko jednej biegunowości. Dzięki strukturze i typowi kontroli urządzenia te są podzielone na 3 typy:
- Tranzystory ze złączem sterowania pn (rys. 6).
- Z pojedynczą migawką (z wbudowanym lub indukowanym kanałem).
- MDP, o strukturze: metalowo-dielektryczny przewodnik.
Charakterystyczną cechą izolowanej bramy jest obecność dielektryka między nią a kanałem.
Części są bardzo wrażliwe na elektryczność statyczną.
Wzory triody polowej pokazano na rysunku 5.
Zwróć uwagę na nazwę elektrod: odpływ, źródło i brama.
Tranzystory polowe zużywają bardzo mało energii. Mogą pracować dłużej niż rok od małej baterii lub baterii. Dlatego są one szeroko stosowane w nowoczesnych urządzeniach elektronicznych, takich jak piloty, gadżety mobilne itp.
Dwubiegunowy
Wiele powiedziano o tym typie tranzystora w podrozdziale „Zasada działania podstawowego”. Zwracamy uwagę, że nazwa urządzenia „Bipolar” została otrzymana z powodu możliwości przekazywania opłat o przeciwnych znakach przez jeden kanał. Ich cechą jest niska rezystancja wyjściowa.
Tranzystory wzmacniają sygnały, pracują jako urządzenia przełączające. Obwód kolektora może obejmować dość silne obciążenie. Ze względu na duży prąd kolektora rezystancja obciążenia może zostać zmniejszona.
Bardziej szczegółowo na temat struktury i zasady działania, które rozważamy poniżej.
Połączone
Aby osiągnąć pewne parametry elektryczne dzięki zastosowaniu pojedynczego elementu dyskretnego, projektanci tranzystorów opracowują kombinowane projekty. Wśród nich są:
- tranzystory bipolarne z wbudowanymi rezystorami;
- kombinacje dwóch triod (tej samej lub różnych struktur) w tym samym pakiecie;
- diody lambda - połączenie dwóch triod polowych, tworzących wykres o ujemnej rezystancji;
- projekty, w których trioda polowa z izolowaną bramą steruje triodą bipolarną (używaną do sterowania silnikami elektrycznymi).
Połączone tranzystory - to w rzeczywistości elementarny układ scalony w jednym pakiecie.
Jak działa tranzystor bipolarny? Instrukcje dla manekinów
Praca tranzystorów bipolarnych opiera się na właściwościach półprzewodników i ich kombinacjach. Aby zrozumieć zasadę działania triod, zbadajmy zachowanie półprzewodników w obwodach elektrycznych.
Półprzewodniki.
Niektóre kryształy, takie jak krzem, german itp., Są dielektrykami. Ale mają jedną cechę - jeśli dodasz pewne zanieczyszczenia, stają się przewodnikami o specjalnych właściwościach.
Niektóre dodatki (donory) prowadzą do pojawienia się wolnych elektronów, podczas gdy inne (akceptory) tworzą „dziury”.
Jeśli na przykład krzem jest domieszkowany fosforem (donorem), to otrzymujemy półprzewodnik z nadmiarem elektronów (struktura n-Si). Po dodaniu boru (akceptor) domieszkowany krzem stanie się półprzewodnikiem z przewodnością otworu (p-Si), czyli dodatnio naładowane jony będą dominować w jego strukturze.
Jednostronne przewodnictwo.
Przeprowadźmy eksperyment mentalny: połącz dwa różne typy półprzewodników ze źródłem zasilania i dostarcz prąd do naszego projektu. Coś niespodziewanego się wydarzy. Jeśli podłączysz przewód ujemny do kryształu typu n, obwód zostanie zamknięty. Jednak gdy zmienimy biegunowość, w obwodzie nie będzie elektryczności. Dlaczego tak się dzieje?
W rezultacie kombinacja kryształów o różnych typach przewodności, między nimi, tworzy obszar ze złączem pn. Część elektronów (nośników ładunku) z kryształu typu n wpłynie do kryształu z przewodzeniem otworu i rekombinuje otwory w strefie kontaktu.
W rezultacie pojawiają się nieskompensowane ładunki: w regionie typu n, z jonów ujemnych, w regionie typu p, z dodatnich. Różnica potencjałów osiąga wartość od 0, 3 do 0, 6 V.
Związek między napięciem a stężeniem zanieczyszczeń można wyrazić za pomocą wzoru:
φ = V T * ln ( Nn * N p ) / n 2 i, gdzie
VT to wartość naprężenia termodynamicznego, Nn i Np są odpowiednio stężeniami elektronów i dziur, a n i oznacza własne stężenie.
Gdy plus jest podłączony do p-przewodnika, a minus do półprzewodnika typu n, ładunki elektryczne pokonają barierę, ponieważ ich ruch będzie skierowany przeciwko polu elektrycznemu wewnątrz złącza pn. W tym przypadku przejście jest otwarte. Ale jeśli bieguny zostaną zamienione, przejście zostanie zamknięte. Stąd wniosek: złącze pn tworzy jednostronną przewodność. Ta właściwość jest używana w konstrukcji diod.
Od diody do tranzystora.
Skomplikujmy eksperyment. Dodaj kolejną warstwę między dwoma półprzewodnikami o tych samych strukturach. Na przykład między płytkami krzemowymi typu p wstawiamy warstwę przewodności (n-Si). Nietrudno zgadnąć, co się stanie w strefach kontaktu. Analogicznie do procesu opisanego powyżej, powstają obszary ze złączami pn, które blokują ruch ładunków elektrycznych między emiterem a kolektorem, niezależnie od biegunowości prądu.
Najciekawsza rzecz nastąpi, gdy zastosujemy niewielkie napięcie do międzywarstwy (podstawy). W naszym przypadku podajemy prąd ze znakiem ujemnym. Podobnie jak w przypadku diody, powstaje obwód emiter-baza, przez który płynie prąd. W tym samym czasie warstwa zacznie się nasycać dziurami, co doprowadzi do przewodzenia dziur między emiterem a kolektorem.
Spójrz na rysunek 7. Pokazuje, że jony dodatnie wypełniły całą przestrzeń naszego konwencjonalnego projektu i teraz nic nie przeszkadza w przewodzeniu prądu. Uzyskaliśmy wizualny model tranzystora bipolarnego struktury pnp.
Gdy baza jest pozbawiona zasilania, tranzystor bardzo szybko osiąga swój pierwotny stan i złącze kolektora zamyka się.
Urządzenie może pracować w trybie wzmacniacza.
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazowego : I к = ß * I B, gdzie ß jest współczynnikiem wzmocnienia prądu, I B jest prądem bazowym.
Jeśli zmienisz wielkość prądu sterującego, wówczas zmieni się intensywność tworzenia się otworów w podstawie, co pociągnie za sobą proporcjonalną zmianę amplitudy napięcia wyjściowego, przy zachowaniu częstotliwości sygnału. Ta zasada służy do wzmacniania sygnałów.
Stosując słabe impulsy do bazy, uzyskujemy taką samą częstotliwość wzmocnienia na wyjściu, ale o znacznie większej amplitudzie (określonej przez napięcie przyłożone do łańcucha emitera kolektora).
Tranzystory Npn działają w podobny sposób. Zmienia się tylko biegunowość napięcia. Urządzenia o strukturze npn są bezpośrednio przewodzące. Odwrotna przewodność ma tranzystory typu pnp.
Pozostaje dodać, że kryształ półprzewodnikowy reaguje w podobny sposób jak widmo ultrafioletowe światła. Włączając i wyłączając przepływ fotonów lub regulując ich intensywność, można sterować działaniem triody lub zmieniać rezystancję rezystora półprzewodnikowego.
Obwód bipolarnego tranzystora
Inżynierowie obwodów wykorzystują następujące schematy połączeń: ze wspólną podstawą, wspólnymi elektrodami nadawczymi i włączaniem wspólnym kolektorem (rys. 8).
Dla wzmacniaczy o wspólnej charakterystyce bazy:
- niska rezystancja wejściowa, która nie przekracza 100 omów;
- dobre właściwości temperaturowe i parametry częstotliwościowe triody;
- wysoki dopuszczalny stres;
- wymaga dwóch różnych źródeł zasilania.
Schematy ze wspólnym emiterem mają:
- wysokie zyski prądu i napięcia;
- niski przyrost mocy;
- odwrócenie napięcia wyjściowego względem wejścia.
Przy takim połączeniu wystarcza jedno źródło zasilania.
Schemat połączenia „wspólny kolektor” zapewnia:
- duża wejściowa i niska rezystancja wyjściowa;
- niski współczynnik napięcia wzmocnienia (<1).
Jak działa tranzystor polowy? Wyjaśnienie dla manekinów
Struktura tranzystora polowego różni się od struktury bipolarnej tym, że prąd w nim nie przekracza stref złącza pn. Opłaty poruszają się w regulowanym obszarze zwanym migawką. Pojemność migawki jest regulowana napięciem.
Przestrzeń strefy pn zmniejsza się lub zwiększa pod wpływem pola elektrycznego (patrz Rys. 9). W związku z tym liczba wolnych nośników ładunków jest różna, od całkowitego zniszczenia do maksymalnego nasycenia. W wyniku takiego uderzenia w bramę regulowany jest prąd na elektrodach spustowych (styki napędzające prąd poddany obróbce). Prąd przychodzący płynie przez styki źródłowe.
Na podobnej zasadzie triody polowe działają ze zintegrowanym i indukowanym kanałem. Ich schematy widziałeś na rysunku 5.
Przełączanie obwodu tranzystora polowego
W praktyce używają schematów połączeń przez analogię z triodą bipolarną:
- ze wspólnym źródłem - daje duży wzrost prądu i mocy;
- wspólne obwody bramki zapewniające niską impedancję wejściową i niski zysk (ograniczone zastosowanie);
- ze wspólnym odpływem, działającym w taki sam sposób jak wspólny obwód emitera.
Rysunek 10 przedstawia różne schematy połączeń.
Praktycznie każdy obwód może pracować przy bardzo niskich napięciach wejściowych.