Устройство и принцип работы транзистора: Принцип работы транзистора. Для чего нужны транзисторы и как они работают

Полевой транзистор принцип работы для чайников

Транзисторами (transistors, англ.) называют полупроводниковые триоды у которых расположено три выхода. Их основным свойством является возможность посредством сравнительно низких входных сигналов осуществлять управление высоким током на выходах цепи.

Для радиодеталей, которые используются в современных сложных электроприборах, применяются полевые транзисторы. Благодаря свойствам этих элементов выполняется включение или выключение тока в электрических цепях печатных плат, или его усиление.

Что представляет собой полевой транзистор

Полевые транзисторы — это трех или четырех контактные устройства, в которых ток, идущий на два контакта может регулироваться посредством напряжения электрополя третьего контакта. на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. В результате этого подобные транзисторы называются полевыми.

Название расположенных на устройстве контактов и их функции:

• Истоки – контакты с входящим электрическим током, которые находится на участке n;
• Стоки – контакты с исходящим, обработанным током, которые находятся на участке n;
• Затворы – контакты, находящиеся на участке р, посредством изменения напряжения на котором, выполняется регулировка пропускной способности на устройстве.

Полевые транзисторы с n-p переходами – особые виды, позволяющие управлять током. От простых они, как правило, отличаются тем, через них протекает ток, без пересечения участка р-n переходов, участка который образуется на границах этих двух зон. Размеры р-n участка являются регулируемыми.

Что это такое

Полевой транзистор — это радиоэлемент полупроводникового типа. Он используется для усиления электросигнала. В любом цифровом приборе схема с полевым транзистором исполняет роль ключа, который управляет переключением логических элементов прибора. В этом случае использование ПТ является очень выгодным решением проблемы с точки зрения уменьшения размеров устройства и платы. Обусловлено это тем, что цепь управления радиокомпонентами требует не очень большой мощности, а значит, что на одном кристалле могут располагаться тысячи и десятки тысяч транзисторов.

Схема подключения электротранзистора полевого типа

Материалами, из которых делают полупроводниковые элементы и транзисторы в том числе, являются:

• Фосфид индия;
• Нитрид галлия;
• Арсенид галлия;
• Карбид кремния.

График области насыщения электротранзистора
Важно! Полевые транзисторы также называют униполярными, так как при протекания через них электротока используется только один вид носителей.

Виды полевых транзисторов

Полевой транзистор с n-р переходами подразделяется на несколько классов в зависимости:

1. От типа каналов проводников: n или р. Каналы воздействую на знаки, полярности, сигналы управления. Они должны быть противоположны по знакам n-участку.
2. От структуры приборов: диффузных, сплавных по р -n — переходам, с затворами Шоттки, тонкопленочными.
3. От общего числа контактов: могут быть трех или четырех контактными. Для четырех контактных приборов, подложки также являются затворами.
4. От используемых материалов: германия, кремния, арсенид галлия.

В свою очередь разделение классов происходит в зависимости от принципа работы транзистора:

• устройства под управлениями р-n переходов;
• устройства с изолированными затворами или с барьерами Шоттки.

Типы МОП-транзисторов

Униполярные транзисторы делятся на p-канальные или n-канальные. Они могут иметь:

Собственный (встроенный) канал. Без напряжения канал открыт. Для закрытия канала необходимо подать ток определенной полярности.

Индуцированный (инверсный) канал. При отсутствии приложенного электротока он закрыт. Для его открытия прикладывают напряжение нужной полярности. Для n-канальных транзисторов отпирающим является напряжение, положительное относительно истока. Его величина должна быть больше порогового значения, установленного для данного транзистора. Для p-канальных моделей отпирающим будет отрицательное относительно истока напряжение, приложенное к затвору.

Принцип работы полевого транзистора

Говоря простыми словами о том, как работает полевой транзистор для чайников с управляющими p-n переходами, стоит отметить: радиодетали состоят из двух участков: p-переходов и n-переходов. По участку n проходит электроток. Участок р является перекрывающей зоной, неким вентилем. Если оказывать определенное давление на нее, то она будет перекрывать участок и препятствовать прохождению тока. Либо, же наоборот, при снижении давления количество проходящего тока возрастет. В результате такого давления осуществляется увеличение напряжения на контактах затворов, находящихся на участке р.

Приборы с управляющими p-n канальными переходами — это полупроводниковые пластины, имеющие электропроводность с одним из данных типов. К торцевым сторонам пластин выполняется подсоединение контактов: стока и истока, в середину — контакты затвора. Принцип работы прибора основан на изменении пространственных толщин p-n переходов. Так как в запирающих областях практически отсутствуют подвижные носители заряда, их проводимость равняется нулю. В полупроводниковых пластинах, на участках которых не воздействует запирающий слой, создаются проводящие ток каналы. Если подается отрицательное напряжение в отношении истока, на затворе образуется поток, через который протекают носителя заряда.

Для изолированных затворов, характерно расположение на них тонкого слоя диэлектрика. Такое устройство работает по принципу электрических полей. Для его разрушения понадобится всего лишь небольшое электричество. В связи с этим, чтобы предотвратить статическое напряжение, которое может превышать 1000 В, необходимо создание специальных корпусов для приборов, которые минимизируют эффект от воздействия вирусных типов электричества.

МДП-транзисторы

В МДП-структурах затвор надежно изолирован от канала, управление происходит полностью за счет воздействия поля. Изоляция ведётся за счет оксида кремния или нитрида. Именно эти покрытия проще нанести на поверхности кристалла. Примечательно, что в этом случае также имеются переходы металл-полупроводник в районе истока и стока, как и в любом полярном транзисторе. Об этом факте забывают многие авторы, либо упоминают вскользь путем применения загадочного словосочетания омические контакты.

В теме про диод Шоттки поднимался этот вопрос. Не всегда на стыке металла и полупроводника возникает барьер. В некоторых случаях контакт омический. Это зависит по большей части от особенностей технологической обработки и геометрических размеров. Технические характеристики реальных приборов сильно зависят от различных дефектов оксидного (нитридного) слоя. Вот некоторые:

1. Несовершенство кристаллической решетки в поверхностной области обусловлено разорванными связями на границе смены материалов. Влияние оказывают как свободные атомы полупроводника, там и примесей наподобие кислорода, который имеется в любом случае. Например, при использовании методов эпитаксии. В результате появляются энергетические уровни, лежащие в глубине запрещенной зоны.
2. На границе оксида и полупроводника (толщиной 3 нм) образуется избыточный заряд, природа которого на сегодняшний день еще не объяснена. Предположительно, роль играют положительные свободные места (дырки) дефектных атомов самого полупроводника и кислорода.
3. Дрейф ионизированных атомов натрия, калия и других щелочных металлов происходит при низких напряжениях на электроде. Это увеличивает заряд, скопившийся на границе слоев. Для блокировки этого эффекта в оксиде кремния используют окись фосфора (ангидрид).

Объемный положительный заряд в оксиде влияет на значение порогового напряжения, при котором отпирается канал. Параметр обусловливает скорость переключения и определяет ток утечки (ниже порога). Вдобавок, на срабатывание влияют материал затвора, толщина оксидного слоя, концентрация примесей. Таким образом, результат опять сводится к технологии. Чтобы получить заданный режим, подбирают материалы, геометрические размеры, процесс изготовления с пониженными температурами. Отдельные приемы позволят также уменьшить количество дефектов, что благоприятно сказывается на снижении паразитного заряда.

Для чего нужен полевой транзистор

При рассмотрении работы сложных видов электротехники, стоит рассмотреть работу такого важного компонента интегральной схемы, как полевой транзистор. Основная задача от использования данного элемента заключается в пяти ключевых направлениях, в связи с чем транзистор применяется для:

1. Усиления высокой частоты.
2. Усиления низкой частоты.
3. Модуляции.
4. Усиления постоянного тока.
5. Ключевых устройств (выключателей).

В качестве простого примера работа транзистора-выключателя, может быть представлена как микрофон и лампочка в одной компановке. Благодаря микрофону улавливаются звуковые колебания, что влияет на появление электрического тока, поступающего на участок запертого устройства. Присутствие тока влияет на включение устройства и включение электрической цепи, к которой подключаются лампочки. Последние загораются после того как микрофон уловил звук, но горят они за счет источников питания не связанных с микрофоном и более мощных.

Модуляцию применяют с целью управления информационными сигналами. Сигналы управляют частотами колебаний. Модуляцию применяют для качественных звуковых радиосигналов, для передачи звуковых частот в телевизионные передачи, для трансляции цветовых изображений и телевизионных сигналов с высоким качеством. Модуляцию применяют повсеместно, где нужно проводить работу с высококачественными материалами.

Как усилители полевые транзисторы в упрощенном виде работают по такому принципу: графически любые сигналы, в частности, звукового ряда, могут быть представлены как ломаная линия, где ее длиной является временной промежуток, а высотой изломов – звуковая частотность. Чтобы усилить звук к радиодетали подается поток мощного напряжения, приобретаемого нужную частотность, но с более большим значением, из-за подачи слабых сигналов на управляющие контакты. Иначе говоря, благодаря устройству происходит пропорциональная перерисовка изначальной линии, но с более высоким пиковым значением.

Отличие униполярных транзисторов от биполярных

МОП-транзистор управляется электрополем, которое создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность прилагаемого напряжения определяется видом канала транзистора (p или n). В отличие униполярных биполярные транзисторы управляются электрическим током. Ток во всех типах этих полупроводников формируется двумя типами зарядов – электронами и дырками.

Полевые (униполярные) транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами в низкочастотном диапазоне. Это свойство обеспечивает их эффективную работу в звукоусилительных устройствах. MOSFET применяют в микросхемах низкочастотных усилителей в автомобильных проигрывателях.

Как применять полевой транзистор для чайников

Первыми приборами, которые поступили на рынок для реализации, и в которых были использованы полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, были слуховые аппараты. Их изобретение состоялось еще в пятидесятые годы XX века. В более крупным масштабах они применялись, как элементы для телефонных станций.

В наше время, применение подобных устройств можно увидеть во многих видах электротехники. При наличии маленьких размеров и большому перечню характеристик, полевые транзисторы встречаются в кухонных приборах (тостерах, чайниках, микроволновках), в устройстве компьютерной, аудио и видео техники и прочих электроприборах. Они используются для сигнализационных систем охраны пожарной безопасности.

На промышленных предприятиях транзисторное оборудование применяют для регуляции мощности на станках. В сфере транспорта их устанавливают в поезда и локомотивы, в системы впрыскивания топлива на личных авто. В жилищно-коммунальной сфере транзисторы позволяют следить за диспетчеризацией и системами управления уличного освещения.

Также самая востребованная область, в которой применяются транзисторы – изготовление комплектующих, используемых в процессорах. Устройство каждого процессора предусматривает множественные миниатюрные радиодетали, которые при повышении частоты более чем на 1,5 ГГц, нуждаются в усиленном потреблении энергии. В связи с этими разработчики процессорной техники решил создавать многоядерные оборудования, а не увеличивать тактовую частоту.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

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

Полупроводники.

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

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

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

Односторонняя проводимость.

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

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

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

Связь между напряжением и концентрацией примесей можно выразить формулой:

φ= VT * ln (Nn * Np)/n2i, где

VT – величина термодинамического напряжения, Nn и Np – концентрация соответственно электронов и дырок, а ni обозначает собственную концентрацию.

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

От диода к транзистору.

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

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

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

Рис. 7. Принцип работы триода

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

Устройство может работать и в усилительном режиме.

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

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

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

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

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

Схемы включения биполярного транзистора

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

Рис. 8. Схемы подключения биполярных транзисторов

Для усилителей с общей базой характерно:

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

Схемы с общим эмиттером обладают:

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

При таком подключении достаточно одного источника питания.

Схема подключения по принципу «общий коллектор» обеспечивает:

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

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

Использование полевых транзисторов благодаря их универсальным характеристикам позволило обойти другие виды транзисторов. Они широко применяются для интегральной схемы в качестве выключателя.

Достоинства:

• каскады детали расходуют малое количество энергии;
• показатели усиления превышают, значения других аналогичных устройств;
• достижение высокой помехоустойчивости осуществляется за счет того, что отсутствует ток в затворе;
• обладают более высокой скоростью включения и выключения, работают с недоступными для других транзисторов частотами.

Недостатки:

• менее устойчивы к высоким температурам, которые приводят к разрушению;
• на частотах более 1,5 ГГц, количество потребляемой энергии стремительно увеличивается;
• чувствительны к статическим видам электричества.

Благодаря характеристикам, которыми обладают полупроводниковые материалы, взятые в качестве основы для полевого транзистора, позволяют использовать устройство в бытовой и производственной сфере. Полевыми транзисторами оснащается различная бытовая техника, которая используется современным человеком.

Что такое транзистор?

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

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

Устройство

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

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

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

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

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

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

Рис. 1. Строение транзисторов

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

Базовый принцип работы

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

На рисунке 2 показана схема, объясняющая принцип работы триода.

Рис. 2. Принцип работы

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

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

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

Рис. 3. Триод в режиме ключа

Обозначение на схемах

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

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

Рис. 4. Пример схемы УНЧ на триодах

Однопереходные транзисторы

Существуют так называемые Однопереходные транзисторы, второе, менее распространённое название — Двухбазовый диод. Ниже приведены схематическое изображение и фото однопереходных транзисторов.

Схематическое изображение однопереходных транзисторов

Применяются однопереходные транзисторы, в устройствах автоматики и импульсной технике. А также находят применение в измерительных устройствах. Автор статьи —
AKV.
Форум по радиоэлементам

Транзистор. Схема, демонстрирующая принцип работы транзистора. Типы, параметры и характеристики транзисторов, маркировка

Похожие презентации:

3D печать и 3D принтер

Видеокарта. Виды видеокарт

Анализ компании Apple

Трансформаторы тока и напряжения

Транзисторы

Устройство стиральной машины LG. Электрика

Конструкции распределительных устройств. (Лекция 15)

Электробезопасность. Правила технической эксплуатации электроустановок

Магнитные пускатели и контакторы

Работа на радиостанциях КВ и УКВ диапазонов. Антенны военных радиостанций. (Тема 5.1)

Транзистор
1.Биполярный транзистор.
2.Как работает транзистор.
3.Схема, демонстрирующая
принцип работы транзистора.
4.Типы, параметры и
характеристики транзисторов,
маркировка
Транзистор
полупровниковый
электронный
прибор, относящийся к категории
активных электронных компонентов.
В зависимости от расположения

полупроводниковых
слоев,
транзисторы подразделяют на два
основных типа – NPN-транзисторы и
PNP-транзисторы.
Электроды
обычного
биполярного
транзистора называются базой, эмиттером и
коллектором.
Коллектор
и
эмиттер
составляют основную цепь электрического
тока в транзисторе, а база предназначается
для управления величиной тока в этой цепи.
На условном обозначении транзистора
стрелка эмиттерного вывода показывает
направление тока.
Как работает транзистор
Базовая цепь транзистора
управляет током, протекающим в

цепи коллектор-эмиттер.
Изменяя в небольших пределах
малое напряжение, поданное на
базу, можно в достаточно широких
пределах изменять ток в цепи
коллектор-эмиттер.
Принцип работы биполярного
транзистора со структурой NPN.
Ток, поданный на базу, открывает
транзистор и обеспечивает
протекание тока в цепи коллекторэмиттер.
С помощью малого тока,
поданного на базу, можно
управлять током большой
мощности, идущим от коллектора
к эмиттеру.
Транзисторы
различной
мощности
Схема, демонстрирующая принцип
работы транзистора
Типы, маркировка, параметры и
характеристики транзисторов
Транзистор выступает основным
компонентом любой электрической
схемы. Он является своего рода
усилительным ключом. В основе этого
полупроводникового прибора находится
кремниевый или германиевый кристалл.
Транзисторы бывают однополярными и
двухполярными : полевыми и
биполярными.
По типу проводимости они встречаются
двух видов – прямые и обратные
Производители
транзисторов применяют два
основных типа шифрования – это
цветовая и кодовая маркировки.
Однако ни один, ни другой не
имеют единых стандартов.
Каждый завод, производящий
полупроводниковые приборы
(транзисторы, диоды,
стабилитроны и т. д.), принимает
свои кодовые и цветовые
обозначения
Маркировка полевых транзисторов
ничем не отличается от меток на
других приборах.
Спасибо за внимание!
Янина Елизавета Вадимовна
ГБПОУ МО Балашихинский Техникум (ПУ 47/36)

English     Русский Правила

Introduction to Transistors [Analog Devices Wiki]

Эта версия (03 января 2018 г., 19:37) была одобрена Дугом Мерсером. Доступна ранее одобренная версия (19 сентября 2016 г., 19:33).

Содержание

• Знакомство с транзисторами

  • Введение

  • Объектив

  • Материалы и аппаратура

  • Процедура

  • Теория

  • Наблюдения и выводы

Введение

Транзисторы представляют собой, по большей части, простейшие типы активных элементов схемы, способных увеличивать или усиливать

мощность электрических сигналов. Они делают это путем передачи мощности, обычно получаемой от источника постоянного тока, на сигнал. Работу многих схем транзисторных усилителей можно точно описать как модуляцию мощности, получаемой от источника питания, входным сигналом с более низкой мощностью таким образом, чтобы создать выходной сигнал, который является копией входного сигнала с более высокой мощностью.

Работа транзистора основана на pn-переходах , которые образуются путем легирования кремния примесными атомами, которые обеспечивают либо избыток, либо недостаток электронов в ковалентных связях атомов в кристаллической структуре полупроводника. Кремний образует кристаллическую структуру, в которой каждый атом делит четыре электрона со своим соседом, образуя ковалентные связи. Эти четыре электрона находятся во внешней оболочке каждого атома и называются

валентными электронами и образуют связи. Легирование вводит в кристаллическую структуру атомы с тремя или пятью валентными электронами, и эти атомы образуют связи с атомами кремния, у которых либо отсутствует один электрон, либо есть один дополнительный электрон.

Атомы с тремя валентными электронами называются трехвалентный , а те, у которых пять валентных электронов, называются пятивалентными . Когда вводятся трехвалентные атомы, в связях отсутствует один электрон, а когда вводятся пятивалентные атомы, связи имеют один дополнительный электрон, который может свободно перемещаться от одного атома к другому, создавая электрический ток. Недостающие электроны называются дырками в связях, которые могут перемещаться от атома к атому и тем самым производить электрический ток. Свободные электроны и дырки называются перевозчики . Кремний, легированный трехвалентными атомами, называется типом p из-за того, что его концентрация дырок выше, чем концентрация электронов, а кремний, легированный пятивалентными атомами, называется типом n из-за того, что его концентрация электронов выше, чем его концентрация дырок. концентрация. При легировании кремния p-n-переход образуется таким образом, что p-материал и n-материал формируются непосредственно рядом друг с другом с очень резкой границей между ними. Как только соединение сформировано, некоторые из свободных электронов немедленно диффундируют из n-материала, чтобы заполнить дыры в p-материале в процессе, называемом рекомбинация . Рекомбинация создает электрический потенциал между p- и n-областями на стыке, потому что диффундирующие электроны производят отрицательные ионы в p-материале и оставляют положительные ионы в n-материале. Этот потенциал заложен во всех p-n-переходах.

Транзисторы можно разделить на две широкие категории: транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET). BJT, как правило, представляют собой транзисторы с тремя выводами, которые имеют одну из двух схем p-n-переходов: NPN и PNP. Эти названия получены из соединений, которые составляют транзисторы. Как видно из названия, NPN-транзистор состоит из двух p-n-переходов с p-материалом, зажатых между двумя областями из n-материала. Точно так же PNP-транзистор состоит из двух p-n переходов с n-материалом, зажатых между двумя областями p-материала.

И дырки, и электроны функционируют как носители в BJT (отсюда и происходит термин «биполярный»), и каждый материал имеет большинства носителей и меньшинства носителей. Основные носители переносят ток, который используется для сигнала, и, как и следовало ожидать, основными носителями в транзисторах PNP являются дырки, а основными носителями в транзисторах NPN являются электроны. Материал, зажатый в середине каждого из этих транзисторов, называется base и очень тонкий по сравнению с окружающим материалом. Один конец транзистора называется коллектором , а другой — 9.0003 эмиттер . Небольшой ток, вводимый в базу, i _B , пропорционально регулирует или модулирует гораздо больший ток, протекающий через коллектор, i _C . Константа пропорциональности определяется как коэффициент усиления по току, β, такой, что i _C = βi _B . По закону тока Кирхгофа ток эмиттера i _E равен i _B плюс i _C , или i _E = (1/β)i _C + βi _C .

Факторинг i _C , получаем i _E = i _C (1 + 1/β). Коэффициент усиления по току часто равен 100 и более, поэтому коэффициент (1 + 1/β) может быть аппроксимирован как 1 с ошибкой менее 1%. Если мы сделаем это, то получим i _E ≈ i _C . Это означает, что базовый ток часто достаточно мал, чтобы им можно было пренебречь. Много раз при разработке с биполярными транзисторами ток базы игнорируется, а токи коллектора и эмиттера приблизительно равны друг другу.

Полевые транзисторы также обычно представляют собой трехвыводные транзисторы и доступны в большем количестве вариантов, чем биполярные транзисторы. Общей чертой полевых транзисторов является то, что ток, протекающий через 9Канал 0003

, представляющий собой область материала p- или n-типа, управляется или модулируется приложенным электрическим полем. Часть транзистора, которая обеспечивает поле, должна быть изолирована от канала, и метод изоляции делится на две основные категории: изоляция, обеспечиваемая p-n-переходами с обратным смещением, и изоляция, обеспечиваемая электроизоляционным материалом. Устройства, в которых используется изоляция перехода с обратным смещением, называются Junction FET или JFET, а устройства, в которых используются изоляционные материалы, называются Metal-Oxide Semiconductor FETS или MOSFET. JFET доступны с каналами, изготовленными из p-материала и n-материала, поэтому у нас есть p-канальные JFET и n-канальные JFET. Все JFET работают в режим истощения , который описывает, как контролируется ток канала. Без приложенного поля канал имеет равномерно распределенные носители и действует как проводник с низким сопротивлением. Приложенное электрическое поле создает обедненную область , в которой носители не текут, тем самым уменьшая ток канала. Таким образом, электрическое поле можно использовать для управления током в канале. Связь между приложенным напряжением, создающим электрическое поле, и током в канале называется крутизна g _m , и значительно варьируется в пределах допустимого диапазона приложенного напряжения. Клемма, на которой ток канала входит в JFET, называется стоком , а клемма, на которой ток выходит из канала, называется истоком . Напряжение, создающее электрическое поле, прикладывается к затвору и клеммам истока. Для n-канального JFET затвор состоит из p-материала, образующего p-n-переход, на который подается напряжение затвора. Этот переход затвор-исток равен 9.0003 всегда обратное смещение или смещение при нулевом напряжении; он никогда не должен быть смещен вперед. Существует еще больше типов МОП-транзисторов, включая режимы работы расширения и истощения, каждый из которых имеет p-канал и n-канал. Электроны обладают более высокой подвижностью, чем дырки, а это означает, что им легче двигаться под воздействием электрического поля, и они являются носителями в n-канальных JFET и основными носителями в NPN BJT. Желательна высокая мобильность, и это одна из причин, по которой NPN BJT и n-канальные JFET иногда предпочтительнее своих аналогов.

Мы начнем с BJT в этой лаборатории и перейдем к FET в последующих лабораториях.

Объектив

Изучить основные принципы работы BJT. Наблюдение за характеристикой тока коллектора в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер NPN-транзистора для различных токов базы. Для расчета приблизительного коэффициента усиления по току β транзистора NPN с использованием наблюдаемых характеристик. После завершения этой лабораторной работы вы должны быть в состоянии объяснить основную работу биполярных транзисторов, объяснить, что такое насыщение и активная область работы для биполярных транзисторов, указать типичное напряжение база-эмиттер для биполярного транзистора, работающего в его прямой активной области, описать, что характеристики тока коллектора в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер выглядят так же, как для биполярных транзисторов, рассчитайте приблизительный коэффициент усиления по току биполярного транзистора и дайте базовое описание того, как ранний эффект влияет на характеристики тока коллектора в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер БЮТ.

Материалы и оборудование

• Раздаточный лист технических данных транзистора 2N3904 NPN

• Компьютер с установленным ПО PixelPulse

• Analog Devices ADALM1000 (M1K)

• Непаянная макетная плата и перемычки из комплекта аналоговых деталей ADALP2000

• (1) Транзистор 2N3904 NPN из набора аналоговых деталей ADALP2000

• (4) Резистор 200 кОм из набора аналоговых деталей ADALP2000

Процедура

1. Соберите следующую схему на макетной плате без пайки. Схема должна быть построена таким образом, чтобы можно было добавить еще три резистора параллельно R _B

2. На приведенном ниже рисунке показан один из способов установки компонентов на макетную плату без пайки. Обратите внимание, что перемычки R _B добавлены для облегчения добавления резисторов параллельно резистору 200 кОм 9. 0005

3. Запустите PixelPulse и подключите M1K с помощью прилагаемого кабеля USB

4. Обновить прошивку M1K, если необходимо

5. Настройте M1K для измерения напряжения/тока на канале A

6. Настройка канала Исходная форма сигнала для 20-герцового «треугольного» выхода, который колеблется между 0 В и 5,0 В

7. Включить графики X-Y

8. Масштабируйте ось Y графика X-Y с помощью мыши и правой кнопки мыши так, чтобы измеренный ток находился примерно в диапазоне от 0,000 А до 0,009 А.А (9 мА )

9. Масштабируйте форму сигнала тока с помощью мыши и правой кнопки мыши так, чтобы диапазон тока от 0,000 А до 0,009 А (9 мА ) можно было наблюдать с хорошим разрешением на канале А

10. Масштабируйте форму волны напряжения с помощью мыши и правой кнопки мыши так, чтобы напряжение 0,7 В плюс или минус несколько десятых вольта можно было наблюдать с хорошим разрешением на канале B

11. Обратите внимание на я _C в сравнении с v _CE характеристика транзистора с резистором 200 кОм в базовой цепи

12. Наблюдайте зависимость i _C от времени на канале A и обратите внимание на широкие области, где ток относительно постоянен при изменении v _CE и провалы, когда транзистор работает в области насыщения

13. Измерить и записать ток коллектора в широком диапазоне

14. Проверить напряжение база-эмиттер v _BE примерно как 0,7 V в передней активной области; наблюдать провалы в v _BE при работе транзистора в области насыщения

15. Рассчитайте i _B , сначала определив напряжение на R _B как разность между 2,5 В , подаваемого M1K, и v _BE , что равно 1,8 В , затем по закону Ома определить i _B ≈ (1,8 В )/(200 кОм) = 9мкА.

16. Расчет усиления тока транзистора β = i _C /i _B

17. Добавьте резистор 200 кОм параллельно существующему базовому резистору и повторите предыдущие шесть шагов

18. Добавьте еще два резистора по 200 кОм, по одному, повторяя описанную выше процедуру

19. Обратите внимание, что по мере увеличения тока базы наклон характеристики i _C по сравнению с v _CE увеличивается как проявление раннего эффекта.

20. Если макетная плата была сконструирована, как показано выше, после завершения она должна выглядеть так, как показано ниже

Теория

Идеальный биполярный транзистор будет производить постоянный ток коллектора i _C при всех значениях напряжения коллектор-эмиттер, v _CE . Реальные транзисторы ведут себя близко к идеальному, но их коллекторные токи незначительно изменяются в диапазоне v _CE , используемом в линейном режиме. Этот диапазон называется прямая активная область транзистора, где переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, переход коллектор-база смещен в обратном направлении, а ток коллектора очень близок к постоянному при изменении v _CE . Когда v _CE становится малой и переход коллектор-база смещается в прямом направлении, транзистор входит в свою область насыщения работы. При рассмотрении характеристики i _C по сравнению с v _CE можно выделить область насыщения по крутой положительной зависимости i _C на v _CE для очень низких напряжений v _CE . По мере увеличения v _CE транзистор выходит из области насыщения в прямую активную область, где он наиболее часто используется. Переднюю активную область легко идентифицировать по почти постоянной характеристике i _C по сравнению с v _CE . Мы можем видеть насыщение и активные области вперед, используя функцию графика X-Y в программном обеспечении PixelPulse. Мы также можем заметить, что поведение транзистора не идеально в прямой активной области из-за эффекта Раннего, при котором i _C зависит от v _CE для данного значения базового тока I _B .

Наблюдения и выводы

• BJT работают как усилители тока с коэффициентом усиления по току, определяемым как β

• Для больших β (обычно > 100) мы можем игнорировать ток базы и говорить, что ток эмиттера приблизительно равен току коллектора

• BJT, работающий в его прямой активной области, имеет прямое смещение напряжения база-эмиттер, обратный переход коллектор-база и относительно постоянный ток коллектора при изменении напряжения коллектор-эмиттер

• Когда BJT работает в своей прямой активной области, напряжение база-эмиттер может быть приблизительно равно 0,7 В

• Когда биполярный транзистор работает в области насыщения, его напряжение между коллектором и эмиттером очень мало, и его переход коллектор-база смещен в прямом направлении

• Небольшое отклонение тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером в прямой активной области из-за раннего эффекта

Вернуться к индексу технических открытий

университет/курсы/engineering_discovery/lab_9. txt · Последнее изменение: 03 янв 2018 19:36 автор Doug Mercer .

Что означает название «транзистор»

Транзистор не сразу получил такое привычное название. Первоначально по аналогии с ламповой техникой она называлась полупроводниковый триод . Современное название состоит из двух слов. Первое слово «передача» (тут сразу вспоминается «преобразователь») означает передатчик, преобразователь, носитель. А вторая половина слова напоминает слово «резистор» — деталь электрических цепей, основным свойством которой является электрическое сопротивление.

Именно это сопротивление встречается в законе Ома и многих других формулах электротехники. Следовательно, слово «транзистор» можно трактовать как преобразователь сопротивлений. Примерно так же, как и в гидравлике, изменение расхода жидкости регулируется клапаном. Для транзистора такой «клапан» изменяет количество электрических зарядов, создающих электрический ток. Это изменение есть не что иное, как изменение внутреннего сопротивления полупроводникового прибора.

Усиление электрических сигналов

Наиболее распространенной операцией, которую выполняют транзисторы , является усиление электрических сигналов . Но это не совсем правильное выражение, потому что слабый сигнал с микрофона так и остается.

Усиление требуется также на радио и телевидении: слабый сигнал с миллиардной ваттной антенны необходимо усилить до такой степени, чтобы на экране появился звук или изображение. А это мощность в несколько десятков, а в некоторых случаях и сотен ватт. Поэтому процесс усиления сводится к тому, чтобы с помощью дополнительных источников энергии, получаемых от блока питания, получить мощную копию слабого входного сигнала. Другими словами, маломощный ввод стимулирует мощные энергетические потоки.

Усиление в других областях техники и природы

Такие примеры можно найти не только в электрических цепях. Например, при нажатии на педаль газа скорость автомобиля увеличивается. При этом вам не придется сильно нажимать на педаль газа — в сравнении с мощностью двигателя давление на педаль ничтожно мало. Для уменьшения скорости педаль придется несколько отпустить, чтобы ослабить эффект ввода. В этой ситуации бензин является мощным источником энергии.

Тот же эффект можно наблюдать и в гидравлике: очень мало тратится на открытие электромагнитного клапана, например в станке. А давление масла на поршень механизма может создать усилие в несколько тонн. Это усилие можно регулировать, если в маслопроводе предусмотрен регулируемый вентиль, как в обычном кухонном кране. Чуть прикрылся – давление упало, давление упало. Если открывали больше, то давление усиливалось.

Также не нужно прилагать особых усилий для поворота клапана. При этом насосная станция машины является внешним источником энергии. И подобных влияний в природе и технике великое множество. Но все же нас больше интересует транзистор, так что придется рассматривать дальше…

Усилители сигналов

В большинстве усилительных схем в качестве переменного резистора используются транзисторы или электронные лампы, сопротивление которых изменяется под действием слабого входного сигнала. Этот «переменный резистор» является составной частью цепи постоянного тока, которая получает питание, например, от гальванических элементов или аккумуляторов, поэтому в цепи начинает протекать постоянный ток. Начальное значение этого тока (входного сигнала еще нет) задается при настройке схемы.

Под действием входного сигнала внутреннее сопротивление активного элемента (транзистора или лампы) изменяется во времени с входным сигналом. Поэтому постоянный ток превращается в переменный, создавая на нагрузке мощную копию входного сигнала. Насколько точной будет эта копия, зависит от многих условий, но об этом мы поговорим позже.

Действие входного сигнала очень похоже на упомянутую выше педаль газа или клапан в гидравлической системе. Чтобы понять, что такое затвор в транзисторе, надо рассказать, пусть очень упрощенно, но правдиво и понятно о некоторых процессах в полупроводниках.

Электропроводность и атомная структура

Электрический ток создается за счет движения электронов в проводнике. Чтобы понять, как это происходит, вам придется рассмотреть строение атома. Рассмотрение, конечно, будет максимально упрощенным, даже примитивным, но позволяющим понять суть процесса не более, чем это необходимо для описания работы полупроводников.

В 1913 году датский физик Нильс Бор предложил планетарную модель атома, которая показана на рис. 1.

Рис. 1. Планетарная модель атома

Согласно его теории, атом состоит из ядра, которое, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Протоны являются носителями положительного электрического заряда, а нейтроны электрически нейтральны.

Вокруг ядра электроны вращаются по орбитам, имеющим отрицательный электрический заряд. Количество протонов и электронов в атоме одинаково, а электрический заряд ядра уравновешивается суммарным зарядом электронов. В этом случае говорят, что атом находится в состоянии равновесия или электрически нейтрален, т. е. не несет положительного или отрицательного заряда.

Если атом теряет электрон, то его электрический заряд становится положительным, а сам атом в этом случае становится положительным ионом. Если атом присоединяет к себе чужой электрон, то он называется отрицательным ионом.

На рис. 2 показан фрагмент таблицы Менделеева. Обратим внимание на прямоугольник, в котором находится кремний (Si).

Рисунок 2. Фрагмент таблицы Менделеева

В правом нижнем углу находится столбец чисел. Они показывают, как электроны распределены по орбитам атома — нижняя цифра ближе всего к ядру орбиты. Если внимательно посмотреть на рисунок 1, то можно с уверенностью сказать, что перед нами атом кремния с электронным распределением 2, 8, 4. Рисунок 1 объемный, на нем почти видно, что орбиты электронов сферические, но для дальнейшего рассуждая, можно предположить, что они находятся в одной плоскости, и все электроны бегут по одной и той же дорожке, как показано на рис. 3.9.0005

Рисунок 3

Латинские буквы на рисунке обозначают оболочку. В зависимости от количества электронов в атоме их количество может быть разным, но не более семи: К=2, L=8, М=18, N=32, О=50, Р=72, Q=98. На каждой орбите может находиться определенное количество электронов. Например, на последнем Q их целых 98, можно меньше, не больше. Собственно, с точки зрения нашей истории этим распределением можно пренебречь: нас интересуют только электроны, находящиеся на внешней орбите.

Конечно, на самом деле все электроны вообще не вращаются в одной плоскости: даже 2 электрона, находящихся на орбите с названием К, вращаются по сферическим орбитам, расположенным очень близко. А что уж говорить об орбитах с более высокими уровнями! Там бывает… Но для простоты рассуждений будем считать, что все происходит в одной плоскости, как показано на рисунке 3.

В этом случае даже кристаллическую решетку можно представить в плоском виде, что облегчит понимание материала, хотя на самом деле он намного сложнее. Плоская сетка показана на рисунке 4.9.0005

Рисунок 4

Электроны внешнего слоя называются валентными. Именно они изображены на рисунке (остальные электроны не имеют значения для нашего рассказа).