Простым языком как работает транзистор. Как устроен транзистор

Что такое биполярный транзистор – элементарное полупроводниковое устройство, функциональность которого охватывает изменение либо усиление выходного сигнала от заряженных частиц.

Это один из типов транзисторов, состоящий из 3-х слоев, которые обеспечивают 2 «зарядных» или «дырочных» перехода (би - два перехода). Соответственно, данное устройство может быть представлено как два диодных элемента, включенных противоположно друг другу.

В простонародье биполярный транзистор пришел на смену морально и физически устаревшим транзисторам лампового вида, которые эксплуатировались очень длительное время в конструкциях телевизоров прошлого столетия.

Рисунок 1 – Биполярный транзистор

Как видно из изображения 1 устройства данного вида имеют 3 выхода, однако, по конструктивному исполнению внешний вид отличается друг от друга. Но в схемах электрических цепей они одинаковы во всех случаях.

В зависимости от проводимости биполярные устройства разделяются на P→N→P и N→P→N устройства, которые отличаются что переносит заряженные частицы - электроны или посредством «дырок».

Рисунок 2 – Разновидность биполярных аппаратов

Устройство биполярного транзистора

Согласно типовых схем, буквой «Б» называется «База» - внутренний слой аппарата, его фундамент, который приводит преобразование или изменение токового сигнала. Стрелка в кругу показывает движение токовых зарядов в «Э».

«Э» - «Эмиттер» - внутренняя основная составляющая транзистора, предназначенный для переноса заряженных элементарных частиц в «Б».

«К» - «Коллектор» - вторая составляющая транзисторного устройства, которая производит сбор тех же зарядов, которые проходят через «Б».

Пласт «Базы» конструктивно выполняют очень тоненьким в связи с рекомбинированием заряженных частиц, которые идут через базовый слой, с составными частицами данного пласта. В то же время пласт «Коллектора» конструируют как можно шире для качественного сбора зарядов.

Принцип работы биполярного транзистора

Принцип работы биполярного транзистора для чайников опишем на образце P→N→P транзисторного аппарата на рисунке 3. Принцип работы биполярного транзистора N→P→N вида сходен переходу в прямом направлении, только в этом случае заряды - электрические частицы движутся от «К» до «Э». Для выполнения данного условия необходимо всего на всего изменить полярность подключенного напряжения.

Рисунок 3 - Принцип работы P→N→P транзистора

При отсутствии внешних возмущений, внутри биполярника между его слоями будет существовать разность зарядов. На границах раздела будут установлены единые барьерные мосты, так как в это время доля «дырок» в коллекторе соответствует их численности в эмиттере.

Для точной работы биполярного транзистора переход в коллекторном пласте необходимо сместить в противоположном курсе, в то же время в эмиттере направленность перехода должна быть прямым. В этом случае режим функционирования будет активным.

Для выполнения вышеуказанных условий необходимо применить два питания, один из которых с положительным знаком соединяем с концом эмиттера, «минус» подключаем к базовому слою. Второй источник напряжения соединяем в следующем порядке: «плюс» к базовому концу, «минус» - к концу коллектора. Изобразим подключение на рисунке 4.

Рисунок 4 - Принципиальная схема подключения транзистора

Под воздействием напряжения Uэ, Uк через барьеры совершается переход дырок в эмиттере №1-5 и в базовом слое электрически заряженных частиц №7,8. В данном случае величина тока в эмиттере будет зависеть от количества переходов дырок, так как их больше.

Дырки, которые перешли в базовый слой собираются у барьерного перехода. Тем самым у границы с эмиттерным слоем будет собираться массовое количество дырок, в то же время у границы с «К», концентрация их существенно ниже. В связи с этим начнется диффузия дырок к «К» и близи границы произойдет их ускорение поля «Б» и переход в «К».

При перемещении через средний слой базы дырки рекомбинируют, заряженный электрон 6 замещает дырку 5. Такое перемещение будет совершаться с увеличением плюсового заряда при переходе дырок, соответственно движение зарядов в обратном направлении будет создавать ток определенной величины, а база остается электрически нейтральной.

Число дырок, которые перешли в коллектор будет меньше числа, которые покинули эмиттер. Это значит, что электрический ток «К» будет отличаться от значения тока «Э».

Обратный переход дырок из коллектора нежелателен и снижает эффективность транзистора, потому что переход осуществляется не основными, а вспомогательными носителями энергии и зависит данный переход сугубо от величины температуры. Данный ток носит название тока тепла. По значению теплового тока судят о качестве биполярного транзистора.

На рисунке 5 схематически изобразим направление движения заряженных частиц - токов транзистора.

Рисунок 5 - Направление токов в биполярном транзисторе

На основании выше изложенного напрашивается вывод: любое изменение тока в структуре слоев эмиттер - база сопровождается изменением величины тока коллектора, причем самое малое изменение «базового» тока приведет к значимой коррекции выходного коллекторного тока.

Режим работы биполярных устройств

В зависимости от величины напряжения на выводах транзистора существует 4 режима его функционирования:

• отсечка - переходов дырки - электроды не происходит;
• активный режим - приведен в описании;
• насыщение - ток базы очень велик и ток коллектора будет иметь максимальное значение и абсолютно не зависеть от тока базы, соответственно усиления сигнала не будет;
• инверсия - использование устройства с обратными ролями эмиттера и коллектора.

Достоинства и недостатки биполярных транзисторов

К достоинствам биполярных транзисторов в сравнении с аналогами относятся.

Радиоэлектронный элемент из полупроводникового материала с помощью входного сигнала создает, усиливает, изменяет импульсы в интегральных микросхемах и системах для хранения, обработки и передачи информации. Транзистор – это сопротивление, функции которого регулируются напряжением между эмиттером и базой или истоком и затвором в зависимости от типа модуля.

Виды транзисторов

Преобразователи широко применяются в производстве цифровых и аналоговых микросхем для обнуления статического потребительского тока и получения улучшенной линейности. Типы транзисторов различаются тем, что одни управляются изменением напряжения, вторые регулируются отклонением тока.

Полевые модули работают при повышенном сопротивлении постоянного тока, трансформация на высокой частоте не увеличивает энергетические затраты. Если говорить, что такое транзистор простыми словами, то это модуль с высокой границей усиления. Эта характеристика у полевых видов больше, чем у биполярных типов. У первых нет рассасывания носителей заряда, что ускоряет работу.

Полевые полупроводники применяются чаще из-за преимуществ перед биполярными видами:

• мощного сопротивления на входе при постоянном токе и высокой частоте, это уменьшает потери энергии на управление;
• отсутствия накопления неосновных электронов, из-за чего ускоряется работа транзистора;
• переноса подвижных частиц;
• стабильности при отклонениях температуры;
• небольших шумов из-за отсутствия инжекции;
• потребления малой мощности при работе.

Виды транзисторов и их свойства определяют назначение. Нагревание преобразователя биполярного типа увеличивает ток по пути от коллектора к эмиттеру. У них коэффициент сопротивления отрицательный, а подвижные носители текут к собирающему устройству от эмиттера. Тонкая база отделена p-n-переходами, а ток возникает только при накоплении подвижных частиц и их инжекции в базу. Некоторые носители заряда захватываются соседним p-n-переходом и ускоряются, так рассчитаны параметры транзисторов.

Полевые транзисторы имеют еще один вид преимущества, о котором нужно упомянуть для чайников. Их соединяют параллельно без выравнивания сопротивления. Резисторы для этой цели не применяются, так как показатель растет автоматически при изменении нагрузки. Для получения высокого значения коммутационного тока набирается комплекс модулей, что используется в инверторах или других устройствах.

Нельзя соединять параллельно , определение функциональных параметров ведет к тому, что выявляется тепловой пробой необратимого характера. Эти свойства связаны с техническими качествами простых p-n каналов. Модули соединяются параллельно с применением резисторов для выравнивания тока в эмиттерных цепях. В зависимости от функциональных черт и индивидуальной специфики в классификации транзисторов выделяют биполярные и полевые виды.

Биполярные транзисторы

Биполярные конструкции производятся в виде полупроводниковых приборов с тремя проводниками. В каждом из электродов предусмотрены слои с дырочной p-проводимостью или примесной n-проводимостью. Выбор комплектации слоев определяет выпуск p-n-p или n-p-n типов приборов. В момент включения устройства разнотипные заряды одновременно переносятся дырками и электронами, задействуется 2 вида частиц.

Носители движутся за счет механизма диффузии. Атомы и молекулы вещества проникают в межмолекулярную решетку соседнего материала, после чего их концентрация выравнивается по всему объему. Перенос совершается из областей с высоким уплотнением в места с низким содержанием.

Электроны распространяются и под действием силового поля вокруг частиц при неравномерном включении легирующих добавок в массе базы. Чтобы ускорить действие прибора, электрод, соединенный со средним слоем, делают тонким. Крайние проводники называют эмиттером и коллектором. Обратное напряжение, характерное для перехода, неважно.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор управляет сопротивлением с помощью электрического поперечного поля, возникающего от приложенного напряжения. Место, из которого электроны движутся в канал, называется истоком, а сток выглядит как конечная точка вхождения зарядов. Управляющее напряжение проходит по проводнику, именуемому затвором. Устройства делят на 2 вида:

• с управляющим p-n-переходом;
• транзисторы МДП с изолированным затвором.

Приборы первого типа содержат в конструкции полупроводниковую пластину, подключаемую в управляемую схему с помощью электродов на противоположных сторонах (сток и исток). Место с другим видом проводимости возникает после подсоединения пластины к затвору. Вставленный во входной контур источник постоянного смещения продуцирует на переходе запирающее напряжение.

Источник усиливаемого импульса также находится во входной цепи. После перемены напряжения на входе трансформируется соответствующий показатель на p-n-переходе. Модифицируется толщина слоя и площадь поперечного сечения канального перехода в кристалле, пропускающем поток заряженных электронов. Ширина канала зависит от пространства между обедненной областью (под затвором) и подложкой. Управляющий ток в начальной и конечной точках регулируется изменением ширины обедненной области.

Транзистор МДП характеризуется тем, что его затвор отделен изоляцией от канального слоя. В полупроводниковом кристалле, называемом подложкой, создаются легированные места с противоположным знаком. На них установлены проводники – сток и исток, между которыми на расстоянии меньше микрона расположен диэлектрик. На изоляторе нанесен электрод из металла – затвор. Из-за полученной структуры, содержащей металл, диэлектрический слой и полупроводник транзисторам присвоена аббревиатура МДП.

Устройство и принцип работы для начинающих

Технологии оперируют не только зарядом электричества, но и магнитным полем, световыми квантами и фотонами. Принцип действия транзистора заключается в состояниях, между которыми переключается устройство. Противоположный малый и большой сигнал, открытое и закрытое состояние – в этом заключается двойная работа приборов.

Вместе с полупроводниковым материалом в составе, используемого в виде монокристалла, легированного в некоторых местах, транзистор имеет в конструкции:

• выводы из металла;
• диэлектрические изоляторы;
• корпус транзисторов из стекла, металла, пластика, металлокерамики.

До изобретения биполярных или полярных устройств использовались электронные вакуумные лампы в виде активных элементов. Схемы, разработанные для них, после модификации применяются при производстве полупроводниковых устройств. Их можно было подключить как транзистор и применять, т. к. многие функциональные характеристики ламп годятся при описании работы полевых видов.

Преимущества и недостатки замены ламп транзисторами

Изобретение транзисторов является стимулирующим фактором для внедрения инновационных технологий в электронике. В сети используются современные полупроводниковые элементы, по сравнению со старыми ламповыми схемами такие разработки имеют преимущества:

• небольшие габариты и малый вес, что важно для миниатюрной электроники;
• возможность применить автоматизированные процессы в производстве приборов и сгруппировать этапы, что снижает себестоимость;
• использование малогабаритных источников тока из-за потребности в низком напряжении;
• мгновенное включение, разогревание катода не требуется;
• повышенная энергетическая эффективность из-за снижения рассеиваемой мощности;
• прочность и надежность;
• слаженное взаимодействие с дополнительными элементами в сети;
• стойкость к вибрации и ударам.

Недостатки проявляются в следующих положениях:

• кремниевые транзисторы не функционируют при напряжении больше 1 кВт, лампы эффективны при показателях свыше 1-2 кВт;
• при использовании транзисторов в мощных сетях радиовещания или передатчиках СВЧ требуется согласование маломощных усилителей, подключенных параллельно;
• уязвимость полупроводниковых элементов к воздействию электромагнитного сигнала;
• чувствительная реакция на космические лучи и радиацию, требующая разработки стойких в этом плане радиационных микросхем.

Схемы включения

Чтобы работать в единой цепи транзистору требуется 2 вывода на входе и выходе. Почти все виды полупроводниковых приборов имеют только 3 места подсоединения. Чтобы выйти из трудного положения, один из концов назначается общим. Отсюда вытекают 3 распространенные схемы подключения:

• для биполярного транзистора;
• полярного устройства;
• с открытым стоком (коллектором).

Биполярный модуль подключается с общим эмиттером для усиления как по напряжению, так и по току (ОЭ). В других случаях он согласовывает выводы цифровой микросхемы, когда существует большой вольтаж между внешним контуром и внутренним планом подключения. Так работает подсоединение с общим коллектором, и наблюдается только рост тока (ОК). Если нужно повышение напряжения, то элемент вводится с общей базой (ОБ). Вариант хорошо работает в составных каскадных схемах, но в однотранзисторных проектах ставится редко.

Полевые полупроводниковые приборы разновидностей МДП и с использованием p-n-перехода включаются в контур:

• с общим эмиттером (ОИ) – соединение, аналогичное ОЭ модуля биполярного типа
• с единым выходом (ОС) – план по типу ОК;
• с совместным затвором (ОЗ) – похожее описание ОБ.

В планах с открытым стоком транзистор включается с общим эмиттером в составе микросхемы. Коллекторный вывод не подсоединяется к другим деталям модуля, а нагрузка уходит на наружный разъем. Выбор интенсивности вольтажа и силы тока коллектора производится после монтажа проекта. Приборы с открытым стоком работают в контурах с мощными выходными каскадами, шинных драйверах, логических схемах ТТЛ.

Для чего нужны транзисторы?

Область применение разграничена в зависимости от типа прибора – биполярный модуль или полевой. Зачем нужны транзисторы? Если необходима малая сила тока, например, в цифровых планах, используют полевые виды. Аналоговые схемы достигают показателей высокой линейности усиления при различном диапазоне питающего вольтажа и выходных параметров.

Областями установки биполярных транзисторов являются усилители, их сочетания, детекторы, модуляторы, схемы транзисторной логистики и инверторы логического типа.

Места применения транзисторов зависят от их характеристик. Они работают в 2 режимах:

• в усилительном порядке, изменяя выходной импульс при небольших отклонениях управляющего сигнала;
• в ключевом регламенте, управляя питанием нагрузок при слабом входном токе, транзистор полностью закрыт или открыт.

Вид полупроводникового модуля не изменяет условия его работы. Источник подсоединяется к нагрузке, например, переключатель, усилитель звука, осветительный прибор, это может быть электронный датчик или мощный соседний транзистор. С помощью тока начинается работа нагрузочного прибора, а транзистор подсоединяется в цепь между установкой и источником. Полупроводниковый модуль ограничивает силу энергии, поступающей к агрегату.

Сопротивление на выходе транзистора трансформируется в зависимости от вольтажа на управляющем проводнике. Сила тока и напряжение в начале и конечной точке цепи изменяются и увеличиваются или уменьшаются и зависят от типа транзистора и способа его подсоединения. Контроль управляемого источника питания ведет к усилению тока, импульса мощности или увеличению напряжения.

Транзисторы обоих видов используются в следующих случаях:

1. В цифровом регламенте. Разработаны экспериментальные проекты цифровых усилительных схем на основе цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).
2. В генераторах импульсов. В зависимости от типа агрегата транзистор работает в ключевом или линейном порядке для воспроизведения прямоугольных или произвольных сигналов, соответственно.
3. В электронных аппаратных приборах. Для защиты сведений и программ от воровства, нелегального взлома и использования. Работа проходит в ключевом режиме, сила тока управляется в аналоговом виде и регулируется с помощью ширины импульса. Транзисторы ставят в приводы электрических двигателей, импульсные стабилизаторы напряжения.

Монокристаллические полупроводники и модули для размыкания и замыкания контура увеличивают мощность, но функционируют только как переключатели. В цифровых устройствах применяют транзисторы полевого типа в качестве экономичных модулей. Технологии изготовления в концепции интегральных экспериментов предусматривают производство транзисторов на едином чипе из кремния.

Миниатюризация кристаллов ведет к ускорению действия компьютеров, снижению количества энергии и уменьшению выделения тепла.

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!

13. Устройство и принцип действия транзисторов

В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые.

Биполярными транзисторами называют полупроводни­ковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n-переходами и тремя выводами или более, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

В настоящее время широко используют биполярные тран­зисторы с двумя p-n -переходами, к которым чаще всего и относят этот термин. Они состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности раз­личных типов. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы р-п-р и n-p-n -типов.

Транзисторы, в которых p-n-переходы создаются у повер­хностей соприкосновения полупроводниковых слоев, называют плоскостными

Биполярный транзистор представляет собой кристалл полупроводника, состоящий из трех слоев с че­редующейся проводимостью и снабженный тремя вывода­ми (электродами) для подключения к внешней цепи.

На рис. 1.5, а и б показано схемное обозначение двух типов транзисторов р-п-р-типа и п-р-п- типа. Крайние слои называют эмитте ром (Э) и коллектором (К), между ними находится база (Б). В трехслойной структуре имеются два p-n перехода: эмиттерный переход между эмитте­ром и базой и коллекторный переход между базой и кол­лектором. В качестве исходного материала транзисторов используют германий или кремний.

При изготовлении транзистора обязательно должны быть выполнены два условия:

толщина базы (расстояние между эмиттерным и кол-

лекторным переходами) должна быть малой по сравнению с длиной свободного пробега носителей заряда;

2) концентрация примесей (и основных носителей) за­ряда в эмиттере должна быть значительно больше, чем в базе (N a >> N Д в р-п-р транзисторе).

Рассмотрим принцип действия р-п-р транзистора.

Транзистор включают последовательно с сопротивлением нагрузки Rк в цепь источника коллекторного напряжения Е к . На вход транзистора подается управляющая ЭДС Е Б ", как показано на рис. 1.6, а. Такое включение транзистора, когда входная (Е Б , R Б ) и выходная (Е К , R К ) цепи имеют общую точку - эмиттер, является наиболее рас-пространенным и называется включением с общим эмит-тером (ОЭ).

При отсутствии напряжений (Е Б =0, Е К =0) эмиттер-ный и коллекторный переход находятся в состоянии рав-новесия, токи через них равны нулю. Оба перехода имеют двойной электрический слой, состоящий из ионов примесей, и потенциальный барьер  о, различный на каждом из переходов. Распределение потенциалов в транзисторе при отсутствии напряже­ний показано на рис. 1.6,б штриховой линией.

Полярность внешних источников Е Б и Е К выбирается такой, чтобы на эмиттерном переходе было прямое напряжение (минус источника Е Б подан на базу, плюс - на эмиттер), а на коллекторном переходе - обратное напряжение (минус источника Е К - на коллектор, плюс - на эмиттер), причем напряжение |Uкэ|> |Uбэ| (напряже­ние на коллекторном переходе Uкб = Uкэ-Uбэ) При таком включении источников Е Б и Е К распределение потенциалов в транзисторе имеет вид, показанный на рис. .1.6, б сплошной линией. Потенциальный барьер эмиттерного перехода,смещенного в прямом направлении, снижается, на коллекторном переходе потенциальный барьер увеличивается. В результате приложения к эмиттерному переходу прямого напряжения начинается усиленная диффузия (инжекция) дырок из эмиттера в базу. Электронной составляющей диффузионного тока через эмиттерный переход можно пренебречь, так как р р >>п п , поскольку выше оговаривалось условие N А >>N Д . Таким образом, ток эмиттера I Э = I Эдиф р . Под воздействием сил диффузии в результате перепада концентрации вдоль базы дырки продвигаются от эмиттера к коллектору. Поскольку база в транзисторе выполняется тонкой, основная часть дырок, инжектирован­ных эмиттером, достигает коллекторного перехода, не по­падая в центры рекомбинации. Эти дырки захватываются полем коллекторного перехода, смещенного в обратном на­правлении, так как это поле является ускоряющим для неосновных носителей - дырок в базе n-типа. Ток дырок, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается через внешнюю цепь, источник Е К . При увеличении тока эмитте­ра на величину I Э ток коллектора возрастет на I К = I Э. Вследствие малой вероятности рекомбинации в тонкой базе коэффициент передачи тока эмиттера  =I К /I Э =0,9-0,99.

Небольшая часть дырок, инжектированных эмиттером, попадает в центры рекомбинации и исчезает, рекомбинируя с электронами. Заряд этих дырок остается в базе, и для восстановления зарядной нейтральности базы из внешней цепи за счет источника Ев в базу поступают элек­троны. Поэтому ток базы представляет собой ток реком­бинации I рек =I Э (1-) Помимо указанных основных составляющих тока тран­зистора надо учесть возможность перехода неосновных но­сителей, возникающих в базе и коллекторе в результате генерации носителей, через коллекторный переход, к кото­рому приложено обратное напряжение. Этот малый ток (переход дырок из базы в коллектор и электронов из кол­лектора в базу) аналогичен обратному току р-п перехода, он также называется обратным током коллекторного пере­хода или тепловым током и обозначается I кбо (рис. 1.6, а)

полевые транзисторы - полупроводни­ковые приборы, которые практически не потребляют ток из входной цепи.

Полевые транзисторы подразделяются на два типа, от­личающихся друг от друга принципом действия: а) с р-п переходом; б) МДП-типа.

. 1.6.1. Полевые транзисторы с р-п переходом имеют структуру, разрез которой приведен на рис. 1.9, а. Слой с проводимостью р-типа называется каналом, он имеет два вывода во внешнюю цепь: С - сток и И - исток. Слои с проводимостью типа п, окружающие канал, соединены между собой и имеют вывод во внешнюю цепь, называемый затвором 3. Подключение источников напряжения к прибо­ру показано на рис. 1.9, а, на рис. 1.9,6 показано схемное обозначение полевого транзистора с р-п переходом и кана­лом р-типа. Существуют также полевые транзисторы с ка­налом n-типа, их обозначение приведено на рис. 1.9, в, принцип действия аналогичен, но направления токов и поляр­ность приложенных напряжений противоположны.

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с каналом р-типа. На рис. 1.9, г приведено семейство стоко­вых (выходных) характеристик этого прибора Iс=f(Uси) при Uзи=const.

При управляющем напряжении Uзи = 0 и подключении источника напряжения между стоком и истоком U си по каналу течет ток, который зависит от сопротивления канала. Напряжение Uси равномерно приложено по длине канала, это напряжение вызывает обратное смещение р-п перехода между каналом р-типа и n-слоем, причем наибольшее об­ратное напряжение на р-п переходе существует в области, прилегающей к стоку, а вблизи истока р-п переход нахо­дится в равновесном состоянии. При увеличении напряже­ния U си область двойного электрического слоя р-п пере­хода, обедненная подвижными носителями заряда, будет расширяться, как показано на рис. 1.10, а. Особенно сильно расширение перехода проявляется вблизи стока, где больше обратное напряжение на переходе. Расширение р-п пе­рехода приводит к сужению проводящего ток канала тран­зистора, и сопротивление канала возрастает. Из-за увели­чения сопротивления канала при росте Uси стоковая характеристика полевого транзистора имеет нелинейный ха­рактер (рис. 1.9,г). При некотором напряжении U си гра­ницы р-п перехода смыкаются (пунктир на рис. 1.10, а), и рост тока Iс при увеличении Ucb прекращается.

При приложении положительного напряжения к затво­ру Uзи>0 р-п переход еще сильнее смещается в область обратного напряжения, ширина перехода увеличивается, как показано на рис. 1.10,6. В результате канал, проводя­щий ток, сужается и ток Iс уменьшается. Таким образом, увеличивая напряжение Uзи. можно уменьшить I с что видно из рассмотрения рис. 1.9, г. При определенном Uзи называемом напряжением отсечки, ток стока практически не протекает. Отношение изменения тока стока I C к вы­звавшему его изменению напряжения между затвором и ис­током Uзи при Uси =const называется крутизной: S = I C /Uзи при Uси = const

В отличие от биполярных транзисторов полевые транзи­сторы управляются напряжением, и через цепь затвора протекает только малый тепловой ток Iз р-п перехода, на­ходящегося под действием обратного напряжения.

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).