Как устроен транзистор

Первое, что приходит в голову, когда слышишь подобный вопрос, это рассказать об устройстве транзистора: p-n переходах, их объединении в трехслойную конструкцию и т.д. Физика полупроводников, если подходить к вопросу серьезно, достаточно сложна и требует хотя бы начальных знаний о квантовой физике. И это касается только вопроса методичности изложения, тогда как и сама квантовая физика, как, впрочем, и классическая теория электричества, порою не в состоянии ответить на все возникающие вопросы. В итоге, чаще приходится просить принять что-то на веру после обширных математических выкладок и многочисленных поясняющих рисунков, а это никак не способствует пониманию существа вопроса.

Но действительно ли спрашивающего интересует физика полупроводников? Кого-то, может быть, и интересует, но большая часть вопрошающих, как мне кажется, больше склонна получить ответ на другой вопрос: как осмысленно использовать транзистор в схемах?

Транзистор - один из наиболее употребительных активных элементов электронных схем. В последнее время схемы часто строятся с использованием микросхем, а подход к их созданию требует только знания свойств и функциональных возможностей микросхемы, но следует забывать, что и свойства и функциональные возможности микросхемы обусловлены свойствами скрытых в ней компонент, где транзисторы продолжают играть значительную роль. Так что вопрос о работе транзистора не утратил актуальности. Но с учетом «микросхемного» подхода к созданию устройств рассмотрение свойств и функциональных возможностей транзисторов мне кажется более актуальным, чем физических принципов, лежащих в основе их работы, особенно для любителей.

Чаще всего транзистор используется для усиления сигнала. И хотя сигналы бывают разные, наиболее простые эксперименты можно осуществить с усилением синусоидального сигнала. А Proteus предоставляет все необходимое для этого.

В одном из весьма аргументированных сообщений, встреченных мною на форуме, где обсуждалась работа с Proteus, говорилось, что эта среда разработки предназначена для работы с цифровой техникой и микроконтроллерами, поэтому аналоговые схемы в ней исследовать нет резона. Меня заинтересовало, можно ли рассказать о применении транзисторов с помощью программы Proteus? Попробую это сделать.

Итак. Усиление сигнала можно рассматривать как усиление сигнала по току, усиление по напряжению и усиление по мощности. Усиление сигнала по току у транзистора обусловлено его свойством - ток коллектора и ток базы связаны соотношением Iк = К*Iб . При этом, если ток базы изменяется по какому-то закону, то ток коллектора изменяется по тому же закону, то есть, соотношение выше можно рассматривать для каждого момента времени. Вот, собственно, что я посчитал бы необходимым ответить на вопрос о том, как работает транзистор.

При работе с симметричными сигналами транзистор, как правило, включают так, чтобы напряжение на коллекторе было равно половине напряжения питания. В простейшем случае это достигается подбором резистора в цепи базы.

Рис. 3.1. Задание рабочего режима транзистора

Если в такой схеме менять величину сопротивления R1, что в Proteus достигается щелчком правой клавиши мышки по этому компоненту с последующим выбором из выпадающего меню пункта Edit Properties , открывающего, в свою очередь, диалоговое окно свойств резистора, где и задается величина сопротивления, так вот, если менять R1 то можно получить разное напряжение на коллекторе транзистора.

Однако гораздо полезнее подключить к схеме предыдущего рисунка генератор синусоидального напряжения, используя клавишу Generator Mode (иконка на левой инструментальной панели в виде кружка с синусоидой). Если теперь с помощью клавишиGraph Mode нарисовать график, можно выбратьANALOGUE из представленных возможностей, добавить пробник напряжения, обозначив его метку какoutput , то после настройки графика, в его свойствах я задаю время 10 мС (10m), так как я задал для генератора синусоиды 10 мВ (10m RMS) и частоту 1 кГц (1k), добавить кривую для графика, используя пункт выпадающего менюAdd Traces... , то теперь можно наблюдать выходной сигнал после запуска симуляции в пункте выпадающего менюSimulate Graph при разных значениях сопротивления, чтобы оценить, как влияет выбор рабочей точки на получающийся результат.

Рис. 3.2. Наблюдение синусоидального сигнала на коллекторе транзистора

Зачем на входе транзистора конденсатор? Чтобы сопротивление генератора, а генератор имеет некоторое внутреннее сопротивление, не меняло заданный режим. Конденсатор не пропускает постоянный ток, значит не изменит наших настроек. Можно включать разные источники сигнала, можно менять сопротивление в цепи коллектора, можно наблюдать многое в программе Proteus, и можно проверить, действительно ли между током базы и током коллектора есть соотношение, о котором было сказано в самом начале, и можно проверить, действительно ли ток (ток, а не напряжение, как у меня) коллектора повторяет закон изменения тока базы. Кстати, можно проверить и фазовые соотношения между напряжениями на базе транзистора и напряжением на его коллекторе. Это удобно сделать добавив второй график для сигнала input на рис.3.2.

Я же хочу проделать другие испытания. Если верить рассказам о Proteus, которые я нашел

в Интернете, то работа усилителя не зависит от того, какой транзистор вы используете. Выбирая разные транзисторы из библиотеки компонентов, я хочу посмотреть на амплитудночастотные характеристики получающихся усилителей. Для этой цели я использую ту же схему, добавлю в свой набор некоторое количество транзисторов, затем, меняя транзисторы, посмотрю, действительно ли их АЧХ одинаковы?

Рис. 3.3. Испытания разных транзисторов в Proteus

Для транзистора AC127, как это видно из графика, частота среза примерно 5 МГц. Похоже ли это на правду? Не хочу заниматься расчетами, но если современные транзисторы малой мощности имеют граничную частоту при включении с общей базой порядка 300 МГц, а усиление около 100, то граничная частота должна получиться около 3 МГц.

Когда рассказывают о строении биполярного транзистора, то обязательно упоминают о том, что он имеет две пограничные области на стыке полупроводников разных типов проводимости, очень напоминающие по свойствам заряженные конденсаторы. Этому свойству транзистор обязан своим поведением при усилении сигналов разных частот. Его поведение можно моделировать используя RC цепь. Амплитудно-частотная характеристика интегрирующей RC цепи и однокаскадного усилителя на транзисторе будут обладать одинаковыми свойствами. Можно сравнить графики рис. 1.14 и предыдущего, чтобы увидеть наличие верхней граничной частоты в обоих случаях и спада амплитудно-частотной характеристики со скоростью 20 дБ на декаду. Величина эквивалентного конденсатора зависит от конкретной модели транзистора. Если заменить одну модель транзистора другой, то можно ожидать, что амплитудно-частотная характеристика каскада изменится, если, конечно, у них различается такой параметр, как граничная частота усиления.

Поэтому я хочу заменить транзистор на TIP31.

Рис. 3.4. Амплитудно-частотная характеристика после замены транзистора

Не знаю, как у вас, а у меня верхняя граничная частота «улетела» за 10 МГц. Не уверен я теперь, что Proteus не годится для аналогового симулирования схем. Чтобы развеять свои сомнения я верну транзистор AC127, а в цепь эмиттера включу резистор. Этот резистор, удобнее рассмотреть его работу в схеме рис.3.1, приведет к тому, что напряжение базаэмиттер транзистора изменится. На нем будет падать напряжение, которое нужно вычесть из напряжения между базой и общим проводом, чтобы получить напряжение база-эмиттер. Входным напряжением для транзистора служит именно напряжение база-эмиттер. Таким образом, резистор в цепи эмиттера уменьшает входной сигнал для транзистора. Он, резистор, является резистором обратной связи - мы часть выходного сигнала (а на резисторе в цепи эмиттера в значительной мере сказывается именно выходной сигнал) сложили с учетом фазы со входным сигналом, дополнение «с учетом фазы» в данном случае указывает на то, что обратная связь будет отрицательной. А, насколько я знаю, отрицательная обратная связь должна расширить диапазон рабочих частот каскада усиления, то есть, верхняя граничная частота должна увеличится. Проверим, так ли это?

Рис. 3.5. Амплитудно-частотная характеристика с отрицательной обратной связью

Нисколько я не развеял сомнения, верхняя частота среза каскада вновь оказывается за 10 МГц, как и предписывает ей теория и практика. Видимо профессионалов не устраивает точность моделирования сравнительно с расчетами или практическим выполнением схем, но в любительской практике, если проверять результаты моделирования на макетной плате, программа окажется достойным помощником.

Проведем еще один эксперимент, который отчасти отвечает на вопрос о применимости Proteus к аналоговым схемам, отчасти на вопрос о том, как работает транзистор?

В самом начале я говорил, что ток базы и ток коллектора связаны соотношением, но никак не назвал это соотношение. Коэффициент «К» - это статический коэффициент усиления по току. Можно встретить его в виде Вст и в виде h21 . Это связь между постоянным током базы и коллектора. Но при работе транзистора в схеме нас больше может заинтересовать динамическая связь этих токов. Посмотрим, может ли Proteus помочь нам в этом.

Но предварительно, поскольку мы этого не сделали, найдем этот самый статический коэффициент усиления по току, как отношение постоянного тока коллектора к току базы в выбранном режиме. В схеме рис.3.1 я добавлю два измерителя тока, амперметра, один в цепь базы, другой в цепь коллектора. В свойствах этих амперметров (правый щелчок, в выпадающем меню свойства, затем окошко Display Range ) я заменю тот, что в цепи базы на микроамперметр, а в цепи коллектора на миллиамперметр.

Рис. 3.6. Измерение статического коэффициента усиления по току

Теперь можно разделить 5.67 мА на 22.6 мкА, что даст значение коэффициента, примерно, 250.

Мне хотелось бы проделать нечто подобное со входным и выходным током схемы на рис. 3.4. Токовый пробник к входной цепи добавляется и графика работает, а вот графика, если добавить токовый пробник в коллекторную цепь, работать не хочет. Но это не слишком огорчает меня, поскольку токовый пробник в общей цепи вполне меня устроит, ток в общей цепи - сумма токов базы и коллектора, но ток базы много меньше тока коллектора, так что для ориентировочных расчетов можно взять их сумму.

Можно, конечно, попытаться разобраться, отчего не хочет симулироваться график, если токовый пробник устанавливать в цепь коллектора. К этой проблеме можно вернуться позже, либо не рассматривать это в качестве проблемы до того момента, когда в таком измерении возникнет жестокая необходимость. Пока можно обойтись тем, что есть.

В общем рабочем поле графики немного маловаты, и если это, как мне в данном случае, мешает определить величины, можно выбрать из выпадающего меню после щелчка правой клавиши мышки по графику пункт Maximize (Show Window) , что приведет к появлению окна просмотра с большим графиком.

Рис. 3.7. Токи во входной и выходной цепях усилителя

Самый верхний график показывает напряжение сигнала на коллекторе транзистора. В окне просмотра легко выясняется, что двойная амплитуда сигнала около 8.5 - 3.5 = 5 В. Соответственно амплитуда должна быть 2.5 В. Прав я или нет, но при сопротивлении нагрузки равном 1 кОм ток через это сопротивление должен быть 2.5 мА.

Следующий график показывает токовый сигнал базы транзистора, двойная амплитуда которого 24 мкА, а амплитуда 12 мкА.

Последний график - это общий токовый сигнал, как алгебраическая сумма базового и коллекторного токов, который я, ничтоже сумняшеся, принимаю за выходной ток с амплитудой 2.5 мА. В этом случае усиление по току, как простое отношение выходного тока ко входному, будет около 208. Это близко к статическому коэффициенту усиления по току. Кроме того, зная, что входной сигнал равен 10 мВ (RSM) эффективного значения или 14 мВ амплитудного, а выходной сигнал 2.5 В, можно получить усиление по напряжению около 178. Это значение, выраженное в децибелах, дает величину 45 дБ. Это же значение присутствует на амплитудно-частотной характеристике этой схемы. Расчетное значение усиления по напряжению получается около 200. Пока похоже.

В одном из справочников приводится расчетное значение усиления по напряжению как отношение величины сопротивления в коллекторной и эмиттерной цепи для рис. 3.5. В данном случае это будет 1000/300 = 3.3 или в децибелах 20log(3.3) = 10.4. Это значение присутствует на амплитудно-частотной характеристике.

Что ж, был бы рад сказать, что убедился, с аналоговыми схемами работать нельзя, но не убедился пока. Увы!

Вне зависимости от принципа работы, полупроводниковый транзистор содержит в себе монокристалл из основного полупроводникового материала, чаще всего это - кремний, германий, арсенид галлия. В основной материал добавлены, легирующие добавки для формирования p-n перехода(переходов), металлические выводы.

Кристалл помещается в металлический, пластиковый или керамический корпус, для защиты от внешних воздействий. Однако, существуют также и бескорпусные транзисторы.

Принцип работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор может быть либо p-n-p, либо n-p-n в зависимости от чередования слоев полупроводника в кристалле. В любом случае выводы называются - база, коллектор и эмиттер. Слой полупроводника, соответствующий базе заключен между слоями эмиттера и коллектора. Он имеет принципиально очень малую ширину. Носители заряда движутся от эмиттера через базу - к коллектору. Условием возникновения тока между коллектором и эмиттером является наличие свободных носителей в области базы. Эти носители проникают туда при возникновении тока эмиттер-база. причиной которого может являться разность напряжения между этими электродами.

Т.е. - для нормальной работы биполярного транзистора в качестве усилителя сигнала всегда необходимо присутствие напряжения некого минимального уровня, для смещения перехода эмиттер-база в прямом направлении. Прямое смещение перехода база-эмиттер приоткрывая транзистор, задает так называемую - рабочую точку режима. Для гармоничного усиления сигнала по напряжению и току используют режим - А. В этом режиме напряжение между коллектором и нагрузкой, примерно равно половине питающего напряжения - т. е выходное сопротивление транзистора и нагрузки примерно равны. Если подавать теперь на переход база - эмиттер сигнал переменного тока, СОПРОТИВЛЕНИЕ эмиттер - коллектор будет изменяться, графически повторяя форму входного сигнала. Соответственно, то же будет происходить и с током через эмиттер к коллектору протекающим. Причем амплитуда тока будет большей, нежели амплитуда входного сигнала - будет происходить усиление сигнала.

Если увеличивать напряжение смещения база - эмиттер дальше, это приведет к росту тока в этой цепи, и как результат - еще большему росту тока эмиттер - коллектор. В конце, концов ток перестает расти - транзистор переходит в полностью открытое состояние(насыщения). Если затем убрать напряжение смещения - транзистор закроется, ток эмиттер - коллектор уменьшится, почти исчезнет. Так транзистор может работать в качестве электронного ключа . Этот режим наиболее эффективен в отношении управления мощностями, при протекании тока через полностью открытый транзистор величина падения напряжения минимальна. Соответственно малы потери тока и нагрев переходов транзистора.

Существует три вида подключения биполярного транзистора. С общим эмиттером (ОЭ) - осуществляется усиление как по току, так и по напряжению - наиболее часто применяемая схема.
Усилительные каскады построенные подобным образом, легче согласуются между собой, так как значения их входного и выходного сопротивления относительно близки, если сравнивать с двумя остальными видами включения (хотя иногда и отличаются в десятки раз).

С общим коллектором (ОК) осуществляется усиление только по току - применяется для согласования источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением(импендансом) и низкоомными сопротивлениями нагрузок. Например, в выходных каскадах усилителей и контроллеров.

С общей базой (ОБ) осуществляется усиление только по напряжению. Имеет низкое входное и высокое выходное сопротивление и более широкий частотный диапазон. Это позволяет использовать подобное включение для согласования источников сигнала с низким внутренним сопротивлением(импендансом) с последующим каскадом усиления. Например - в входных цепях радиоприемных устройств.

Принцип работы полевого транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный имеет три электрода. Они носят названия - сток, исток и затвор. Если на затворе отсутствует напряжение, а на сток подано положительное напряжение относительно истока, то между истоком и стоком через канал течет максимальный ток.

Т. е. - транзистор полностью открыт. Для того, что бы его изменить, на затвор подают отрицательное напряжение, относительно истока. Под действием электрического поля (отсюда и название транзистора) канал сужается, его сопротивление растет, а ток через него уменьшается. При определенном значении напряжения канал сужается до такой степени, что ток практически исчезает - транзистор закрывается.

На рисунке изображено устройство полевого транзистора с изолированным затвором(МДП).

Если на затвор этого прибора не подано положительное напряжение, то канал между истоком и стоком отсутствует и ток равен нулю. Транзистор полностью закрыт. Канал возникает при некотором минимальном напряжении на затворе(напряжение порога). Затем сопротивление канала уменьшается, до полного открывания транзистора.

Полевые транзисторы, как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) имеют следующие схемы включения: с общим истоком (ОИ) - аналог ОЭ биполярного транзистора; с общим стоком (ОС) - аналог ОК биполярного транзистора; с общим затвором (ОЗ) - аналог ОБ биполярного транзистора.

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
маломощные транзисторы - до 100 мВт;
транзисторы средней мощности - от 0,1 до 1 Вт;
мощные транзисторы - больше 1 Вт.

Важные параметры биполярных транзисторов.

1. Коэффициент передачи тока(коэффициент усиления) - от 1 до 1000 при постоянном токе. С увеличением частоты постепенно снижается.
2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером(при разомкнутой базе) У специальных высоковольтных транзисторов, достигает десятков тысяч вольт.
3.Предельная частота, до которой коэффициент передачи тока выше 1. До 100000 гц. у низкочастотных транзисторов, свыше 100000 гц. - у высокочастотных.
4.Напряжение насыщения эмиттер-коллектор - величина падения напряжения между этими электродами у полностью открытого транзистора.

Важные параметры полевых транзисторов.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются отношением приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения затвор - исток, т. е.

ΔI d /ΔU GS

Это отношение принято называть крутизной прибора, а по сути дела оно является передаточной проводимостью и измеряется в миллиамперах на вольт(мА /В).

Другие важнейшие параметры полевых транзисторов приведены ниже:
1. I Dmax - максимальный ток стока.

2.U DSmax - максимальное напряжение сток-исток.

3.U GSmax - максимальное напряжение затвор-исток.

4.Р Dmax - максимальна мощность, которая может выделяться на приборе.

5.t on - типовое время нарастания тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

6.t off - типовое время спада тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

7.R DS(on)max - максимальное значение сопротивления исток - сток в включенном(открытом) состоянии.

Использование каких - либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт

Транзистором называется активный полупроводниковый прибор, при помощи которого осуществляется усиление, преобразование и генерирование электрических колебаний. Такое применение транзистора можно наблюдать в аналоговой технике. Кроме этого применяются и в цифровой технике, где они используются в ключевом режиме. Но в цифровой аппаратуре почти все транзисторы «спрятаны» внутри интегральных микросхем, причем в огромных количествах и в микроскопических размерах.

Здесь мы уже не будем слишком подробно останавливаться на электронах, дырках и атомах, о которых уже было рассказано в предыдущих частях статьи, но кое-что из этого, при необходимости, все же придется вспомнить.

Полупроводниковый диод состоит из одного p-n перехода, о свойствах которого было рассказано . Транзистор, как известно, состоит из двух переходов, поэтому можно рассматривать как предшественник транзистора, или его половину.

Если p-n переход находится в состоянии покоя, то дырки и электроны распределяются, как показано на рисунке 1, образуя потенциальный барьер. Постараемся не забыть условные обозначения электронов, дырок и ионов, показанные на этом рисунке.

Рисунок 1.

Как устроен биполярный транзистор

Первоначальное название радиодетали – триод, по числу контактов. Этот радиоэлемент способен управлять током в электрической цепи, под воздействием внешнего сигнала. Уникальные свойства применяются в усилителях, генераторах и других аналогичных схемных решениях.

Обозначение транзисторов на схеме

Долгое время в радиоэлектронике царствовали ламповые триоды. Внутри герметичной колбы, в специальной газовой или вакуумной среде размещались три основных компонента триода:

• Катод
• Сетка

Когда на сетку подавался управляющий сигнал небольшой мощности, между катодом и анодом можно было пропускать несравнимо большие значения. Величина рабочего тока триода многократно выше, чем управляющего. Именно это свойство позволяет радиоэлементу выполнять роль усилителя.

Триоды на основе радиоламп работаю достаточно эффективно, особенно при высокой мощности. Однако габариты не позволяют применять их в современных компактных устройствах.

Представьте себе мобильный телефон или карманный плейер, выполненный на таких элементах.

Вторая проблема заключается в организации питания. Для нормального функционирования, катод должен быть сильно разогрет, чтобы началась эмиссия электронов. Нагрев спирали требует много электроэнергии. Поэтому ученые всего мира всегда стремились создать более компактный прибор с такими же свойствами.

Первые образцы появились в 1928 году, а в середине прошлого столетия был представлен работающий полупроводниковый триод, выполненный по биполярной технологии. За ним закрепилось название «транзистор».

Что такое транзистор?

Транзистор – полупроводниковый электроприбор в корпусе или без него, имеющий три контакта для работы и управления. Главное свойство такое же, как у триода – изменение параметров тока между рабочими электродами при помощи управляющего сигнала.

Благодаря отсутствию необходимости разогрева, транзисторы затрачивают мизерное количество энергии на обеспечение собственной работоспособности. А компактные размеры рабочего полупроводникового кристалла, позволяют использовать радиодеталь в малогабаритных конструкциях.

Благодаря независимости от рабочей среды, кристаллы полупроводника можно использовать как в отдельном корпусе, так и в микросхемах. В комплекте с остальными радиоэлементами, транзисторы выращивают прямо на монокристалле.

Выдающиеся механические свойства полупроводника нашли применение в подвижных и переносных устройствах. Транзисторы нечувствительны к вибрации, резким ударам. Обладают неплохой температурной стойкостью (при сильной нагрузке применяют радиаторы охлаждения).

Что означает название "транзистор"

Транзистор не сразу получил такое привычное название. Первоначально, по аналогии с ламповой техникой его называли полупроводниковым триодом . Современное название состоит из двух слов. Первое слово - «трансфер», (тут сразу вспоминается «трансформатор») означает передатчик, преобразователь, переносчик. А вторая половина слова напоминает слово «резистор», - деталь электрических схем, основное свойство которой электрическое сопротивление.

Именно это сопротивление встречается в законе Ома и многих других формулах электротехники. Поэтому слово «транзистор» можно растолковать, как преобразователь сопротивления. Примерно так же, как в гидравлике изменение потока жидкости регулируется задвижкой. У транзистора такая «задвижка» 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 верное выражение, ведь слабый сигнал с микрофона таковым и остается.

Усиление также требуется в радиоприеме и телевидении: слабый сигнал с антенны мощностью в миллиардные доли ватта необходимо усилить до такой степени, чтобы получить звук или изображение на экране. А это уже мощности в несколько десятков, а в некоторых случаях и сотен ватт. Поэтому процесс усиления сводится к тому, чтобы с помощью дополнительных источников энергии, полученной от блока питания, получить мощную копию слабого входного сигнала. Другими словами маломощное входное воздействие управляет мощными потоками энергии.

Усиление в других областях техники и природе

Такие примеры можно найти не только в электрических схемах. Например, при нажатии педали газа увеличивается скорость автомобиля. При этом на педаль газа нажимать приходится не очень сильно - по сравнению с мощностью двигателя мощность нажатия на педаль ничтожна. Для уменьшения скорости педаль придется несколько отпустить, ослабить входное воздействие. В этой ситуации мощным источником энергии является бензин.

Такое же воздействие можно наблюдать и в гидравлике: на открытие электромагнитного клапана, например в станке, энергии, идет совсем немного. А давление масла на поршень механизма способно создать усилие в несколько тонн. Это усилие можно регулировать, если в маслопроводе предусмотреть регулируемую задвижку, как в обычном кухонном кране. Чуть прикрыл - давление упало, усилие снизилось. Если открыл побольше, то и нажим усилился.

На поворот задвижки тоже не требуется прилагать особых усилий. В данном случае внешним источником энергии является насосная станция станка. И подобных воздействий в природе и технике можно заметить великое множество. Но все-таки нас больше интересует транзистор, поэтому далее придется рассмотреть…

Усилители электрических сигналов