Транзистор для чего: Эта страница ещё не существует

Содержание

Применение биполярных транзисторов с микроконтроллерами / Хабр

В современном цифровом мире микроконтроллерам часто требуется выполнять какие-то действия в физическом мире людей с помощью различных механических, оптических, акустических и других внешних устройств. Транзисторы призваны согласовать микроконтроллер с исполнительными устройствами. В статье рассмотрим применение биполярных транзисторов в ключевых режимах.

Биполярный транзистор является по сути токовым прибором, током управляется и током управляет. По типу проводимости биполярные транзисторы бывают pnp и npn типа.

Наиболее часто используется схема включения с общим эмиттером. В этой схеме управление подается на базу через токоограничивающий резистор относительно эмиттера. Нагрузка подключается в цепь коллектора.

Схема управления светодиодом с рабочим током 50 мА

Светодиодом с рабочим током 50 мА нельзя управлять непосредственно от микроконтроллера, так как допустимый выходной ток с ножки обычно ограничен значением 10 мА – 20 мА.

Например, нам нужно включать/выключать инфракрасный светодиод BL-L513IRBC которым мы планируем управлять кондиционером.

Рисунок 1. Управление светодиодом через эмиттерный повторитель

Резистор R1 задает ток базы транзистора при включении и при выключении. Транзистор BC847C довольно маломощный и при токе 50 мА на коллекторе в режиме насыщения будет падать около 200 мВ. Падение на светодиоде составит 2.0 В. Резистор R2 нужно выбрать таким, чтобы ток через светодиод был равен 50 мА. При питании 12 В, и суммарном падении напряжения на транзисторе и светодиоде 2.2 В на резисторе будет напряжение 9.8 В. Чтобы получить ток 50 мА сопротивление резистора R2 должно быть 196 Ом.

Если взять более мощный транзистор, например, BC817-25, то напряжение насыщения коллектора у него будет меньше, около 40 мВ при токе коллектора 50 мА, но у более мощных транзисторов, как правило, меньше коэффициент усиления.

При питании коллекторной цепи от 12 В мы можем соединить несколько светодиодов последовательно и управлять ими одновременно (например, чтобы увеличить дальность работы нашего пульта управления) соответственным образом пересчитав токоограничивающий резистор R2.

Как выбрать резистор в базе транзистора? Транзистор BC847C имеет коэффициент передачи по току hFE = 400 – 800. В линейном режиме это будет означать что ток базы (управляющий ток) во столько раз меньше тока коллектора (управляемый ток). Так как схема у нас работает в ключевом режиме, то ток базы необходимо установить больше. Чем больше ток базы, тем быстрей транзистор включится. Коэффициент во сколько раз ток базы превышает минимальный называется коэффициентом насыщения. Минимальный ток базы (с коэффициентом насыщения единица) который полностью откроет транзистор будет 50 мА / 400 = 0.125 мА. Так как характеристики транзистора меняются со временем, при изменении температуры, при изменении тока коллектора, от партии к партии, у разных производителей, правильным решением будет задавать коэффициент насыщения больше единицы, иначе может возникнуть ситуация при которой транзистор будет открываться не полностью и схема будет работать при этом не верно. Верхнее значение тока базы ограничено либо максимальным током базы по документации на транзистор, либо максимально допустимым током который может выдать выход микроконтроллера. Пусть максимальный ток базы у нас будет 10 мА.

Рассчитаем базовый резистор для схемы на рисунке 1. Напряжение на базе при насыщении принято считать 0.7 В. При питании микроконтроллера 3.3 В на базовом резисторе будет напряжение 2.6 В. Минимальный базовый ток 0.125 мА будет обеспечен сопротивлением 20800 Ом. Максимальный базовый ток 10 мА будет обеспечен сопротивлением 260 Ом. В данном случае у нас довольно широкий диапазон выбора сопротивления, можем взять 1 кОм.

Рассмотрим схему с другой нагрузкой

Рисунок 2. Управление мощной нагрузкой

Нам нужно включать мотор с рабочим током 0.7 А. Для включения нам потребуется более мощный транзистор. Возьмем транзистор SS8050 с максимально допустимым током коллектора 1.5 А. У этого транзистора минимальный коэффициент передачи тока 120. При токе коллектора 0.7 А, нам необходимо обеспечить минимальный ток базы 5.8 мА. С учетом того что необходимо реализовать коэффициент насыщения больше единицы, у нас остается рабочий вариант для тока базы 10 мА. При заданном токе коллектора 0.7 А напряжение насыщения базы этого транзистора составит около 1.2 В (по документации на транзистор). Напряжение на базовом резисторе получится 2.1 В, Минимальное сопротивление базового резистора получается 2.1 В / 0.010 А = 210 Ом. Максимальное сопротивление базового резистора получается 2.1 В / 0.0058 А = 360 Ом. Если мы поставим базовый резистор больше 360 Ом, транзистор заведомо не будет открываться полностью и не обеспечит ток на выходе в 0.7 А.

При токе коллектора 0.7 А напряжение насыщения коллектора составит около 0.2 В. Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора составит около 0.14 Вт, транзистор при этом будет заметно теплым.

Дополнительно отмечу, что электродвигатель постоянного тока является индуктивной нагрузкой и параллельно ему обязательно нужно ставить защитный диод который защитит транзистор от ЭДС самоиндукции при выключении транзистора. Номинальный ток этого диода должен быть равен или больше рабочего тока индуктивной нагрузки. Рабочее напряжение диода должно быть больше напряжения питания нагрузки.

Нужно указать на важный момент. Чем больше ток базы, тем быстрей включится транзистор, тем больше коэффициент насыщения. Чем больше коэффициент насыщения, там медленней транзистор будет выключаться. Задержка выключения может достигать нескольких сотен наносекунд. На первый взгляд эта величина кажется слишком маленькой чтобы обращать на нее внимание. Фактически, если вы станете управлять током через нагрузку с помощью ШИМ, или постараетесь увеличить скорость передачи данных через инфракрасный канал, вы увидите что задержка выключения транзистора будет очень сильно искажать сигнал.

Например, возьмем ШИМ частотой 20 кГц с разрешением 8 бит. Период ШИМ-а будет 50 микросекунд, разрешение одного шага составит около 200 наносекунд. Задержка выключения транзистора на 400 наносекунд поглотит разрешение двух младших бит и оставит от разрешения 8 бит всего 6 бит динамического диапазона.

Для увеличения скорости выключения транзистора есть способы которые мы рассмотрим позже.

Рассмотрим еще одну схему, которая обладает рядом интересных свойств

Рисунок 3. Схема стабилизации тока

Эта схема также с общим эмиттером. В ней отсутствует резистор в цепи базы, и ток базы задается сопротивлением резистора в цепи эмиттера. Через этот резистор течет ток базы и ток коллектора (ток управления и ток нагрузки). Получается отрицательная обратная связь: при увеличении тока нагрузки, будет увеличиваться ток через эмиттерный резистор и при этом будет увеличиваться падение напряжения на эмиттерном резисторе. Так как напряжение на базе у нас фиксированное, 3.3 В, то при увеличении напряжения на эмиттерном резисторе напряжение на эмиттерном переходе транзистора будет уменьшаться, при этом будет уменьшаться ток базы и транзистор будет закрываться. Таким образом, будет стабилизироваться эмиттерный ток транзистора. Так как базовый ток в коэффициент усиления раз меньше коллекторного, то его влияние на напряжение эмиттерного резистора незначительное и, при первом приближении, его можно не учитывать при расчете и считать что ток эмиттера приблизительно равен току коллектора .

Сопротивление эмиттерного резистора рассчитать довольно просто. При управляющем напряжении 3.3 В, и падении на эмиттерном переходе 0.7 В напряжение на эмиттерном резисторе получается 2.6 В. При целевом токе в нагрузке 50 мА, сопротивление эмиттерного резистора должно быть около 52 Ом.

Эта схема позволяет стабилизировать ток нагрузки, то есть, при изменении напряжения питания нагрузки (или при изменении сопротивления нагрузки) ток через нагрузку останется постоянным. Мы можем поставить один светодиод, два или три при этом эмиттерный резистор менять не придется и ток через светодиоды будет один и тот же. При этом нужно отметить, что в этой схеме избыточное напряжение падает на транзисторе и нужно учитывать мощность рассеиваемую на транзисторе.

Транзистор в этой схеме работает в линейном режиме и не входит в насыщение. Это позволяет транзистору быстро открываться и быстро закрываться.

В этой схеме только один резистор вместо двух, что так же может иметь важное значение в практическом применении.

Важно чтобы напряжение управления базы было стабильным, так как оно является опорным для стабилизации тока.

Для питания коллекторной цепи этой схемы требуется напряжение большее чем напряжение управляющего сигнала.

Способы сократить время выключения транзистора

Если у нас стоит базовый резистор и мы управляем транзистором от вывода микроконтроллера с питанием 3.3 В, то получается что мы включаем транзистор током с 3.3 В , а выключаем транзистор током через тот же резистор, но током с напряжения 0.7 В, то есть ток базы на выключение транзистора получится меньше.

Рисунок 4. Время выключения транзистора 1200 нсек

Это одна из причин почему выключается транзистор медленней. Для увеличения скорости выключения транзистора мы можем применить такую схему.

Рисунок 5. Время выключения транзистора 400 нсек

В схеме на рисунке 5, при выключении, когда выходной сигнал с микроконтроллера становится равным 0 В, получается что оба резистора 300 Ом и 200 Ом соединяются параллельно и суммарное сопротивление становится меньше, что приводит к увеличению тока базы транзистора при выключении. Это увеличивает скорость выключения транзистора.

Еще один способ увеличить скорость выключения транзистора, это сократить глубину насыщения транзистора при включении. Диод подключенный от базы на коллектор уменьшит глубину насыщения. Вначале включения на коллекторе высокое напряжение, диод закрыт и весь ток базового резистора течет через эмиттерный переход транзистора. Когда напряжение на коллекторе станет ниже напряжения базы, этот диод начнет шунтировать эмиттерный переход и часть тока базового резистора потечет через диод при этом ток через эмиттерный переход уменьшится и это сократит глубину насыщения транзистора.

Рисунок 6. Задержка выключения транзистора составляет около 20 нсек

Каскад увеличения выходного тока на биполярных транзисторах.

Эта схема позволяет увеличить ток на выходе. Это полумостовая схема. В ней используется два транзистора различной проводимости, комплементарная пара транзисторов. Оба транзистора, и верхний и нижний, в этой схеме включены по схеме с общим коллектором. Включение с общим коллектором обладает такой особенностью, что выходное напряжение не может быть больше входного напряжения, при этом происходит усиление тока.

Рисунок 7. Схема увеличения выходного тока

При построении полумоста на полевых транзисторах нужно особым образом проектировать схему управления, и если оба транзистора управлять от одного сигнала, то в момент переключения будет течь сквозной ток с питания на землю, так как один транзистор уже включился, а другой еще не успел выключиться.

Сквозной ток плох тем, что он будет увеличивать потребление, сквозной ток будет создавать мощную помеху и может вывести транзисторы из строя. Для устранения этого для управления полумостом полевых транзисторов используют два сигнала, на один транзистор подается сигнал отключения, затем пауза на время отключения транзистора (мертвое время, deadtime), затем подается сигнал на включение второго транзистора. Такой способ заметно усложняет схему управления и требует два различных сигнала управления. Полумостовая схема на биполярных транзисторах включенных с общим эмиттером тоже требует мертвое время при переключении для исключения сквозного тока.

Схема изображенная на рисунке 7 с биполярными транзисторами включенными по схеме с общим коллектором лишена такого недостатка, и полумост может управляться одним сигналом. То есть сквозной ток через оба транзистора при переключении в схеме на рисунке 7 отсутствует.

Дополнительным достоинством этой схемы, является отсутствие резисторов.

Так же, транзисторы в этой схеме работают без насыщения, то есть максимально быстро включаются и отключаются, что позволяет применять эту схему как усилитель ШИМ.

Недостатком этой схемы является падение на транзисторах. На примере нижнего транзистора. Когда мы переводим сигнал управления на базе с 3.3 В на 0 В, нижний транзистор начинает включаться. При этом напряжение на эмиттере транзистора не может стать равным нулю, так как в этом случае через эмиттерный переход будет отсутствовать ток открывающий транзистор. Таким образом минимальное напряжение на выходе этого каскада составит около 0.7 В. Аналогичная ситуация и с верхним транзистором, максимальное напряжение на выходе каскада не может быть больше чем напряжение питания минус 0.7 В.

Как можно использовать каскад усиления тока

Если взять два таких полумоста с питанием равным напряжению питания микроконтроллера, сделать сигнал ШИМ и его инверсию (либо отдельным инвертором, либо конфигурацией выходов в микроконтроллере) и подать каждый сигнал на свой полумост, то получится довольно мощный усилитель, например для генерации звука.

Рисунок 8

При питании усилителя от 3.3 В Размах напряжения на выходе составит 3.3 В — 2 * 0.7 В = 1.9 В. При использовании динамической головки сопротивлением 4 Ом ток через нее составит около 0.4 А и максимальная мощность на нагрузке получится чуть больше половины Ватта. Что довольно таки хорошо для такого простейшего усилителя ШИМ. Питание этой схемы усилителя нужно качественно фильтровать, так как любое изменение напряжения питания будет отражаться на изменении тока через нагрузку.

При применении микроконтроллера с питанием 5 В так же можно увеличить напряжение питания усилителя до 5 В, при этом выходная мощность на нагрузке сопротивлением 4 Ом получится около 3 Вт. При этом нужно взять транзисторы с большим допустимым током коллектора, например комплементарную пару SS8550 (pnp) и SS8050 (npn), они допускают ток коллектора до 1.5 А, транзисторы придется дополнительно охлаждать.

Эту же схему можно использовать для управления коллекторными моторами с применением ШИМ. Схема позволяет менять направление вращения электромотора. При использовании более высокого напряжения питания этого усилителя тока требуется также увеличить напряжение управляющего сигнала.

Рисунок 9. Мост управления коллекторным двигателем

Для приведения уровня управляющего сигнала с 3.3 В до 15 В применен транзистор.

В этой схеме для управления каждым полумостом используется логическая микросхема 4069 (CD4069UB). В этой микросхеме шесть логических инверторов, питание микросхемы может осуществляться от 3 В до 18 В. Для управления мостом необходимо подать питание на эту микросхему от того же напряжения питания что и мост. Эта же микросхема используется для формирования инверсного сигнала для второго полумоста. Для того чтобы на нагрузку можно было подать максимальное напряжение 12 В с учетом падения на транзисторах, увеличено напряжение питания моста до 15 В. В этой схеме реализован режим управления током нагрузки fast decay. Для реализации режима slow decay потребуется отдельное управление для каждого полумоста.

Для упрощения понимания в статье рассматриваются только основные параметры, и характеристики реальных каскадов будут несколько отличаться. Все схемы приведенные в статье промоделированы в LTspice

Раз вы дочитали до этого момента – значит статья вас заинтересовала. Поддержите автора донатом!

https://donate.stream/ya4100117341489066

Области применения транзисторов – изобретение транзистора

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Существует два основных типа транзисторов: биполярные, и полевые. В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом  (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов различаются по областям применения. биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

Транзисторы можно применять не только в схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала.

Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

 Основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

По виду выполняемой функции (целевому назначению) транзисторы можно разделить на усилительные, переключательные и генераторные.

Общими для расчетов усилителей на транзисторах (постоянного тока, низкой частоты, промежуточной частоты, высокой частоты и др.) являются входное и вы­ходное сопротивления каскада, соотношения, определяющие усиление, частотные свойства, режимы работы, температурная стабильность и прочие показатели.

В соответствии с назначением различают каскады предварительного усиления (напряжения, тока или мощности), предназначенные для получения максимального усиления (обычно по резисториой или трансформаторной схемам), и каскады усиле­ния мощности, обеспечивающие на заданной нагрузке необходимую (выходную) мощность при минимальных искажениях и мощности потребления от источника пи­тания.

В усилителях, имеющих хорошую температурную и режимную стабилизацию, замена транзистора на однотипный с более высоким значением h3is обычно не при­водит к значительному увеличению тока коллектора в рабочей точке.

Транзисторы некоторых типов используются в специфических классах схем и характеризуются рядом особенностей режима и условий работы. Эти специализи­рованные транзисторы образуют своеобразный класс приборов, например, транзисто­ры для схем с автоматической регулировкой усиления (АРУ), для усилителей про­межуточной частоты, для работы в микроампериом диапазоне токов, для работы в ВЧ- и СВЧ-диапазонах, лавинные транзисторы, сдвоенные, составные, двухэмиттер- Эые и т. п. Есть узлы, в которых требуются высоковольтные транзисторы. Оптимальное сочетание параметров и характеристик, удовлетворяющих различным требованиям, дает воз­можность использовать их в радиоэлектронной аппаратуре вместо некоторых уси­лительных и переключательных транзисторов (например, транзистор КТ630).

Для схем с АРУ разработаны специальные транзисторы (германиевые и крем­ниевые), обладающие регулируемым усилением при увеличении рабочего тока (пря­мая АРУ). Уменьшение усиления таких транзисторов на высокой частоте происходит вследствие снижения frp при увеличении тока эмиттера и уменьшения напряжения на коллекторе (например, КТ3128, ГТ328). В связи с этим наблюдается сильная зависимость Кур от тока. Обычно транзисторы имеют меньшую зависимость коэф­фициента усиления от электрического режима. Для зарубежных транзисторов, пред­назначенных для АРУ, часто указывается глубина регулировки усиления (отноше­ние максимального коэффициента усиления к минимальному).

Жесткие требования к экономичности радиоэлектронной аппаратуры в ряде специальных применений способствовали созданию кремниевых транзисторов, функ­ционирующих при малых токах (единицы и десятки микроампер)’, поскольку гер­маниевые транзисторы вследствие большого обратного тока коллектора для этой цели непригодны. Такие приборы (например, транзисторы КТ3102, КТ3107) имеют малые токи 1кБО и большие коэффициенты усиления.

Однако при работе в микро­режиме у них ухудшаются частотные свойства, но несколько улучшаются шумо­вые характеристики. Кроме того, при малых токах обычно увеличивается зависи­мость параметров от температуры, снижается крутизна и затрудняется стабили­зация режима.

Реализация большого коэффициента усиления по мощности в высокочастот­ных усилителях связана с уменьшением паразитной обратной связи, обусловленной проходной проводимостью транзистора Yi2. Разработаны транзисторы (напри­мер, КТ339АМ), у которых для снижения емкости обратной связи в транзисторную структуру введен интегральный экран (электростатический экран Фарадея), пред­ставляющий собой сочетание диффузионного экрана и дополнительного экранирую­щего диода. Применение интегрального экрана позволяет снизить емкость между коллекторным и базовым выводами в 2,5…4 раза (емкость С120 снижается до зна­чения ие более 0,3 пФ) и обеспечить большой коэффициент усиления Кур без при­менения схем нейтрализации.

Лавинные транзисторы предназначены для работы в режиме электрического пробоя коллекторного перехода.

В зависимости от схемы включения они могут иметь управляемые S-образные (со стороны коллектора или эмиттера) и N-образ- ные (со стороны базы) вольт-амперные характеристики. Использование обычных транзисторов в этом режиме принципиально возможно и встречается на практике, но при этом не обеспечиваются необходимые быстродействие, амплитуда импуль­сов, стабильность и надежность. Например, одной из причин, снижающих эффек­тивность применения обычных высокочастотных транзисторов в лавинном ре­жиме, является значительное снижение частоты frp при увеличении коллекторного тока.

 Лавинные транзи­сторы применяются в релаксационных генераторах в ждущем или автоколеба­тельном режиме.

Следует также отметить транзисторы, предназначенные для использования в инверсном включении (например, зарубежные транзисторы 2N2432, 2N2944 — 2N2946, 2N4138), которые имеют малое остаточное напряжение (менее 1 мВ) и применяются в модуляторах для стабильных усилителей постоянного тока, по­строенных по схеме модуляции — демодуляции, в схемах управления реверсивными двигателями, в логических схемах, амплитудных детекторах и других схемах. В некоторых схемах, например автомобильного зажигания и строчной развертки телевизоров, при запирании транзистор может переходить в режим инверсного включения при работе на комплексную нагрузку.

Разработаны специальные модуляторные транзисторы, в основу которых по­ложены две транзисторные структуры. Это так называемые двухэмиттерные тран­зисторы, имеющие лучшие параметры инверсного включения (например, зарубеж­ные транзисторы 3N74—3N79, 3N108 — 3N111). У отечественного транзистора КТ118 остаточное напряжение менее 0,2 мВ.

Для работы в выходных каскадах усилителя низких частот радиовещательных приемников, высококачественных магнитофонов, радио, телевизоров разработаны германиевые и кремниевые транзисторы разного типа проводимости. Они характеризуются слабой зависимостью коэффициента усиления от тока, высокой частотой fЬ21э, низким напряжением Ukb нас, что позволяет улучшить акустические показатели устройств в широком диапазоне звуковых частот. В свою очередь, это дает возможность упрощать схемы усилителей, уменьшать число применяемых транзисторов, повышать надежность и снижать себестоимость устройств.

Зависимость коэффициента передачи h3ia от тока характеризуется коэффициентом линейности — отношением коэффициентов передачи при двух значениях тока эмиттера. 

Что такое транзисторы и как они работают

Рубрика: Статьи про радиодетали Опубликовано 09.06.2020   ·   Комментарии: 0   ·   На чтение: 7 мин   ·   Просмотры:

Post Views: 480

Транзисторы – это основа всей цифровой электроники 21 века. Они выполняют самые разнообразные функции. Это правопреемники и наследники радиоламп, так называемых вакуумных триодов. В этой статье мы на простом примере рассмотрим концепцию, принцип работы и применение транзисторов в электронике.

Концепция транзисторов

Что такое концепция? Это общее представление об объекте или процессе. Например, концепция автомобиля – это четыре колеса, руль, корпус, двигатель и коробка передач. Концепция одна, а выпускаются автомобили с разной конструкцией, устройством и предназначением.

У транзисторов, как и у вакуумных триодов, очень простая концепция и принцип работы.

Триод – это та деталь, у которой три контакта.

Давайте представим бак с водой, в центре которого установлена задвижка.

Что мы можем сделать с потоком воды? Мы можем управлять им за счет задвижки.

Например, если в баке течет вода, и задвижки нет в нем, то вода проходит без препятствия.

В тоже время, если мы полностью перекроем путь задвижкой, то и вода не будет поступать во вторую условную часть бака и поток прекратится.

А еще мы можем полностью управлять потоком воды при помощи регулировки задвижки.

Получается, что при помощи небольшой задвижки можно контролировать огромный поток воды.
Небольшие колебания (перемещения) задвижки позволяют с такой же частотой пропускать большой поток воды.

И именно в этом суть транзисторов и вакуумных триодов. С их помощью можно управлять электрическим током больших значений применяя небольшие усилия.

Но в тоже время транзисторы могут быть по разному устроены.

Полевые транзисторы

Описанный выше пример – это полевой транзистор. У самого простого полевого транзистора есть сток, исток и затвор.

Транзисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов. Поэтому, у них есть второе название — полупроводниковые триоды.

При помощи полупроводников можно изготовить p-n переход.

Любой транзистор состоит из p-n переходов, которые пропускают электрический ток в одном направлении. И этот переход позволят управлять электрическим током как задвижкой.

Полевые транзисторы управляются при помощи напряжения, которое подается на затвор.

Так выглядит состав полевого транзистора с каналом p – типа.

А вот так с n – типом.

Канал транзистора – это область между истоком и стоком.

Почему транзисторы бывают разными по проводимости? Транзистор с n типом управляется при помощи положительного потенциала, а с p типом наоборот, отрицательным потенциалом. Это позволяет усиливать сигналы с разными потенциалами.

Затворов у полевых транзисторов на самом деле два, но их выводы объединены в один, так как функция у них одинакова. Зачем нужно два затвора? Так транзистором проще управлять.

Подавая напряжение на затвор, мы можем регулировать электрический ток проходящий от истока к стоку.

А самое главное не это. Самое главное, что мы можем таким образом не просто включить или выключить электрический ток по цепи, но и управлять его движением.

Например, можно подать на затвор полевого транзистора переменный сигнал 5 мкВ. И он будет модулировать электрический ток, который проходит через исток и сток транзистора. Так можно получить усиленный сигнал.

Также полевые транзисторы имеют разные схемы включения, которые позволяют согласовывать сопротивления и регулировать усилительные функции.

Обозначение (УГО) полевого транзистора с каналом n типа на принципиальных схемах:

Биполярные транзисторы

Это другой тип транзисторов. Такие транзисторы управляются при помощи электрического тока. И они состоят из чередующихся p-n переходов.

Как и у полевого транзистора, у биполярного тоже три контакта. Это эмиттер, база и коллектор. База всегда по типу противоположна эмиттеру и коллектору.

А также размеры базы транзистора намного меньше, чем у коллектора или эмиттера. База только открывает транзистор. И так как через нее протекает ток, она не должна быть большой, чтобы на нее не тратилось много энергии.

Эмиттер — это большой источник основных носителей заряда. А коллектор — это самый большой контакт из этой троицы. С коллектора снимается усиленный сигнал в классической схеме, чтобы получить максимальную мощность. В транзисторах большой мощности коллектор припаян напрямую к корпусу, чтобы рассеивать тепло.

Бывают биполярные транзисторы n-p-n типа.

и p-n-p типа.

Обозначение (УГО) биполярного n-p-n транзистора на принципиальных схемах:

Отличие биполярных транзисторов от полевых

Полевые транзисторы управляются при помощи электрического поля и благодаря этому они очень энергоэффективны. Именно по этой причине они используются при производстве процессоров.

С другой стороны, у полевых транзисторов есть слабое место. Это их тонкий p-n переход. Он очень чувствителен к статическому электричеству. Кстати, именно из-за статического электричества перестают работать флешки и карты памяти, если вы их вытащили из устройства во время работы.

Схемы защиты от статического электричества не успевают сработать, и статика разрушает полевые транзисторы.

А вот биполярные транзисторы наоборот, лучше переносят статику. Но в тоже время, они потребляют больше мощности, так как для их открытия нужен электрический ток.

Схемы включения

Так как у транзисторов три контакта, то можно чередовать вход и выход. Что это даст? У каждого контакта свои особенности. Например, если мы подадим сигнал на базу и эмиттер биполярного транзистора, а снимать итоговый сигнал будем с эмиттера и коллектора, то такая схема будет называются с общим эмиттером.

Этот тип включения позволяет передать максимум мощности в нагрузку.

Прочитать подробнее про работу схемы с общим эмиттером можно в этой статье.

Аналогичным образом можно подключить схему с общим коллектором и с общей базой. По сути, общий контакт — это такой контакт, который работает и на входе и на выходе одновременно с разными контактами.

Все тоже самое справедливо и для полевых транзисторов. Есть схемы с общим стоком, истоком и затвором.

Другие типы транзисторов

А еще бывают однопереходные, комплементарные и КМОП, МДП (MOSFET) и множество других транзисторов. Они разные по своим характеристикам, выполняют разные задачи и предназначены для конкретных целей. Но в целом, принцип работы у всех одинаков. Это управление электрическим током.

Характеристики

Так как полупроводниковые триоды (транзисторы) выполнены из полупроводника, то и на их работу влияет окружающая среда. Например, при изменении температуры окружающей среды, транзистор может вносить нелинейные искажения в выходной сигнал. С этим борются при помощи термпостабидизционных схем, которые позволяют стабилизировать работу транзистора на высоких температурах.

Также у транзисторов есть ВАХ (вольт-амперные характеристики), которые в отличие от вакуумной техники, быстро переходят в насыщение.

У всех транзисторов есть следующие параметры:

  • Коэффициент усиления по току;
  • Коэффициент усиления по напряжению;
  • Коэффициент усиления по току;
  • Коэффициент обратной связи;
  • Коэффициент передачи по току;
  • Входное сопротивление;
  • Выходное сопротивление;
  • Время включения;
  • Максимально допустимый ток и др.

У биполярных:

  • Обратный ток коллектор-эмиттер;
  • Частота коэффициента передачи тока базы;
  • Обратный ток коллектора;
  • Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером и др.

Режимы работы

В целом, можно выделить несколько режимов работы:

  • Номинальный режим;
  • Инверсный;
  • Насыщения;
  • Отсечка;
  • Барьерный.

Функции транзисторов

Транзисторы выполняют следующие функции:

  1. Позволяют усиливать электрические сигналы. Транзисторы усиливают любые электрические сигналы, как высокие так и низкие частоты.
  2. Могут работать как ключ, включать и выключать поступление электрического тока. Благодаря этому простому включению и выключению работают все современные процессоры. Транзисторы – это основа всей современной цифровой техники.
  3. Генерируют электрические сигналы за счет положительной обратной связи. На их основе можно сделать генераторы звука и сигналов.
  4. Могут согласовывать сопротивления электрических цепях за счет различных схем включения и работают как ограничители тока. В блоках питания транзисторы могут ограничивать ток короткого замыкания, а также работать как предохранитель.

Чем транзисторы уступают лампам

Несмотря на неоспоримые преимущества транзисторов перед лампами, ламповые триоды по прежнему имеют ряд преимуществ. , среди которых:

  • Устойчивость к высоким электромагнитным наводкам и помехам. Это не значит, что полупроводниковая техника может выйти из строя от любых помех. Но если случится сильнейшая магнитная буря от Солнца (или мощный ЭМИ удар от ядерных бомб), то все p-n переходы в полупроводниковой технике могут выйти из строя из-за высоких токов наводки. Вакуумная техниках намного устойчивее к таким помехам.
  • Ламповая техника намного лучше и стабильнее работает на высоких частотах. И это уже особенности конструкции. Так как в транзисторах есть p-n переходы, то у них тоже есть своя емкость. А паразитная емкость на высоких частотах негативно влияет на усиление сигнала. Появляются нелинейные искажения. А в вакуумной технике есть такие лампы, у которых по несколько экранирующих сеток, которые позволяют снизить эффект паразитных емкостей. Пример радиолампы — это клистрон.

Нельзя прямо сказать, что транзисторы полностью искоренили лампы. У каждой детали есть свои преимущества и недостатки в разных областях. Конечно, в цифровой технике транзисторам нет ровни среди ламп. Однако на сверхвысоких частотах транзисторы по-прежнему уступают лампам.

Post Views: 480

что такое транзисторы? зачем это нужно в электрических конструкциях.

Что такое транзисторы?

Транзистор представляет собой электронный компонент, который используется для переключения и для усиления электрических сигналов. Транзисторы произвели коренную революцию в мире еще до того, как стали использоваться электронные лампы. Эти лампы были не только громоздкими, но и потребляли много энергии, что приводило к менее эффективной системе в целом.

С другой стороны, транзисторы намного компактны по размеру, и потребляют на меньше энергии, чем электровакуумная лампа.Современные транзисторы имеют размеры в нанометрах, а на сигнальном чипе их миллиарды. Транзисторы могут действовать как переключатель без движущихся частей; кроме того, они могут усиливать слабый сигнал. Давайте теперь обсудим основы транзисторов.

Легирование транзисторов

Современные транзисторы состоят из полупроводников, таких как кремний. В случае кремния каждый из атомов связан с четырьмя соседними атомами кремния. Во внешней оболочке нет свободных атомов для проведения электричества.Таким образом, атом фосфора вводится между этими атомами кремния, что создает свободный электрон в системе, и этот процесс известен как легирование N-типа . Другим типом легирования является легирование Р-типа , при котором для движения электронов создается/вводится свободная дырка. Легирование увеличивает проводимость полупроводника.

 Три вывода транзистора

  • База: База транзистора расположена в середине транзистора.База очень тонкая и всегда слегка легированная . Он образует две диодные цепи с эмиттером и коллектором. Управляя величиной тока в базе-эмиттере, вы можете контролировать ток на конце коллектора. Это основной принцип использования транзисторов в качестве переключателя.
  • Эмиттер: Эмиттер действует как отрицательный конец транзистора. Это высоколегированная секция с умеренной шириной . Этот раздел всегда устанавливается как прямое смещение.
  • Коллектор: Коллектор служит положительным концом транзистора. Этот участок умеренно легирован и имеет наибольшую ширину среди всех трех участков. Большая длина этой секции позволяет собрать большую часть носителей заряда, поступающих от эмиттера транзистора.

Типы транзисторов

В основном существует два типа транзисторов

  • Биполярный транзистор (BJT)
  • Полевой транзистор (FET)

Оба они имеют свои собственные функции с определенными плюсами и минусами.В BJT небольшое количество база ток отвечает за контроль большого тока на конце коллектора. В полевых транзисторах также есть три вывода, а именно затвор, исток и сток. Для этих типов транзисторов напряжение затвора управляет протеканием тока через исток и сток.

Теперь давайте подробно обсудим работу обоих этих транзисторов.

  • Транзистор с биполярным переходом: Биполярные транзисторы являются наиболее распространенным типом транзисторов и присутствуют почти в каждом электронном устройстве.Он состоит из трех легированных областей , названных базой, эмиттером и коллектором. Эти транзисторы далее делятся на две части 
  • Транзисторы N-P-N
  • Транзисторы P-N-P

В транзисторе N-P-N легированный полупроводник P-типа помещается между двумя легированными полупроводниками N-типа и наоборот. В N-P-N транзисторах электронов являются основными носителями заряда , где еще в P-N-P транзисторах отверстий являются основными носителями заряда .В транзисторах PNP направление тока от эмиттера к коллектору и противоположно для транзистора NPN. Биполярные транзисторы представляют собой транзисторы управления током с низким входным сопротивлением , которые позволяют протекать через транзистор массивным током. Эти транзисторы работают в трех режимах/областях

  • Область отсечки
  • Активная область
  • Область насыщения

В области отсечки транзистор остается в состоянии «ВЫКЛ.».Для использования транзистора в качестве усилителя мы используем его в активной области. А в области насыщения транзистор работает как переключатель .

На рисунке выше представлены транзисторы NPN и PNP. Стрелка показывает направление условного тока через транзистор.

Смещение в BJT

Одним из наиболее распространенных применений BJT является использование его в качестве усилителя. Где, если вы подаете изменяющийся во времени сигнал в качестве входа, то он производит усиленный сигнал на выходе.Это усиление осуществляется с использованием энергии, подаваемой источником постоянного тока. Этот процесс подачи источника постоянного напряжения , который помогает транзистору работать, известен как смещение .

Это обычно используемые методы смещения в BJTS

  • Базовый резистор смещения или ток смещения
  • обратная связь с обратной связью
  • Дректирующие напряжения
  • Двойной базовый смещение

Полевые эффекты транзистора

Транзисторы также имеют три основных терминала, называемых воротами , стоком , и источником . В отличие от биполярных транзисторов, эти транзисторы являются управляемыми напряжением устройствами с очень высоким входным импедансом . Сопротивление колеблется от нескольких мегаом до гораздо больших значений, что позволяет проходить через них минимальному количеству тока. Эти транзисторы используют электрическое поле для управления потоком тока от истока к стоку.

На рисунке выше показан полевой транзистор N-типа. Если стрелка направлена ​​наружу, это означает полевой транзистор P-типа.Напряжение , подаваемое на клемму затвора , управляет потоком тока от истока к стоку . Благодаря высокому значению импеданса эти транзисторы потребляют очень малую величину тока из цепи, что идеально, поскольку не влияет на мощность цепи. Полевые транзисторы делятся на две основные категории, а именно JFET и IG-FET. MOSFET, также известный как Metal Oxide Semiconductor FET, является наиболее распространенным типом IG-FET.

Полевые транзисторы идеально подходят для таких приложений, как токовые ограничители для ограничения чрезмерного тока от достижения нагрузочного устройства. Помимо этого, полевые транзисторы также используются в качестве мультиплексоров , прерывателей, и фазовых сдвиговых генераторов . Для усиления больше подходят целевые биполярные транзисторы, но для малошумящих усилителей более желательны полевые транзисторы . Вдобавок ко всему, полевые транзисторы занимают на меньше места, чем биполярные транзисторы, поэтому большинство электрических компонентов используют полевые транзисторы в ИС.Еще одно важное различие между BJT и FET заключается в том, что BJT являются биполярными , и FET однополярными устройствами . Это означает, что полевые транзисторы полагаются либо на дырки, либо на электроны для своей работы, тогда как в других случаях биполярные транзисторы полагаются на оба.

Транзистор — Энциклопедия Нового Света

Транзистор — это полупроводниковое устройство, в котором небольшое количество напряжения или электрического тока используется для управления большим изменением напряжения или тока. Благодаря быстрому отклику и точности его можно использовать в самых разных приложениях, включая усиление, коммутацию, стабилизацию напряжения, модуляцию сигнала и генератор.Транзистор является основным строительным блоком как цифровых, так и аналоговых схем — схем, управляющих работой компьютеров, сотовых телефонов и всей другой современной электроники. Транзисторы могут быть упакованы индивидуально или как часть микросхемы интегральной схемы, которая может содержать тысячи транзисторов на очень небольшой площади.

Введение

Современные транзисторы делятся на две основные категории: транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET).Применение тока в биполярных транзисторах и напряжения в полевых транзисторах между входной и общей клеммами увеличивает проводимость между общей и выходной клеммами, тем самым контролируя протекание тока между ними.

Термин «транзистор» первоначально относился к типу точечных контактов, но они имели очень ограниченное коммерческое применение, и в начале 1950-х годов они были заменены гораздо более практичными типами биполярных переходов. По иронии судьбы, как сам термин «транзистор», так и наиболее широко используемый сегодня для него схематический символ конкретно относятся к этим давно устаревшим устройствам; [1] попытки ввести более точные версии ни к чему не привели.

В аналоговых схемах транзисторы используются в усилителях (усилителях постоянного тока, аудиоусилителях, радиочастотных усилителях) и линейных регулируемых источниках питания. Транзисторы также используются в цифровых схемах, где они функционируют как электронные переключатели, но редко как дискретные устройства, почти всегда встраиваясь в монолитные интегральные схемы. Цифровые схемы включают в себя логические элементы, оперативную память (RAM), микропроцессоры и процессоры цифровых сигналов (DSP).

История

Первые три патента на принцип полевого транзистора были зарегистрированы в Германии в 1928 году физиком Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом, но Лилиенфельд не публиковал исследовательских статей о своих устройствах, и они были проигнорированы промышленностью. В 1934 году немецкий физик доктор Оскар Хайль запатентовал еще один полевой транзистор. Нет прямых доказательств того, что эти устройства были построены, но более поздние работы в 1990-х годах показывают, что одна из конструкций Лилиенфельда работала, как описано, и давала существенный выигрыш. Юридические документы из патента Bell Labs показывают, что Шокли и Пирсон построили операционные версии на основе патентов Лилиенфельда, но они никогда не ссылались на эту работу ни в одной из своих более поздних исследовательских работ или исторических статей. [2]

16 декабря 1947 года Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтеру Браттейну удалось создать в Bell Labs первый практичный транзистор с точечным контактом.Эта работа последовала за их усилиями военного времени по производству «кристаллических» смесительных диодов из чрезвычайно чистого германия, используемых в радиолокационных устройствах в качестве элемента смесителя частоты в микроволновых радиолокационных приемниках. Ранние ламповые технологии не подходили для этой роли достаточно быстро, поэтому команда Bell вместо этого использовала твердотельные диоды. Имея в руках эти знания, они обратились к конструкции триода, но обнаружили, что это совсем не просто. В конце концов Бардин разработал новую ветвь физики поверхности, чтобы объяснить наблюдаемое ими «странное» поведение, а Бардину и Браттейну в конце концов удалось создать работающее устройство.

Bell Telephone Laboratories требовалось общее название для нового изобретения: «Полупроводниковый триод», «Твердый триод», «Триод с поверхностными состояниями», «Кристаллический триод» и «Иотатрон» — все рассматривались, но «транзистор», придуманный Джоном Р. Пирс выиграл внутреннее голосование. Обоснование названия описано в следующем отрывке из Технического меморандума компании, призывающего к голосованию:

Транзистор. Это сокращенное сочетание слов «крутизна» или «передача» и «варистор».”Устройство логически относится к семейству варисторов и имеет крутизну или передаточный импеданс устройства с усилением, так что эта комбинация является описательной.

Bell Telephone Laboratories — Технический меморандум (28 мая 1948 г. )

Пирс вспоминал название несколько иначе:

Я дал имя, чтобы подумать о том, что делает устройство. И в то время он должен был быть двойником вакуумной трубки. У вакуумной лампы была крутизна, поэтому у транзистора должно было быть «переходное сопротивление».’ И название должно соответствовать названиям других устройств, таких как варистор и термистор. И… я предложил название «транзистор».

Джон Р. Пирс дал интервью для шоу PBS “Transistorized!”

Bell немедленно запустила ограниченное производство точечных транзисторов в Western Electric в Аллентауне, штат Пенсильвания. Были продемонстрированы прототипы полностью транзисторных АМ-радиоприемников, но на самом деле это были лишь лабораторные курьезы. Однако в 1950 году Шокли разработал твердотельный усилитель радикально другого типа, который стал известен как «транзистор с биполярным соединением».«Хотя он работает по совершенно другому принципу, чем точечный «транзистор», это устройство, которое сегодня чаще всего называют «транзистором». Лицензии на него также были предоставлены ряду других компаний, производящих электронику, включая Texas Instruments. , который произвел ограниченную серию транзисторных радиоприемников в качестве инструмента продаж. Ранние транзисторы были химически «нестабильными» и подходили только для маломощных низкочастотных приложений, но по мере развития конструкции транзисторов эти проблемы постепенно преодолевались.

Хотя его часто неправильно приписывают Sony, первым в мире коммерческим транзисторным радиоприемником был Regency TR-1, созданный Regency Division I.D.E.A. (Industrial Development Engineering Associates) из Индианаполиса, штат Индиана, и было объявлено 18 октября 1954 года. Он был выставлен на продажу в ноябре 1954 года по цене 49,95 доллара (что эквивалентно 361 доллару в долларах 2005 года), и было продано около 150 000 единиц. Он использовал четыре транзистора NPN и питался от батареи на 22,5 В.

Акио Морита, соучредитель японской фирмы Tokyo Tsushin Kogyo, находился с визитом в США, когда Bell Labs объявила о наличии производственных лицензий, включая подробные инструкции по производству переходных транзисторов. Морита получил специальное разрешение от Министерства финансов Японии на оплату лицензионного сбора в размере 50 000 долларов, и в 1955 году компания представила собственное «карманное» радио под торговой маркой Sony. (Термин «карман» был предметом некоторой интерпретации, поскольку у Sony, как известно, были специальные рубашки с большими карманами для своих продавцов). Вскоре за этим продуктом последовали более амбициозные проекты, но обычно он считается началом роста Sony в производственной сверхдержаве.

В течение следующих двух десятилетий транзисторы постепенно заменили более ранние электронные лампы в большинстве приложений, а позже сделали возможным множество новых устройств, таких как интегральные схемы и персональные компьютеры.

Шокли, Бардин и Браттейн были удостоены Нобелевской премии по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Бардин впоследствии получил вторую Нобелевскую премию по физике, став одним из двух человек, получивших более одной Нобелевской премии по одной и той же дисциплине за свою работу по исследованию сверхпроводимости.

В августе 1948 года немецкие физики Герберт Ф. Матаре (1912–) и Генрих Велкер (ок. 1912–1981), работавшие в Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse в Париже, Франция, подали заявку на патент на усилитель на основе неосновной несущей. процесс впрыска, который они назвали «транзистроном». Поскольку Bell Labs не делала публичных заявлений о транзисторе до июня 1948 года, транзистор считался независимой разработкой. Матаре впервые наблюдал эффекты крутизны при производстве германиевых дуодиодов для немецкого радиолокационного оборудования во время Второй мировой войны.Транзистроны серийно производились для французской телефонной компании и военных, а в 1953 году на Дюссельдорфской радиоярмарке был продемонстрирован твердотельный радиоприемник с четырьмя трансистронами.

Типы

Транзисторы классифицируются по:

  • Полупроводниковый материал: германий, кремний, арсенид галлия, карбид кремния
  • Структура: BJT, JFET, IGFET (MOSFET), IGBT, «другие типы»
  • Полярность: NPN, PNP, N-канал, P-канал
  • Максимальная номинальная мощность: низкая, средняя, ​​высокая
  • Максимальная рабочая частота: низкая, средняя, ​​высокая, радиочастота (РЧ), микроволновая (Максимальная эффективная частота транзистора обозначается термином fT {\ displaystyle f _ {\ mathrm {T}}}, сокращение от «частота перехода. ” Частота перехода – это частота, при которой транзистор дает единичный коэффициент усиления).
  • Применение: переключатель общего назначения, аудио, высоковольтный, супер-бета, согласованная пара
  • Физическая упаковка: сквозное металлическое отверстие, сквозное пластиковое отверстие, поверхностный монтаж, матрица шариковой сетки

Таким образом, конкретный транзистор может быть описан как: кремний, поверхностный монтаж, BJT, NPN, маломощный, высокочастотный переключатель.

Биполярный переходной транзистор

Биполярный транзистор (BJT) был первым типом транзистора, который производился серийно.Биполярные транзисторы названы так потому, что в них используются как основные, так и неосновные носители. Три клеммы BJT называются эмиттер , база и коллектор . Внутри биполярного транзистора существуют два p-n перехода: переход база/эмиттер и переход база/коллектор . BJT обычно называют устройством, работающим от тока, поскольку ток коллектора/эмиттера регулируется током, протекающим между выводами базы и эмиттера. В отличие от полевого транзистора, биполярный транзистор представляет собой устройство с низким входным сопротивлением. Из-за этой экспоненциальной зависимости крутизна биполярного транзистора выше, чем у полевого транзистора.

Биполярные транзисторы можно сделать проводящими свет, поскольку поглощение фотонов в базовой области генерирует фототок, который действует как базовый ток; ток коллектора приблизительно равен бета-кратному фототоку. Устройства, предназначенные для этой цели, имеют в корпусе прозрачное окно и называются фототранзисторами.

Полевой транзистор

Полевой транзистор (FET), иногда называемый униполярным транзистором , использует либо электроны (N-канальный FET), либо дырки (P-канальный FET) для проводимости.Четыре клеммы полевого транзистора называются исток, затвор, сток, и корпус (подложка). В большинстве полевых транзисторов корпус соединен с источником внутри корпуса, и это предполагается для последующего описания.

Напряжение между затвором и истоком (корпусом) управляет током, протекающим между стоком и истоком. По мере увеличения напряжения затвор/исток (Vgs) ток стока/истока (Ids) увеличивается параболически.В полевых транзисторах ток сток/исток протекает по проводящему каналу рядом с затвором . Этот канал соединяет область стока с областью источника . Проводимость канала изменяется электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным между выводами затвора/истока. Таким образом, ток, протекающий между стоком и истоком, контролируется. Полевые транзисторы

делятся на два семейства: полевые транзисторы с переходом (JFET) и полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET).IGFET более широко известен как металл-оксид-полупроводник FET (MOSFET) из-за его первоначальной конструкции, состоящей из слоя металла (затвор), слоя оксида (изоляция) и слоя полупроводника. В отличие от IGFET, затвор JFET образует PN-диод с каналом, расположенным между истоком и стоком. Функционально это делает N-канальный JFET твердотельным эквивалентом лампового триода, который аналогичным образом образует диод между сеткой и катодом. Также оба устройства работают в режиме истощения , оба имеют высокое входное сопротивление, и оба проводят ток под управлением входного напряжения.

MESFET представляют собой полевые транзисторы JFET, в которых обратносмещенный PN-переход заменен полупроводниково-металлическим переходом Шоттки. Они, а также HEMFET (полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов), в которых двумерный электронный газ с очень высокой подвижностью носителей используется для переноса заряда, особенно подходят для использования на очень высоких частотах (микроволновые частоты; несколько ГГц).

В отличие от биполярных транзисторов, полевые транзисторы по своей природе не усиливают фототок. Тем не менее, есть способы использовать их, особенно JFET, в качестве светочувствительных устройств, используя фототоки в соединениях канал-затвор или канал-корпус.

FET дополнительно делятся на типы с режимом истощения и с режимом расширения , в зависимости от того, включен или выключен канал с нулевым напряжением затвор-исток. В режиме улучшения канал выключен при нулевом смещении, а потенциал затвора может «усилить» проводимость. В режиме истощения канал включен при нулевом смещении, а потенциал затвора (противоположной полярности) может «истощать» канал, уменьшая проводимость. Для любого режима более положительное напряжение затвора соответствует более высокому току для N-канальных устройств и более низкому току для P-канальных устройств.Почти все полевые транзисторы JFET работают в режиме истощения, поскольку диодные переходы смещали бы вперед и проводили, если бы они были устройствами в режиме улучшения; большинство IGFET являются типами режима улучшения.

Прочие типы транзисторов

  • Биполярный транзистор с гетеропереходом (HBT) представляет собой усовершенствование транзистора с биполярным переходом (BJT), который может обрабатывать сигналы очень высоких частот до нескольких сотен ГГц. Это распространено в современных сверхбыстрых схемах, в основном в радиочастотных (РЧ) системах.
  • Однопереходные транзисторы
  • можно использовать как простые генераторы импульсов.Они состоят из основного корпуса полупроводника P-типа или N-типа с омическими контактами на каждом конце (клеммы Base1 и Base2 ). Переход с противоположным типом полупроводника формируется в точке по длине корпуса для третьего вывода (Эмиттер).
  • Полевые транзисторы с двумя затворами имеют один канал с двумя затворами в каскоде; конфигурация, оптимизированная для высокочастотных усилителей, микшеров и генераторов.
  • Транзисторные массивы
  • используются для приложений общего назначения, генерации функций и малошумящих усилителей низкого уровня.Они включают в себя два или более транзистора на общей подложке для обеспечения точного согласования параметров и теплового отслеживания, что особенно важно для усилителей с длинной хвостовой парой.
  • Транзисторы Дарлингтона
  • состоят из BJT средней мощности, соединенного с мощным BJT. Это обеспечивает высокий коэффициент усиления по току, равный произведению коэффициентов усиления по току двух транзисторов. Силовые диоды часто подключаются между определенными клеммами в зависимости от конкретного использования.
  • Биполярный транзистор с изолированным затвором
  • (транзистор IGBT) использует IGFET средней мощности, аналогично подключенный к мощному BJT, для обеспечения высокого входного сопротивления.Силовые диоды часто подключаются между определенными клеммами в зависимости от конкретного использования. БТИЗ особенно подходят для тяжелых промышленных применений.
  • Одноэлектронные транзисторы (SET) состоят из затворного острова между двумя туннельными переходами. Туннельный ток управляется напряжением, подаваемым на затвор через конденсатор. [1][2]
  • Нанофлюидный транзистор Управляйте движением ионов через субмикроскопические каналы, заполненные водой. Нанофлюидный транзистор, основа будущих химических процессоров.
  • Транзисторы Trigate
  • (прототип от Intel, также известные как трехмерные транзисторы) используют один затвор, который расположен поверх двух вертикальных затворов, что позволяет электронам перемещаться по площади, в три раза превышающей площадь поверхности.
  • Транзисторы
  • Avalanche способны переключать очень большие токи с временем нарастания и спада менее наносекунды (время перехода).
  • Баллистический транзистор, Электроны прыгают по лабиринту.
  • Спиновые транзисторы являются магниточувствительными устройствами.
  • В ЖК-дисплее используются тонкопленочные транзисторы
  • .
  • Транзисторы с плавающим затвором
  • используются для энергонезависимой памяти.
  • Фототранзисторы реагируют на свет
  • Полевой транзистор с перевернутой буквой T, часть устройства проходит вертикально от горизонтальной плоскости в форме перевернутой буквы T, отсюда и название.
  • Ионочувствительные полевые транзисторы измеряют концентрацию ионов в растворе.
  • FinFET Область истока/стока образует ребра на поверхности кремния.
  • FREDFET Полевой транзистор с быстрообратным эпитаксиальным диодом
  • Электролитно-оксидно-полупроводниковый полевой транзистор EOSFET (нейрочип)

Полупроводниковые материалы

Первые биполярные транзисторы были изготовлены из германия (Ge), а некоторые мощные типы до сих пор изготавливаются из него. В настоящее время преобладают кремниевые (Si) типы, но в некоторых усовершенствованных микроволновых и высокопроизводительных версиях теперь используется составной полупроводник , материал , арсенид галлия (GaAs) и полупроводниковый сплав , кремний-германий (SiGe).Одноэлементные полупроводниковые материалы (Ge или Si) описываются как «элементарные».

Упаковка

Транзисторы со сквозным отверстием (рулетка отмечена в сантиметрах) Транзисторы

поставляются в различных упаковках (чипкорпусах). Две основные категории: со сквозным отверстием (или с выводами ) и для поверхностного монтажа, , также известный как устройство для поверхностного монтажа (технология поверхностного монтажа, SMD). «Шаровая решетка» (BGA) — новейший корпус для поверхностного монтажа (в настоящее время только для больших массивов транзисторов).На нижней стороне вместо выводов имеются «шарики» припоя. Поскольку они меньше и имеют более короткие межсоединения, SMD имеют лучшие высокочастотные характеристики, но более низкую номинальную мощность.

Корпуса транзисторов изготавливаются из стекла, металла, керамики или пластмассы. Пакет часто диктует номинальную мощность и частотные характеристики. Мощные транзисторы имеют большие корпуса, которые можно прикрепить к радиаторам для улучшения охлаждения. Кроме того, у большинства мощных транзисторов коллектор или сток физически соединены с металлической банкой/металлической пластиной.С другой стороны, некоторые «микроволновые» транзисторы поверхностного монтажа размером с песчинку.

Часто данный тип транзистора доступен в различных корпусах. Транзисторные блоки в основном стандартизированы, но назначение функций транзистора клеммам нет: разные типы транзисторов могут назначать разные функции клеммам корпуса. Даже для одного и того же типа транзистора назначение выводов может различаться (обычно обозначается суффиксной буквой к номеру детали, например, BC212L и BC212K).

Использование

На заре разработки транзисторных схем биполярный переходной транзистор (или BJT) был наиболее часто используемым транзистором. Даже после того, как МОП-транзисторы стали доступны, биполярные транзисторы оставались предпочтительным транзистором для цифровых и аналоговых схем из-за их простоты изготовления и скорости. Тем не менее, полевой МОП-транзистор обладает рядом желательных свойств для цифровых схем, а значительные достижения в области цифровых схем привели к тому, что конструкция МОП-транзистора стала самой современной. МОП-транзисторы в настоящее время широко используются как для аналоговых, так и для цифровых функций.

Переключатели

Транзисторы

обычно используются в качестве электронных переключателей как для мощных приложений, включая импульсные источники питания, так и для приложений с низким энергопотреблением, таких как логические элементы.

Усилители

Огромное количество продуктов, от мобильных телефонов до телевизоров, включает усилители для воспроизведения звука, радиопередачи и обработки сигналов. Первые усилители звука на дискретных транзисторах едва выдавали несколько сотен милливатт, но мощность и качество звука постепенно увеличивались по мере появления более совершенных транзисторов и развития архитектуры усилителей.

Транзисторы обычно используются в усилителях современных музыкальных инструментов, где широко распространены и относительно дешевы схемы мощностью до нескольких сотен ватт. Транзисторы в значительной степени заменили лампы в инструментальных усилителях. Некоторые производители усилителей для музыкальных инструментов смешивают транзисторы и электронные лампы в одной схеме, чтобы использовать преимущества обоих устройств.

Компьютеры

В «первом поколении» электронных компьютеров использовались вакуумные лампы, которые выделяли большое количество тепла, были громоздкими и ненадежными.Разработка транзистора была ключом к миниатюризации и надежности компьютеров. «Второе поколение» компьютеров конца 1950-х и 1960-х годов имело платы, заполненные отдельными транзисторами и магнитными ядрами памяти. Впоследствии транзисторы, другие компоненты и необходимые для них соединения были объединены в единый компонент массового производства: интегральную схему. Транзисторы, встроенные в интегральные схемы, заменили большинство дискретных транзисторов в современных цифровых компьютерах.

Важность

Транзистор, по мнению многих, является одним из величайших изобретений в современной истории, по значимости он стоит наравне с печатным станком, автомобилем и телефоном. Это ключевой активный компонент практически всей современной электроники. Его важность в современном обществе основывается на возможности его массового производства с использованием высокоавтоматизированного процесса (изготовления), который обеспечивает исчезающе низкую стоимость транзистора.

Хотя миллионы отдельных (известных как дискретных ) транзисторов все еще используются, подавляющее большинство транзисторов изготавливается в виде интегральных схем (часто обозначаемых IC и также называемых микросхемами или просто микросхемами ) вместе с диодами. , резисторы, конденсаторы и другие электронные компоненты для производства полных электронных схем.Логический элемент состоит примерно из двадцати транзисторов, тогда как усовершенствованный микропроцессор по состоянию на 2006 год может использовать до 1,7 миллиарда транзисторов (MOSFET) [3].

Низкая стоимость, гибкость и надежность транзистора сделали его универсальным устройством для немеханических задач, таких как цифровые вычисления. Транзисторные схемы также заменили электромеханические устройства для управления приборами и механизмами. Часто дешевле и эффективнее использовать стандартный микроконтроллер и написать компьютерную программу для выполнения функции управления, чем разрабатывать эквивалентную функцию механического управления.

Из-за низкой стоимости транзисторов и, следовательно, цифровых компьютеров существует тенденция к оцифровке информации. С цифровыми компьютерами, предлагающими возможность быстро находить, сортировать и обрабатывать цифровую информацию, все больше и больше усилий было направлено на то, чтобы сделать информацию цифровой. В результате сегодня многие медиаданные передаются в цифровой форме, а компьютеры преобразуют их и представляют в аналоговой форме. Области, на которые повлияла цифровая революция, включают телевидение, радио и газеты.

Преимущества транзисторов перед электронными лампами

До разработки транзисторов вакуумные лампы (или в Великобритании термоэмиссионные вентили или просто вентили ) были основными активными компонентами в электронном оборудовании. Ключевые преимущества, которые позволили транзисторам заменить своих ламповых предшественников в большинстве приложений:

  • Меньший размер (несмотря на продолжающуюся миниатюризацию электронных ламп)
  • Высокоавтоматизированное производство
  • Более низкая стоимость (при серийном производстве)
  • Более низкие возможные рабочие напряжения (но электронные лампы могут работать при более высоких напряжениях)
  • Нет периода прогрева (большинству вакуумных ламп требуется от 10 до 60 секунд для правильной работы)
  • Меньшее рассеивание мощности (нет мощности нагревателя, очень низкое напряжение насыщения)
  • Более высокая надежность и большая физическая прочность (хотя электронные лампы более прочны в электрическом отношении. Также вакуумная лампа намного более устойчива к ядерным электромагнитным импульсам (НЭМИ) и электростатическим разрядам (ЭСР))
  • Гораздо более длительный срок службы (катоды электронных ламп со временем изнашиваются, и вакуум может загрязняться)
  • Доступны дополнительные устройства (допускаются схемы с комплементарной симметрией : электронные лампы с полярностью, эквивалентной PNP BJT или полевым транзисторам P-типа, недоступны)
  • Способность управлять большими токами (имеются силовые транзисторы для управления сотнями ампер, электронные лампы для управления даже одним ампером большие и дорогие)
  • Гораздо менее микрофонный (вибрация может модулировать характеристики вакуумной лампы, хотя это может способствовать звучанию гитарных усилителей)

Природа не терпит вакуумной лампы ” Майрон Гласс (см. John R.Пирс), Bell Telephone Laboratories, 1948 г.

Галерея

С 1960-х годов доступен широкий ассортимент транзисторов, и производители постоянно внедряют улучшенные типы. Ниже приведены несколько примеров из основных семейств. Если не указано иное, все типы изготовлены из кремниевого полупроводника. Дополнительные пары показаны как каналы NPN/PNP или N/P. Ссылки ведут на таблицы данных производителя в формате PDF. (В некоторых таблицах данных точность заявленной категории транзистора является предметом споров.)

  • 2N3904/2N3906, BC182/BC212 и BC546/BC556: вездесущие, BJT, универсальные, маломощные, дополнительные пары. Они имеют пластиковые корпуса и стоят примерно десять центов США в небольших количествах, что делает их популярными среди любителей.
  • AF107: Германий, 0,5 Вт, 250 МГц PNP BJT.
  • BFP183: Низкая мощность, 8 ГГц микроволновая печь NPN BJT.
  • LM394: «суперподходящая пара» с двумя NPN BJT на одной подложке.
  • 2N2219A/2N2905A: BJT, общего назначения, средней мощности, дополнительная пара.В металлических корпусах они рассчитаны примерно на один ватт.
  • 2N3055/MJ2955: В течение многих лет почтенный NPN 2N3055 был «стандартным» силовым транзистором. Его дополнение, PNP MJ2955, появилось позже. Эти 1 МГц, 15 А, 60 В, 115 Вт BJT используются в аудиоусилителях мощности, источниках питания и управлении.
  • 2SC3281/2SA1302: Изготовленные Toshiba, эти биполярные транзисторы имеют характеристики с низким уровнем искажений и используются в мощных аудиоусилителях. Их широко подделывали[4].
  • BU508: NPN, питание 1500 В BJT. Разработанный для телевизионного горизонтального отклонения, его способность к высокому напряжению также делает его пригодным для использования в системах зажигания.
  • MJ11012/MJ11015: 30 А, 120 В, 200 Вт, дополнительная пара биполярных транзисторов Дарлингтона высокой мощности. Используется в усилителях звука, управлении и переключении питания.
  • 2N5457/2N5460: JFET (режим истощения), общего назначения, малой мощности, дополнительная пара.
  • BSP296/BSP171: IGFET (расширенный режим), средней мощности, почти комплементарная пара. Используется для преобразования логического уровня и управления силовыми транзисторами в усилителях.
  • IRF3710/IRF5210: IGFET (расширенный режим), 40 А, 100 В, 200 Вт, рядом с комплементарной парой. Для мощных усилителей и силовых выключателей, особенно в автомобилях.

См. также

  • Электронные компоненты
  • Полупроводник
  • Ширина запрещенной зоны
  • Транскондуктивность
  • Транссопротивление
  • Очень крупномасштабная интеграция
  • Количество транзисторов
  • Закон Мура

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

Книги

  • Амос, С.W. & MR Джеймс. Принципы транзисторных схем. Баттерворт-Хайнеманн, 1999. ISBN 0750644273
  • Карсон, Ральф С. Принципы прикладной электроники. Бью-Йорк: Макгроу-Хилл, 1961.
  • Горовиц, Пол и Уинфилд Хилл. Искусство электроники. Издательство Кембриджского университета, 1989.

ISBN 0521370957

  • Риордан, Майкл и Ходдесон, Лилиан. Хрустальный огонь. WW Norton & Company, Limited.1998. ISBN 0393318516 Изобретение транзистора и рождение века информации
  • Уорнс, Лайонел. Аналоговая и цифровая электроника. Macmillan Press Ltd. 1998. ISBN 0333658205

Другое

  • Роберт Г. Арнс (октябрь 1998 г.). Другой транзистор: ранняя история полевого транзистора на основе оксида металла и полупроводника. [5] Журнал инженерных наук и образования 7 (5): 233-240 ISSN 0963-7346
  • Арман Ван Дормель.«Французский транзистор» Материалы конференции IEEE по истории электроники 2004 г., Блетчли-Парк, июнь 2004 г. [6].
  • У Герберта Ф. Матаре, изобретателя транзистора, настал момент. 24 февраля 2003 г. The New York Times . [7].
  • Майкл Риордан. Как Европа упустила транзистор.

IEEE Spectrum 42 (11) (ноябрь 2005 г.): 52–57 ISSN | 0018-9235

  • К. Д. Ренмор. 1980 “Кремниевые чипы и вы”. Полное руководство по полупроводниковым устройствам, , 2-е издание.Wiley-IEEE Press.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 25 марта 2020 г.

Кредиты

New World Encyclopedia авторов и редакторов переписали и дополнили статью в Википедии в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Упоминание должно осуществляться в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа.Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание. На использование отдельных изображений, которые лицензируются отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.

Что такое транзистор и как он работает

 

Изобретение
   Этот беспрецедентный поток инноваций начался в середине 40-х годов, когда группа ученых из Bell Labs решила найти решение, которое заменило бы вакуумную лампу и механические реле на что-то лучшее, что-то более надежное, более эффективен, менее затратен в обслуживании.16 декабря 1947 года Уолтер Браттейн при поддержке своей команды и всего научного сообщества Bell Labs внес еще одну поправку в свое странное приспособление, состоящее из германия, золотых полосок, изоляторов и провода и впервые наблюдал усиление входного сигнала. Транзистор родился и неосознанно, информационный век. Лауреаты Нобелевской премии Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли впоследствии разработали методы, позволяющие сделать эту технологию практичной, эффективно обучая промышленное сообщество тому, как использовать ее для создания приложений от слуховых аппаратов до телефонных коммутаторов, от портативные радиоприемники к телевизорам.
    Транзистор, изобретенный в Bell Laboratories в 1947 году, стал результатом усилий по поиску лучшего усилителя и замены механических реле. Вакуумная лампа усилила музыку и голос в первой половине 20-го века и сделала междугородние звонки практичными. Но он потреблял много энергии, работал горячим и быстро сгорал. Телефонная сеть требовала сотен тысяч реле для соединения цепей для совершения звонков. Сетевые реле были механические устройства, требующие регулярного обслуживания для очистки и регулировки.
Более дешевый в изготовлении, чем вакуумная лампа, и гораздо более надежный, транзистор сократил стоимость и улучшил качество телефонных услуг и, казалось бы, за одну ночь породил бесчисленное количество новых продуктов и целых новых отраслей.

Как работает транзистор
    Транзистор имеет множество применений, но только две основные функции: переключение и модуляция — последняя часто используется для усиления. Проще говоря, транзистор работает как диммер в вашей гостиной. Нажмите на ручку диммера, загорится свет; нажмите еще раз, свет погаснет. Вуаля! Переключатель. Вращайте ручку вперед и назад, и свет становится ярче, тусклее, ярче, тусклее. Вуаля! Модулятор. Чтобы понять усиление, подумайте о это: относительно легкое действие с вашей стороны, чтобы повернуть ручку от низкого до высокого значения, превращается в гораздо более впечатляющую реакцию света – вся комната сияет светом! Вуаля! Усилитель. И диммер, и транзистор управляют протеканием тока, будь то через лампу или устройство, которое нужно активировать.Оба действуют как переключатель — вкл/выкл — и как модулятор/усилитель — высокий/низкий. Важное отличие состоит в том, что «рука» управляет транзистором в миллионы раз быстрее. А также он подключен к другому электрическому источнику — радиосигналу в антенне, например, голосу в микрофоне, сигналу данных в компьютерной системе или даже другому транзистору.
    Транзисторы изготовлены из полупроводников, таких как кремний и арсенид галлия. Эти материалы проводят электричество умеренно хорошо — недостаточно хорошо, чтобы называться проводником, как медные провода; не настолько плохо, чтобы называться изолятором, как кусок стекла.Отсюда и их название: полупроводниковые.
    «Волшебство», которое творит транзистор, заключается в его способности управлять собственной полупроводимостью, а именно действовать как проводник, когда это необходимо, или как изолятор (непроводник), когда это необходимо.
Полупроводники различаются по своему электрическому действию. Помещение тонкого куска полупроводника одного типа между двумя слоями другого типа приводит к поразительным результатам: небольшой ток в центральном слое может управлять потоком тока между двумя другими.Этот небольшой ток в среднем срезе – это сок, который подается, например, от антенны или другого транзистора. Даже когда входной ток слабый, например, от радиосигнала, прошедшего большое расстояние, Транзистор может управлять сильным током из другой цепи через себя. По сути, ток через «выходную сторону» транзистора имитирует поведение тока через «входную сторону». В результате получается сильная, усиленная версия слабого радиосигнала.

Что делают транзисторы
В современных микросхемах, содержащих миллионы транзисторов, «объединенных» вместе по определенной схеме или «конструкции», усиленный выходной сигнал одного транзистора приводит в действие другие транзисторы, которые, в свою очередь, управляют другими и т. д. .Постройте последовательность в одном направлении, и микросхема может усиливать слабые сигналы антенны в насыщенный квадрофонический высококачественный звук. Соберите чип по-другому, и транзисторы взаимодействуют, создавая таймеры для управления часами или микроволновой печью, или датчики для контроля. температуры, обнаруживать злоумышленников или предотвращать блокировку колес автомобиля (системы ABS). Расположите транзисторы в другом массиве и создайте арифметические и логические процессоры, которые заставят калькуляторы выполнять вычисления, компьютеры — вычислять, «обрабатывать» слова, искать информацию в сложных базах данных, сети — для «общения» друг с другом или системы, передающие голос. данные, графика и видео для создания наших коммуникационных сетей.
    Может потребоваться множество транзисторов, соединенных в команды, называемые логическими вентилями, чтобы выполнить такую ​​простую задачу, как сложение единиц и единиц. Но соедините достаточное количество транзисторов по соответствующим шаблонам, и транзисторы в конечном итоге выполнят большую работу, работая быстро, включая и выключая 100 миллионов раз в секунду или больше, и работая в огромных командах.
В качестве дискретных компонентов, как и в старые времена, тысяча транзисторов заняла бы десятки печатных плат размером с открытку. Но благодаря таким технологиям, как фотолитография и автоматизированное проектирование, миллионы транзисторов и других электронных компонентов вместе с проводкой можно компактно разместить на интегральной схеме размером меньше кукурузной хлопья.
 

   

Транзисторы – Мир современных электронов | ОРЕЛ

Добро пожаловать в мир современной электроники! У нас есть самоходные ракетные корабли, дроны, которые доставят посылки к вашему порогу за считанные минуты, и вездеходы, прочесывающие самые дальние уголки нашей галактики. Без знаменитого транзистора ни одно из этих современных чудес никогда не было бы возможным! Миллионы этих транзисторов втиснуты в микропроцессор вашего компьютера, но что они там делают?

Давайте узнаем.

Просто прославленный переключатель?

Транзистор сравнивают с простым переключателем, но не обманывайтесь; это намного больше. Транзистор выполняет две важные функции, в том числе:

Усиление тока

Транзистор может взять небольшой ток и превратить его в огромный! Подумайте о слуховых аппаратах; они содержат миниатюрный микрофон, который улавливает звук из нашей повседневной среды, который затем поглощается транзистором и превращается в мощный звук, который может услышать больное человеческое ухо.Мой дедушка передает привет, Транзистор.

О боже, как далеко продвинулся слуховой аппарат благодаря транзистору. (Источник изображения)

Ток переключения

Транзисторы

также работают как мощные переключатели, пропускающие ток только при соблюдении определенных условий. Когда току разрешено протекать, это создает состояние «включено», или 1. Когда ток не может протекать, транзистор находится в состоянии «выключено», или 0. Эта двоичная система единиц и нулей образует строительные блоки для нашего мира современной электроники.

Эта знаменитая сцена из «Матрицы» обретает новую жизнь, когда вы понимаете, как это происходит благодаря транзисторам! (Источник изображения)

Заставить транзистор работать

Если соединить два диода, то получится транзистор! Транзисторы имеют три вывода, каждый из которых выполняет свои специальные функции. В демонстрационных целях мы сосредоточимся на транзисторе NPN. Мы объясним больше ниже.

  • База. База отвечает за контроль того, разрешено ли протекать току через транзистор при подаче питания.Вы можете думать о нем как о привратнике.
  • Коллекционер. Когда на базу подается питание, ток коллектора может течь к эмиттеру.
  • Излучатель. Эмиттер принимает электрический ток, который разрешено подавать коллектору, для использования в других частях вашей цепи.

Простой поток, показывающий, как база позволяет току течь от эмиттера к коллектору. (Источник изображения)

Небольшое количество электрического тока, которое получает база, открывает поток тока от коллектора, чтобы высвободить его (больший) ток.Сбрасывая весь сдерживаемый ток на эмиттер, питая другие части вашей схемы.

Но если отвести источник тока от базы, то тока между коллектором и эмиттером не будет. Этот процесс как управления током, так и его усиления между базой и эмиттером делает транзистор поистине уникальным компонентом.

Другой легированный компонент

Как и его младший брат диод, транзистор представляет собой еще один полупроводниковый компонент, изготовленный из кремния.Что такое полупроводник? Это материал, который находится где-то посередине между проводником (материал, через который проходит электричество) и изолятором (материал, которого электричество избегает). Звучит как случай нерешительности, верно?

Полупроводники бывают разных форм и размеров в готовом виде, например, эта интегральная схема. (Источник изображения)

Добавляя примеси в полупроводники, известные как легирование, мы можем заставить эти материалы вести себя уникальным образом.Например:

  • Создание кремния N-типа. Легирование кремния химическим элементом мышьяком, фосфором или сурьмой даст нашему кремнию дополнительные электроны, что позволит ему проводить электрический ток. Это создает кремний n-типа.
  • Создание кремния P-типа. Легирование кремния химическими элементами бором, галлием или алюминием лишает наш кремний его свободных электронов, притягивая внешние электроны. Это создает кремний р-типа.
  • Создание транзисторов. Когда вы соединяете эти два типа кремния вместе, рождаются транзисторы! Они объединены в «сэндвич из кремния», который позволяет току течь интересным образом.

Теперь у нас есть исходные ингредиенты для транзистора, кремний n-типа и кремний p-типа, но как они объединяются, чтобы сформировать этот компонент? Существует два способа изготовления транзистора:

Транзисторы NPN

Эти транзисторы создаются при соединении трех слоев кремния, в том числе двух кремниевых слоев n-типа и одного кремния p-типа. n-тип служит коллектором и эмиттером, а p-тип служит базой. Все это объединяется, чтобы сформировать так называемый NPN-транзистор. В этих транзисторах электроны переходят от эмиттера к коллектору, получив добро от базы.

Транзисторы PNP

Эти транзисторы рождаются, когда вы соединяете еще три слоя кремния вместе, только в другой комбинации. В этом случае у нас есть два кремния p-типа и один кремний n-типа.Эта комбинация создает обратный эффект транзистора NPN, где вместо того, чтобы подавать ток на эмиттер, коллектор посылает положительно заряженные «дырки» на коллектор. Вы можете думать об этих дырах как о пустых, замкнутых пространствах, в которых нет электронов.

Простой способ визуализировать, как кремний складывается вместе в транзисторе.

Типы транзисторов, с которыми вы столкнетесь

Во время вашего путешествия в мир электроники вы обязательно столкнетесь с двумя основными типами транзисторов — транзистором с биполярным переходом (BJT) и транзистором с полевым эффектом (FET). Давайте посмотрим на каждый:

Биполярный переходной транзистор (BJT)

Это транзистор, о котором мы говорили во всех наших примерах. Он поставляется в двух версиях, NPN и PNP, и имеет три вывода: базу, эмиттер и коллектор. Схематический символ ниже выглядит знакомым? Если на ум пришел диод, то вы уже близко! Три контакта переходных транзисторов будут помечены стрелкой, показывающей, в каком направлении будет течь ток.

Транзистор NPN и PNP, обратите внимание, как стрелка показывает протекание тока для каждого из них.

В транзисторе NPN все, что вам нужно, это напряжение около 0,7 В, приложенное к базе, чтобы получить огромный скачок тока, протекающего через коллектор к эмиттеру. Это включит транзистор, создав 1 в двоичном формате.

Полевой транзистор (FET)

Полевой транзистор появился после биполярного транзистора, и хотя у него три вывода, они называются немного по-другому.У вас есть гейт , аналогичный базе, исток , аналогичный коллектору, и, наконец, сток , похожий на эмиттер. Этот тип транзистора также включает в себя слои кремния n-типа и p-типа, но они покрыты слоями ионов металла и кислорода, что дает этому транзистору уникальное название MOSFET (полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника). Это полный рот!

Два типа полевых транзисторов, n-канальные и p-канальные.(Источник изображения)

В этом типе транзистора подача положительного напряжения на затвор позволит электронам проходить через очень тонкий канал между истоком и стоком. И хотя этот процесс визуально отличается, это тот же основной принцип: небольшое количество тока позволяет протекать большему источнику тока.

Эго и рождение транзистора

Изобретение было создано в недрах Bell Laboratories в Нью-Джерси тремя физиками, Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли.Команда была собрана под руководством Шокли для разработки замены ненадежной электронной лампы, которая использовалась для усиления сигналов телефонной системы США.

С этой троицей дела идут плохо.

Три блестящих физика работают над заменой вакуумной трубки. (Источник изображения)

Во-первых, и Бардин, и Браттейн приступили к работе самостоятельно, создав 16 декабря 1947 года то, что мы теперь знаем как первый точечный транзистор.Они намеренно исключили Шокли из всего процесса, и, возможно, по уважительной причине, поскольку, как сообщается, он был немного придурком.

Конечно, Шокли расстроился из-за того, что его оставили в стороне, так что же он сделал? Он заперся в гостиничном номере на несколько дней с карандашом и бумагой, а позже вышел с теорией теперь уже известного переходного транзистора, который был гораздо более технологичным, чем транзистор с точечным контактом.

Шокей – 1, Бардин и Браттейн – 0.

Не самый гламурный первый транзистор, созданный на пластине из германия.(Источник изображения)

В конце концов, все трое этих джентльменов получили признание за изобретение транзистора. Шокли даже основал свою собственную компанию по производству полупроводников, Shockley Semiconductor Laboratory, и после жесткой ссоры с некоторыми из его сотрудников после компании Шокли родились Intel и Fairchild Semiconductor.

Лаборатории Белла и не только

С момента своего рождения в Bell Labs у транзистора бурная и безумная история.В качестве усилителей использовались промышленные транзисторы, и в 1952 году стали доступны первые транзисторные слуховые аппараты. Но это не совсем помогло производителям и потребителям, которые по-прежнему считали ламповую технологию единственным вариантом усиления.

Обратите внимание на разницу в размерах! Первый транзисторный слуховой аппарат (вверху) и ламповый слуховой аппарат (внизу). (Источник изображения)

 

Это представление вскоре изменилось, когда в радио появились транзисторы.Звуки можно было посылать через микрофон, превращать в электрическую цепь и усиливать транзистором, чтобы воспроизводить довольно удивительные звуки в таком маленьком корпусе.

Настоящим гвоздем в гроб электронных ламп стал карманный радиоприемник, разработанный Texas Instruments в 1954 году и названный Regency TR-1. Этому миниатюрному радио потребовалось несколько новых деталей, чтобы поместиться в такой небольшой корпус, включая тщательно спроектированные динамики, конденсаторы и, конечно же, транзисторы.

Польза от всей этой техники?

Texas Instruments доказала, что транзисторы могут производиться массово и экономично.И такие компании, как Emerson, General Electric и Raytheon, наконец, начали серьезно относиться к транзистору.

Первый в мире карманный радиоприемник, ставший возможным благодаря транзистору. (Источник изображения)

1954 год ознаменовал замену кремния в качестве предпочтительного материала для производства транзисторов, который оказался более надежным и менее дорогим в производстве, чем транзисторы на основе германия. Развитие продолжалось на протяжении 60-х годов, а в 1970-х годах появился первый MOSFET-транзистор, основанный на успехе переходного транзистора Уильяма Шокли.

Какое будущее ждет транзисторы?

Что ж, это еще предстоит выяснить. В настоящее время ученые работают над первым в мире молекулярным транзистором, сделанным из одной молекулы бензола. Этот тип транзистора не создает столько тепла, сколько наши современные кремниевые транзисторы.

Мы также пытаемся заменить кремний графеном, который может передавать электроны намного быстрее, чем кремний. Единственное зависание? Мы до сих пор не можем понять, как надежно производить графен.Если мы сможем заставить его работать по разумной цене, графен сделает наши компьютерные процессоры в 1000 раз быстрее, чем кремний.

Роль транзисторов в вычислительной технике

Давайте вернемся в настоящее, чтобы понять, как транзисторы полностью изменили компьютеры в двух областях — логике и памяти.

Транзисторы и логика

Собрав вместе много транзисторов, вы можете сделать нечто, называемое логическим элементом. Это позволяет сравнивать входящие токи и отправлять разные выходные сигналы в зависимости от запрограммированной логики.

Эти логические вентили позволяют компьютеру принимать решения с помощью булевой алгебры. Если вы занимались программированием, то они должны быть вам знакомы, включая логические операции, такие как И, ИЛИ, НЕ и т. д. Объединение всей этой логики вместе — вот что заставляет наше компьютерное программное обеспечение работать, предоставляя нашим компьютерам ряд инструкций для выполнения. .

Транзисторы и память Транзисторы

также используются для питания всей памяти в наших компьютерах. Подключая логические вентили по определенному шаблону, вы можете создавать выходные соединения, которые обратятся во входные соединения.Это создает своего рода шаблон, при котором транзисторы остаются включенными даже после того, как их базовый ток отключен, оставляя транзистор в так называемом стабильном состоянии включенного или выключенного состояния. Умножьте это на миллионы или миллиарды транзисторов со стабильным состоянием, и вскоре вы обнаружите расположение постоянно включенных и выключенных транзисторов, которые могут хранить данные как в виде единиц, так и нулей.

Меньше они идут, но где они остановятся, никто не знает!

Транзисторы, появившиеся всего около 70 лет назад, прошли чертовски длинный путь, увеличившись с десятков до сотен, а теперь даже до миллионов и миллиардов транзисторов в наших повседневных вычислительных устройствах! Эти полупроводниковые компоненты дополняют наш взгляд на увлекательный мир активных компонентов, которые играют важную роль в развитии наших электронных разработок.

Можем ли мы продолжать добавлять все больше и больше транзисторов в наши интегральные схемы, как гласит закон Мура? Мы начинаем достигать физических пределов кремния и электронов. Похоже, пришло время вложить немного денег в исследования и разработки в области графена и фотонов. Мир современной электроники ждет!

Знаете ли вы, что у Autodesk EAGLE есть множество бесплатных библиотек транзисторов, готовых к использованию? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня, чтобы начать работу!

Что такое транзистор и какое влияние его изобретение оказало на компьютеры?

. .. Hemera Technologies/PhotoObjects.net/Getty Images

Транзистор — это миниатюрный электронный компонент, изготовленный из полупроводникового материала, такого как кремний. До транзисторов единственным способом управления потоком тока в электронной цепи было использование больших энергоемких электронных ламп, что ограничивало размер и мощность компьютеров, которые можно было построить. Изобретение транзисторов произвело революцию в дизайне компьютеров: современный микропроцессор обычно содержит сотни миллионов транзисторов на одном кремниевом кристалле.

1 Изобретение транзистора

Транзистор был изобретен в 1947 году Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли в Bell Laboratories в Нью-Джерси. Изобретение стало кульминацией длительных усилий по разработке жизнеспособной альтернативы электронной лампе с использованием полупроводниковой технологии. Это принесло Бардину, Браттейну и Шокли Нобелевскую премию по физике в 1956 году. По сравнению с электронными лампами транзисторы имеют множество преимуществ: они меньше по размеру и менее хрупкие, для их работы требуется меньше энергии, и они могут работать при более низких напряжениях.

2 Как работает транзистор

Если электрический ток проходит между двумя из трех выводов транзистора, величина этого тока может контролироваться напряжением, приложенным к третьему выводу. У него есть два основных применения — либо в качестве переключателя, либо в качестве усилителя. Первое широкое применение транзистора было в качестве усилителя в портативных радиоприемниках. Однако в компьютерах он используется как переключатель, а не как усилитель. Компьютеры, использующие электронные лампы в качестве переключателей, были ограничены размерами до нескольких тысяч таких устройств.С изобретением транзистора ситуация резко изменилась.

3 Влияние на компьютеры

Компьютеры на основе транзисторов были не только меньше, чем их предшественники на электронных лампах, но и более мощными, поскольку внутри можно было разместить больше компонентов. Транзисторизация также сделала компьютеры быстрее, потому что более компактные размеры означали, что электрические сигналы не должны были проходить так далеко. Время шло, поэтому количество транзисторов, которые можно было изготовить на одном кремниевом кристалле, увеличивалось.Этот эффект был количественно определен в 1960-х годах Гордоном Муром в математическом соотношении, известном как закон Мура.

4 Транзисторы в эпоху цифровых технологий

Транзисторы стали одним из основных строительных блоков современной технологической жизни. В качестве основного коммутационного устройства во всех типах микропроцессоров они используются в смартфонах, цифровых камерах, электронных играх и системах спутниковой навигации, а также в настольных и портативных компьютерах. Обычно современный микропроцессор содержит сотни миллионов транзисторов, хотя в самых передовых конструкциях количество транзисторов превышает 2 миллиарда.

Что такое транзистор? Как работает транзистор?

Транзистор — одно из двух важнейших изобретений прошлого века. Другое дело, конечно же, кресло. Появление транзистора стимулировало то, что сейчас называют электронной революцией. Без изобретения транзистора не существовало бы большинства электронных устройств, от которых вы так безнадежно зависите. Самые незаменимые технологические чудеса современности основаны на транзисторах — персональные компьютеры, телевизоры, смартфоны, планшеты, фаблеты, ноутбуки, маршрутизаторы и массажеры для ног.Наполненные миллиардами транзисторов, транзисторы для электронных устройств являются тем же, чем клетки для наших тел. Но как прибору тоньше человеческого волоса удается поднимать на свои слабые плечи целые отрасли промышленности?


Рекомендуемое видео для вас:


Полупроводники

Сначала мы должны узнать, из чего сделаны транзисторы. Знание его анатомии позволит нам с большей легкостью понять его работу. Полупроводники в основном являются амбивертами материального мира.Они не слишком общительны, когда дело доходит до дружбы с электронами, как проводники, и при этом они не сдержанны и не реагируют на них, как интроверты-изоляторы. Их проводимость находится между проводниками и изоляторами. Наиболее распространенными полупроводниками являются кремний и германий.

Полупроводники проводят ток только при нагревании до более высоких температур. Тепловая энергия преодолевает слабую энергию, которая слабо связывает электроны с их атомами, тем самым освобождая их и тем самым делая материал проводящим.Однако более удобной альтернативой является изменение атомной структуры материала и повышение его проводимости путем введения в него примесей — процесс, известный как легирование. Эти материалы только -полу-проводят, потому что объем высвобождаемых электронов намного меньше объема свободных электронов, роящихся на поверхности проводников.

Частичная проводимость, однако, делает его выходной ток уязвимым для манипулирования или «управления». Там, где электроны выбрасываются из проводника в огромных объемах, как вода стекает по плотине, электроны в полупроводнике ведут себя скорее как вода, вытекающая из крана. Кран можно затягивать или ослаблять, чтобы регулировать количество протекающей через него воды. Это и есть принцип работы транзистора.

Что такое транзистор?

Продолжим аналогию с краном. Работа крана состоит из трех частей: резервуара для воды, трубы, через которую выходит вода, и ручки, которая позволяет нам контролировать выходящий объем. Точно так же транзистор формируется путем склеивания трех полупроводников: резервуара для электронов, заполненного чрезмерным легированием, трубки с умеренным легированием и ручки, на которой, как можно разумно заключить, вообще нет электронов.Ток из резервуара протекает по трубе при вращении рукоятки. Степень вращения определяет величину тока, протекающего по трубе. Здесь вращение означало бы подачу на ручку небольшого напряжения или тока.

(Фото: Inductiveload/Wikimedia Commons)

Транзисторы в основном можно разделить на две категории: переходные транзисторы и полевые транзисторы. Резервуар, патрубок и ручка в переходе транзисторов называются соответственно эмиттером, коллектором и базой. Коллектор обозначается «n+», подчеркивая избыток отрицательно заряженных частиц (электронов). Точно так же эмиттер обозначается «n», что указывает на умеренную плотность электронов, тогда как основание обозначается «p», что указывает на отсутствие электронов или избыток 90 703 положительно заряженных частиц, называемых дырками. Термин соединение относится к соединениям, образованным между этими тремя блоками.

С другой стороны полевые транзисторы устроены совсем иначе.Он состоит не из трех, а из двух слоев, наложенных друг на друга. Электроны проходят через внутренние органы одного слоя, называемого каналом, а другой слой, называемый воротами, выполняет функцию ручки. Напряжение затвора контролирует силу тока, протекающего через канал. Различная архитектура придает ему совершенно разные резистивные свойства, но основная функция двух категорий транзисторов по существу одинакова — управлять сильным током при слабом напряжении.

Существуют две основные функции, которые может выполнять транзистор. Он может действовать как переключатель или как усилитель. Действуя как переключатель, кран позволяет току течь по своей трубе только тогда, когда на его ручку подается определенное напряжение. При подаче напряжения ниже этого порога кран подавляет любой ток, который может протекать через него. Так генерируются двоичные числа. Каждый бит «1» или «0» — это либо открытый кран, величина тока которого стандартизирована как «1», либо закрытый кран, что переводится как «0».Затем последовательность битов обрабатывается микропроцессором для выполнения множества операций.

Биты «0» и «1» в соответствии с нашей аналогией с краном.

Согласно закону Мура, количество транзисторов в микропроцессоре должно удваиваться каждый год. При создании процессоров изначально на них был наклеен миллион транзисторов, и теперь это число, в соответствии с законом Мура, выросло до триллионов! Этот невероятный подвиг был бы невозможен, если бы полупроводники не продемонстрировали склонность к столь легкому масштабированию. Их невероятная масштабируемость позволила нам сжать компьютер, телефон, радиоприемник, GPS, игровую консоль и многое другое в одном устройстве — устройстве, на котором вы, вероятно, читаете это прямо сейчас.

Невероятная масштабируемость полупроводников позволила нам сжать компьютер, телефон, радио, GPS, игровую приставку и множество других инструментов в одном устройстве — смартфоне. (Фото предоставлено GaudiLab/Fotolia)

При работе в качестве усилителя он потребляет большой ток из резервуара по мере постепенного отпускания рукоятки, так что небольшой ток контролирует большой ток — выходной ток напрямую пропорциональна входному току.Усилители часто используются в залах, где микрофоны усиливают голос говорящего. Усилители повсеместно используются в коммуникационных технологиях, где сигналы, ставшие слабыми из-за перемещения на большие расстояния, постоянно улавливаются и усиливаются для обеспечения их целостности. Щелкните здесь, чтобы узнать больше о полупроводниках и найти изящное визуальное объяснение того, как работают транзисторы, пока я наслаждаюсь массажем ног, сгорбившись в кресле, небрежно просматривая  Как перестать быть ленивым.

фактов о транзисторах для детей

Несколько типов транзисторов в индивидуальной упаковке

Транзистор — это электронный компонент, который можно использовать как часть усилителя или как переключатель.Он изготовлен из полупроводникового материала. Транзисторы можно найти в большинстве электронных устройств. Транзистор был большим достижением после триодной лампы, поскольку он потреблял гораздо меньше электроэнергии и работал на много лет дольше, чтобы переключать или усиливать другой электронный ток.

Транзистор можно использовать для самых разных целей, включая усилители и цифровые переключатели для компьютерных микропроцессоров. В цифровой работе в основном используются МОП-транзисторы. Некоторые транзисторы упакованы в индивидуальную упаковку, в основном для того, чтобы они могли работать с большой мощностью.Большинство транзисторов находятся внутри интегральных схем.

Как они работают

Когда на центральный контакт подается питание, мощность может течь.

Транзисторы имеют три вывода: затвор, сток и исток (у биполярного транзистора провода можно назвать эмиттером, коллектором и базой). Когда исток (или эмиттер) подключен к отрицательной клемме батареи, а сток (или коллектор) к положительной клемме, в цепи не будет протекать электричество (если у вас последовательно с транзистором включена только лампа).Но когда вы касаетесь затвора и стока вместе, транзистор пропускает электричество. Это связано с тем, что когда затвор заряжен положительно, положительные электроны будут толкать другие положительные электроны в транзисторе, пропуская отрицательные электроны. Транзистор также может работать, когда затвор просто заряжен положительно, поэтому он не должен касаться стока.

Визуализация

Простой способ представить, как работает транзистор, — это шланг с резким изгибом, который не позволяет воде проходить через него.Вода — это электроны, и когда вы положительно заряжаете ворота, они разгибают шланг, позволяя воде течь.

Условное обозначение транзистора Дарлингтона. «В» — база, «С» — коллектор, «Е» — эмиттер.

Базовая схема транзистора Дарлингтона состоит из двух биполярных транзисторов, соединенных эмиттером с базой, поэтому они действуют как один транзистор. Один из транзисторов подключен так, что он управляет током на базе другого транзистора.Это означает, что вы можете контролировать то же самое количество тока с очень небольшим количеством тока, поступающего в базу.

Использование

Когда затвор P-канального полевого МОП-транзистора заряжен положительно, через него будет протекать электричество. Это полезно для электроники, которая требует включения переключателя, что делает его электронным переключателем. Это конкурирует с механическим переключателем, который требует постоянного нажатия на него.

В полевом МОП-транзисторе, используемом в качестве усилителя, транзисторы принимают ток стока и истока, и, поскольку ток истока намного больше, чем ток стока, обычно ток стока возрастает до значения истоков, усиливая Это.

Материалы

Транзисторы изготовлены из полупроводниковых химических элементов, обычно из кремния, который относится к современной группе 14 (ранее группа IV) в периодической таблице элементов. Германий, еще один элемент группы 14, используется вместе с кремнием в специализированных транзисторах. Исследователи также изучают транзисторы, изготовленные из особых форм углерода. Транзисторы также могут быть изготовлены из таких соединений, как арсенид галлия.

История

Транзистор не был первым трехвыводным устройством.Триод служил той же цели, что и транзистор 50 лет назад. Вакуумные лампы были важны в бытовой технике до транзисторов. К сожалению, лампы были большими и хрупкими, потребляли много энергии и недолговечны. Транзистор решил эти проблемы.

Изобретение транзистора в 1947 году приписывают трем физикам: Уолтеру Х. Браттейну, Джону Бардину и Уильяму Шокли, которые внесли наибольший вклад.

Важность

Транзистор сегодня является очень важным компонентом. Если бы не транзистор, такие устройства, как сотовые телефоны и компьютеры, были бы совсем другими, а возможно, их вообще не было бы изобретено. Транзисторы сделаны очень маленькими (десятки атомов шириной), так что миллиарды их могут быть помещены в небольшой компьютерный чип.

Галерея

  • Периодическая таблица элементов

  • Реплика первого транзистора

  • Изобретатели транзистора

Картинки для детей

  • Ассорти из дискретных транзисторов.Пакеты по порядку сверху вниз: ТО-3, ТО-126, ТО-92, СОТ-23.

  • Юлиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора в 1925 году.

  • Герберт Матаре в 1950 году. Он независимо изобрел точечный транзистор в июне 1948 года.

  • Транзистор с поверхностным барьером Philco, разработанный и произведенный в 1953 г.

  • Транзистор Дарлингтона открылся, поэтому внутри можно увидеть настоящую микросхему транзистора (маленький квадрат).

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.