Princip činnosti tranzistorů. Co je to tranzistor - typy polovodičových součástek a metody testování

13. Konstrukce a princip činnosti tranzistorů

V závislosti na principu činnosti a konstrukčních vlastnostech jsou tranzistory rozděleny do dvou velkých tříd: bipolární a s efektem pole.

Bipolární tranzistory jsou polovodičová zařízení se dvěma nebo více interagujícími elektrickými p-n přechody a třemi nebo více vývody, jejichž zesilovací vlastnosti jsou způsobeny jevy injekce a extrakce menšinových nosičů náboje.

V současné době jsou široce používány bipolární tranzistory se dvěma p-n přechody, kterým je tento termín nejčastěji označován. Skládají se ze střídajících se oblastí (vrstev) polovodiče s elektrickou vodivostí různých typů. V závislosti na typu elektrické vodivosti vnějších vrstev se rozlišují tranzistory p-p-p a n-p-n typů.

Tranzistory, ve kterých jsou na kontaktních plochách polovodičových vrstev vytvořeny p-n přechody, se nazývají planární

Bipolární tranzistor je polovodičový krystal sestávající ze tří vrstev se střídavou vodivostí a opatřený třemi přívody (elektrodami) pro připojení k vnějšímu obvodu.

Na Obr. 1,5, a b ukazuje označení obvodu dvou typů tranzistorů p-p-p-typ A p-p-p- typ . Nejvzdálenější vrstvy se nazývají problémrum(E) a kolektor(K), mezi nimi je základna(B). Třívrstvá struktura má dva p-n přechody: emitorový přechod mezi emitorem a základnou a kolektorová křižovatka mezi základnou a kolektorem. Jako výchozí materiál pro tranzistory se používá germanium nebo křemík.

Při výrobě tranzistoru musí být splněny dvě podmínky:

tloušťka základny (vzdálenost mezi emitorem a číslem)

přednáškové přechody) by měly být malé ve srovnání s volnou cestou nosičů náboje;

2) koncentrace nečistot (a hlavních nosičů náboje) v zářiči musí být výrazně větší než v bázi (N A >> N D PROTI p-p-p tranzistor).

Zvažme princip fungování p-p-p tranzistor.

Tranzistor je zapojen do série se zatěžovacím odporem Rk v obvodu zdroje kolektorového napětí E Na . Na vstup tranzistoru je přiveden řídicí EMF E B", jak je znázorněno na obr. 1.6, a. Zapnutí tranzistoru při vstupu ( E B , R B ) a den volna ( E NA , R NA ) obvody mají společný bod - emitor, je nejběžnější a nazývá se inkluze se společným emitorem(OE).

Při absenci napětí (E B =0, E NA=0) přechod emitoru a kolektoru je v rovnovážném stavu, proudy jimi jsou nulové. Oba přechody mají dvojitou elektrickou vrstvu sestávající z iontů nečistot a potenciálovou bariéru  o, na každém z přechodů odlišnou. Rozložení potenciálu v tranzistoru bez napětí je znázorněno na Obr. 1.6, b s přerušovanou čarou.

Polarita vnějších zdrojů E B a E NA je zvolen tak, že na přechodu emitoru je propustné napětí (mínus zdroj E B dodávané do základny, plus do emitoru) a na kolektorovém přechodu - zpětné napětí (mínus zdroj E NA- ke kolektoru, plus - k emitoru) a napětí |Uke|> |Ube| (napětí na kolektorovém přechodu Ukb = Uke-Ube) Při takovém zařazení zdrojů E B a E NA rozložení potenciálu v tranzistoru má tvar znázorněný na Obr. .1.6, b Nepřerušovaná čára. Potenciální bariéra dopředně předpjatého emitorového přechodu se snižuje, zatímco potenciální bariéra na kolektorovém přechodu se zvyšuje. V důsledku aplikace propustného napětí na přechod emitoru začíná zvýšená difúze (injekce) děr z emitoru do báze. Elektronickou složku difúzního proudu přes přechod emitoru lze zanedbat, protože R R >>p P , protože podmínka byla uvedena výše N A >>N D . Tedy emitorový proud I E = I Edif R. Vlivem difúzních sil v důsledku rozdílu koncentrací podél základny se otvory pohybují od emitoru ke kolektoru. Vzhledem k tomu, báze v tranzistoru se provádí tenký, hlavní část děr vstřikovaných emitorem dosáhne kolektorového spojení, aniž by se dostala do rekombinačních center. Tyto otvory jsou zachyceny polem kolektorového přechodu, vychýleny v opačném směru, protože toto pole se zrychluje pro menšinové nosiče - otvory v základně typu n. Proud děr vstupující do kolektoru z emitoru je uzavřen přes vnější obvod, zdroj E NA . Když se proud emitoru zvýší o I E, kolektorový proud se zvýší o I K = I E. Vzhledem k nízké pravděpodobnosti rekombinace v tenké bázi je koeficient přenosu proudu emitoru  = I K /I E = 0,9- 0,99.

Malá část děr vstříknutých emitorem vstupuje do rekombinačních center a mizí, rekombinuje se s elektrony. Náboj těchto otvorů zůstává v základně a pro obnovení nabíjecí neutrality základny z vnějšího obvodu na úkor zdroje Ev elektrony vstupují do báze. Bázový proud tedy představuje rekombinační proud I rec =I E (1-) Kromě naznačených hlavních složek tranzistorového proudu je nutné počítat s možností přechodu menšinových nosičů vznikajících v bázi resp. kolektor jako výsledek generování nosiče přes kolektorový přechod, na který je přivedeno zpětné napětí. Tento malý proud (přechod děr z báze do kolektoru a elektronů z kolektoru do báze) je podobný zpětnému proudu r-p přechod, nazývaný také zpětný proud kolektorového přechodu nebo tepelný proud a je označeno I kbo (obr. 1.6, a)

tranzistory s efektem pole- polovodičová zařízení, která prakticky nespotřebovávají proud ze vstupního obvodu.

Tranzistory s efektem pole se dělí na dva typy, které se od sebe liší principem činnosti: a) s r-p přechod; b) typ MDP.

. 1.6.1. Tranzistory s efektem pole sr-p přechod mají strukturu, jejíž řez je znázorněn na obr. 1,9, a. Vrstva s vodivostí typu p se nazývá kanál, má dva výstupy do vnějšího obvodu: S- vypustit A A- zdroj. Vrstvy s typem vodivosti P, obklopující kanál jsou propojeny a mají výstup na externí obvod tzv závěrka 3. Připojení zdrojů napětí k zařízení je znázorněno na Obr. 1.9, a, na Obr. 1.9.6 ukazuje označení obvodu tranzistoru s efektem pole s r-p křižovatka a kanál typu p. Existují také tranzistory s efektem pole s kanálem typu n, jejich označení je na Obr. 1,9, PROTI, princip činnosti je podobný, ale směry proudů a polarita použitých napětí jsou opačné.

Uvažujme princip činnosti tranzistoru s efektem pole s kanálem typu p. Na Obr. 1,9, G Je uvedena rodina odvodňovacích (výstupních) charakteristik tohoto zařízení Iс=f(Uс) při Uз=const.

S řídicím napětím Uzi = 0 a zdrojem napětí zapojeným mezi kolektor a zdroj Usi kanálem protéká proud, který závisí na odporu kanálu. Napětí U Toto napětí aplikované rovnoměrně po délce kanálu způsobí reverzní předpětí r-p přechod mezi kanálem typu p a n-vrstvou s nejvyšším zpětným napětím při r-p přechod existuje v oblasti sousedící s odtokem a poblíž zdroje r-p přechod je v rovnovážném stavu. Jak se napětí zvyšuje Usi elektrická dvouvrstvá oblast r-p přechod, ochuzený o mobilní nosiče náboje, se rozšíří, jak je znázorněno na obr. 1.10, A. Rozšíření přechodu je zvláště výrazné v blízkosti svodu, kde je zpětné napětí na přechodu větší. Rozšíření r-p přechod vede ke zúžení proudového kanálu tranzistoru a odpor kanálu se zvyšuje. Vzhledem k nárůstu odporu kanálu s rostoucím Usi má kolektorová charakteristika tranzistoru s efektem pole nelineární charakter (obr. 1.9d). Při nějakém napětí Usi hranic r-p přechody se uzavřou (tečkovaná čára na obr. 1.10, a) a proud Ic se zvětšuje Ucb zastaví.

Když je na hradlo přivedeno kladné napětí Uzi>0 r-p Přechod se posouvá ještě více směrem k oblasti reverzního napětí a šířka přechodu se zvětšuje, jak je znázorněno na obr. 1.10.6. V důsledku toho se kanál vedoucí proud zužuje a proud Ic klesá. Tedy zvýšení napětí Uzi. je možné snížit I c, jak je vidět z uvažování Obr. 1,9, G. Na jistý Uzi zavolal vypínací napětí, Prakticky neprotéká žádný odtokový proud. Poměr změny odtokového proudu I C ke změně napětí mezi hradlem a zdrojem Uzi, která to způsobila, když Uс =const se nazývá strmost:S = I C /Uzi at Uс = konst

Na rozdíl od bipolárních tranzistorů jsou tranzistory s efektem pole řízeny napětím a hradlovým obvodem protéká pouze malý tepelný proud Iz r-p křižovatka pod zpětným napětím.

Tranzistor(tranzistor) - polovodičový prvek se třemi vývody (obvykle), z nichž jeden ( kolektor) je dodáván silný proud a druhý ( základna) sloužil slabý ( řídící proud). Při určité síle řídicího proudu se jakoby „otevře“ ventil a proud od sběratele začne proudit na třetí výstup ( emitor).

To znamená, že tranzistor je druh ventil, který při určité síle proudu prudce sníží odpor a pošle proud dále (z kolektoru do emitoru), protože za určitých podmínek ho díry, které mají elektron, ztrácejí, přijímají nový a tak dále v kruhu. Pokud na bázi nebude přiváděn elektrický proud, bude tranzistor ve vyváženém stavu a nebude procházet proud do emitoru.

V moderních elektronických čipech počet tranzistorů čísla v miliardách. Používají se především pro výpočty a skládají se ze složitých spojů.

Polovodičové materiály používané hlavně v tranzistorech jsou: křemík, arsenid gallia A germanium. Existují také tranzistory uhlíkové nanotrubice, průhledný pro displeje LCD A polymer(nejslibnější).

Typy tranzistorů:

Bipolární– tranzistory, ve kterých mohou být nosiče náboje jak elektrony, tak „díry“. Proud může protékat jako směrem k emitoru, tak směrem ke kolektoru. Pro řízení průtoku se používají určité řídicí proudy.

– široce rozšířená zařízení, ve kterých je elektrický tok řízen elektrickým polem. To znamená, že když se vytvoří větší pole, zachytí se jím více elektronů a nemůže přenášet náboje dále. To znamená, že se jedná o druh ventilu, který může změnit množství přeneseného náboje (pokud je řízen tranzistor s efektem pole p-n— přechod). Charakteristickým rysem těchto tranzistorů je jejich vysoké vstupní napětí a vysoké napěťové zesílení.

Kombinovaný– tranzistory s kombinovanými odpory nebo jiné tranzistory v jednom pouzdře. Slouží k různým účelům, ale hlavně ke zvýšení proudového zisku.

Podtypy:

Bio-tranzistory– jsou založeny na biologických polymerech využitelných v lékařství a biotechnologii bez poškození živých organismů. Byl proveden výzkum metaloproteinů, chlorofylu A (odvozeného ze špenátu) a viru tabákové mozaiky.

Jednoelektronové tranzistory– byly poprvé vytvořeny ruskými vědci v r 1996. Na rozdíl od svých předchůdců mohly pracovat při pokojové teplotě. Princip činnosti je podobný tranzistoru s efektem pole, ale je jemnější. Vysílač signálu je jeden nebo více elektronů. Tento tranzistor se také nazývá nano- a kvantový tranzistor. Pomocí této technologie doufají, že v budoucnu vytvoří tranzistory s velikostí menší než 10 nm, na základě grafen.

K čemu slouží tranzistory?

Tranzistory se používají v zesilovací obvody, lampy, elektromotory a další zařízení, kde jsou vyžadovány rychlé změny proudu nebo polohy navypnuto. Tranzistor může omezit proud resp hladce nebo metodou puls—pauza. Druhý se častěji používá pro -control. Pomocí výkonného zdroje energie ji vede skrz sebe a reguluje ji slabým proudem.

Pokud proud nestačí k zapnutí tranzistorového obvodu, použijte několik tranzistorů s větší citlivostí, zapojené kaskádovitě.

Výkonné tranzistory zapojené v jednom nebo více pouzdrech se používají v plně digitálních zesilovačích založených na. Často potřebují dodatečné chlazení. Ve většině schémat fungují klíčový režim(ve spínacím režimu).

Používají se také tranzistory v energetických systémech digitální i analogové ( základní desky, grafické karty, Zásoby energie&atd).

Centrální procesory, sestávají také z milionů a miliard tranzistorů, zapojených v určitém pořadí pro specializované výpočty.

Každá skupina tranzistorů určitým způsobem zakóduje signál a předá jej dále ke zpracování. Všechny typy a ROM paměti se skládají také z tranzistorů.

Všechno úspěchy mikroelektroniky by bylo prakticky nemožné bez vynálezu a použití tranzistorů. Je těžké si představit alespoň jedno elektronické zařízení bez alespoň jednoho tranzistoru.

Tranzistor (tranzistor, angl.) je trioda z polovodičových materiálů, se třemi výstupy, jejíž hlavní vlastností je řídit značný proud na výstupu obvodu s relativně nízkým vstupním signálem. Tranzistory s efektem pole se používají v rádiových součástkách, ze kterých se sestavují moderní komplexní elektrická zařízení. Jejich vlastnosti umožňují řešit problémy vypnutí nebo zapnutí proudu v elektrickém obvodu desky plošných spojů, případně jeho zesílení.

Co je to tranzistor s efektem pole

Tranzistor s efektem pole je zařízení se třemi nebo čtyřmi kontakty, ve kterých proud na dvou kontaktech je nastavitelný elektrické pole napětí na třetí. Proto se jim říká polní.

Kontakty:

Tranzistor s efektem pole s n-p přechodem je speciální typ tranzistoru, který slouží pro kontrolu proudu.

Od jednoduchého obyčejného se liší tím, že jím prochází proud, aniž by překročil zónu p-n přechodu, zónu vytvořenou na hranicích těchto dvou zón. Velikost p-n zóny je nastavitelná.

Tranzistory řízené polem, jejich typy

Tranzistory s efektem pole s n-p přechodem se dělí do tříd:

1. Podle typu kanálu vodiče: n nebo r. Znaménko, polarita, řídicího signálu závisí na kanálu. Znaménko by mělo být opačné než n-zóna.
2. Podle struktury zařízení: difuzní, legované podél p-n přechodu, s uzávěrem, tenkovrstvé.
3. Podle počtu kontaktů: 3 a 4-pin. V případě 4pinového zařízení funguje substrát také jako brána.
4. Podle použitých materiálů: germanium, křemík, arsenid gallia.

Třídy jsou rozděleny podle principu fungování:

• zařízení ovládané p-n přechodem;
• izolovaná brána nebo závorové zařízení Schottky.

Tranzistor řízený polem, princip činnosti

Zjednodušeně lze říci, jak pracuje tranzistor s efektem pole s řídicím p-n přechodem: rádiová součástka se skládá ze dvou zón: p - přechod a p - přechod. Zónou n protéká elektrický proud. Zóna p je překrývající se zóna, druh ventilu. Pokud na to silně stiskneš, blokuje prostor pro průchod proudu a míjí to méně. Nebo, pokud se tlak sníží, projde více. Tento tlak se provádí zvýšením napětí na kontaktu brány umístěné v zóně řeky.

Zařízení s řídicím p-n kanálovým přechodem je polovodičový wafer s elektrickou vodivostí jednoho z těchto typů. Na konce desky jsou připojeny kontakty: odtok a zdroj, uprostřed je hradlový kontakt. Provoz zařízení je založen na variabilitě tloušťky p-n přechodového prostoru. Vzhledem k tomu, že v oblasti blokování nejsou téměř žádní mobilní nosiče poplatků vodivost je nulová. V polovodičové destičce v oblasti, která není ovlivněna blokovací vrstvou, je vytvořen proudově vodivý kanál. Když je vůči zdroji aplikováno záporné napětí, na bráně se vytvoří tok, kterým vytékají nosiče náboje.

V případě izolované brány je na ní tenká vrstva dielektrika. Tento typ zařízení funguje na principu elektrického pole. K jeho zničení stačí malé množství elektřiny. Proto jsou k ochraně před statickým napětím, které může dosáhnout tisíců voltů, vytvořeny speciální kryty zařízení - pomáhají minimalizovat dopad virové elektřiny.

Proč potřebujete tranzistor s efektem pole?

Vzhledem k provozu komplexních elektronických zařízení, jako je provoz tranzistoru s efektem pole (jako jedné ze součástí integrovaného obvodu), je obtížné si představit, že hlavní směry jeho práce Pět:

1. Vysokofrekvenční zesilovače.
2. Basové zesilovače.
3. Modulace.
4. DC zesilovače.
5. Klíčová zařízení (spínače).

Na jednoduchém příkladu si činnost tranzistoru, podobně jako spínače, lze představit jako uspořádání mikrofonu s žárovkou. Mikrofon snímá zvuk, který generuje elektrický proud. Jde do uzamčeného tranzistoru s efektem pole. Proud svou přítomností zapíná zařízení, zapíná elektrický obvod, ke kterému je žárovka připojena. Kontrolka se rozsvítí, když mikrofon zachytí zvuk, ale rozsvítí se kvůli zdroji napájení, který není připojen k mikrofonu a je výkonnější.

Byla použita modulace k ovládání informačního signálu. Signál řídí frekvenci kmitání. Modulace se používá pro vysoce kvalitní zvukové signály v rozhlase, pro přenos zvuku v televizních pořadech, vysílání barevných a vysoce kvalitních televizních signálů. Používá se všude tam, kde je vyžadována práce s vysoce kvalitním materiálem.

Jako zesilovač tranzistor s efektem pole pracuje zjednodušeným způsobem: graficky lze jakýkoli signál, zejména zvukovou řadu, znázornit jako přerušovanou čáru, kde jeho délka je čas a výška zlomů je frekvence zvuku. Pro zesílení zvuku je do rádiové součástky přivedeno mohutné napětí, které přivedením slabého signálu na ovládací kontakt získává potřebné frekvence, avšak s vyššími hodnotami. Jinými slovy, zařízení proporcionálně překreslí původní řádek, ale s vyššími špičkovými hodnotami.

Aplikace tranzistorů s efektem pole

Prvním zařízením, které se začalo prodávat, bylo použití tranzistoru s efektem pole s řídicím pn přechodem naslouchátko. Jeho podoba byla zaznamenána v padesátých letech minulého století. V průmyslovém měřítku se používaly v telefonních ústřednách.

V moderním světě se používají zařízení v celé elektrotechnice. Vzhledem k malé velikosti a rozmanitosti charakteristik tranzistoru s efektem pole jej lze nalézt v kuchyňských spotřebičích, audio a televizních zařízeních, počítačích a elektronických dětských hračkách. Používají se v poplašných systémech jak zabezpečovacích mechanismů, tak požárních hlásičů.

Tranzistorová zařízení se používají v továrnách pro regulátory výkonu stroje. V dopravě, od provozu zařízení ve vlacích a lokomotivách, až po systémy vstřikování paliva soukromých automobilů. V bytových a komunálních službách od dispečerských systémů po systémy řízení veřejného osvětlení.

Jednou z nejdůležitějších aplikací tranzistorů je výroba procesoru. Ve skutečnosti se celý procesor skládá z mnoha miniaturních rádiových součástek. Ale při přechodu na provozní frekvence nad 1,5 GHz začnou spotřebovávat energii jako lavina. Výrobci procesorů se proto vydali spíše cestou vícejádrových než zvyšování taktů.

Klady a zápory tranzistorů s efektem pole

Tranzistory řízené polem a jejich vlastnosti zanechal daleko za ostatními druhy zařízení. Jsou široce používány v integrovaných obvodech jako spínače.

• kaskáda dílů spotřebovává málo energie;
• zisk je vyšší než u jiných druhů;
• vysoká odolnost proti rušení je dosažena absencí toku proudu v bráně;
• vyšší zapínací a vypínací rychlost - mohou pracovat na frekvencích nepřístupných pro jiné tranzistory.

• nižší teplota ničení než u jiných druhů;
• na frekvenci 1,5 GHz se spotřeba energie začíná prudce zvyšovat;
• citlivost na statickou elektřinu.

Umožnily to vlastnosti polovodičových materiálů, které byly brány jako základ pro tranzistory s efektem pole používat zařízení v každodenním životě a výrobě. Na základě tranzistorů byly vytvořeny domácí spotřebiče ve formě známé moderním lidem. Zpracování vysoce kvalitních signálů, výroba procesorů a dalších vysoce přesných komponentů je nemožné bez výdobytků moderní vědy.

Princip polovodičového řízení elektrického proudu byl znám na počátku dvacátého století. Přestože elektroničtí inženýři věděli, jak tranzistor funguje, pokračovali v navrhování zařízení založených na elektronkách. Důvodem takové nedůvěry k polovodičovým triodám byla nedokonalost prvních bodových tranzistorů. Rodina germaniových tranzistorů neměla stabilní charakteristiky a byla vysoce závislá na teplotních podmínkách.

Monolitické křemíkové tranzistory začaly vážně konkurovat elektronkám až koncem 50. let. Od té doby se elektronický průmysl začal rychle rozvíjet a kompaktní polovodičové triody aktivně nahradily energeticky náročné lampy z obvodů elektronických zařízení. S příchodem integrovaných obvodů, kde počet tranzistorů může dosáhnout miliard, získala polovodičová elektronika drtivé vítězství v boji za miniaturizaci zařízení.

Co je to tranzistor?

Tranzistor je ve svém moderním významu polovodičový rádiový prvek určený ke změně parametrů elektrického proudu a jeho ovládání. Konvenční polovodičová trioda má tři vývody: základnu, která přijímá řídicí signály, emitor a kolektor. Existují také vysoce výkonné kompozitní tranzistory.

Velikostní škála polovodičových součástek je nápadná - od několika nanometrů (nezabalené prvky používané v mikroobvodech) až po centimetry v průměru u výkonových tranzistorů určených pro elektrárny a průmyslová zařízení. Zpětná napětí průmyslových triod mohou dosáhnout až 1000 V.

přístroj

Konstrukčně se trioda skládá z polovodičových vrstev uzavřených v pouzdře. Polovodiče jsou materiály na bázi křemíku, germania, arsenidu galia a dalších chemických prvků. Dnes probíhá výzkum přípravy určitých typů polymerů a dokonce uhlíkových nanotrubic pro roli polovodičových materiálů. Zřejmě se v blízké budoucnosti dozvíme o nových vlastnostech grafenových tranzistorů s efektem pole.

Dříve byly polovodičové krystaly umístěny v kovových pouzdrech ve formě uzávěrů se třemi nohami. Tato konstrukce byla typická pro bodové tranzistory.

Dnes jsou návrhy většiny plochých, včetně křemíkových polovodičových součástek, vyráběny na bázi jednoho krystalu dopovaného v určitých částech. Lisují se do plastových, kovo-skleněných nebo metalokeramických pouzder. Některé z nich mají vyčnívající kovové desky pro odvod tepla, které jsou připevněny k radiátorům.

Elektrody moderních tranzistorů jsou uspořádány v jedné řadě. Toto uspořádání nohou je vhodné pro automatickou montáž desky. Svorky nejsou na krytech označeny. Typ elektrody je určen z referenčních knih nebo měřením.

Pro tranzistory se používají polovodičové krystaly s různou strukturou, např. p-n-p nebo n-p-n. Liší se polaritou napětí na elektrodách.

Schematicky lze strukturu tranzistoru znázornit jako dvě polovodičové diody oddělené další vrstvou. (Viz obrázek 1). Právě přítomnost této vrstvy umožňuje řídit vodivost polovodičové triody.

Rýže. 1. Struktura tranzistorů

Obrázek 1 schematicky znázorňuje strukturu bipolárních triod. Existuje také třída tranzistorů s efektem pole, o kterých bude pojednáno níže.

Základní princip fungování

V klidu neprotéká mezi kolektorem a emitorem bipolární triody žádný proud. Elektrickému proudu brání odpor přechodu emitoru, který vzniká v důsledku interakce vrstev. Chcete-li zapnout tranzistor, musíte na jeho základnu přivést malé napětí.

Obrázek 2 ukazuje schéma vysvětlující princip činnosti triody.

Rýže. 2. Princip fungování

Ovládáním základních proudů můžete zařízení zapínat a vypínat. Pokud je na základnu přiveden analogový signál, změní se amplituda výstupních proudů. V tomto případě bude výstupní signál přesně opakovat kmitání na základní elektrodě. Jinými slovy, elektrický signál přijatý na vstupu bude zesílen.

Polovodičové triody tedy mohou pracovat v režimu elektronického spínače nebo v režimu zesílení vstupního signálu.

Činnost zařízení v režimu elektronického klíče lze pochopit z obrázku 3.

Rýže. 3. Trioda ve spínacím režimu

Označení na schématech

Společné označení: "VT" nebo "Q", za kterým následuje poziční index. Například VT 3. Na dřívějších diagramech můžete najít zastaralá označení: „T“, „PP“ nebo „PT“. Tranzistor je znázorněn jako symbolické čáry označující odpovídající elektrody, zakroužkované nebo ne. Směr proudu v emitoru je označen šipkou.

Obrázek 4 ukazuje obvod ULF, ve kterém jsou tranzistory označeny novým způsobem, a obrázek 5 ukazuje schematické obrázky různých typů tranzistorů s efektem pole.

Rýže. 4. Příklad ULF obvodu s použitím triod

Typy tranzistorů

Na základě principu činnosti a struktury se polovodičové triody rozlišují:

• pole;
• bipolární;
• kombinovaný.

Tyto tranzistory plní stejné funkce, ale existují rozdíly v principu jejich činnosti.

Pole

Tento typ triody se také nazývá unipolární, kvůli jeho elektrickým vlastnostem - vedou proud pouze jedné polarity. Na základě struktury a typu ovládání se tato zařízení dělí na 3 typy:

1. Tranzistory s řídicím p-n přechodem (obr. 6).
2. S izolovanou bránou (k dispozici s vestavěným nebo indukovaným kanálem).
3. MIS, se strukturou: kov-dielektrikum-vodič.

Charakteristickým rysem izolované brány je přítomnost dielektrika mezi ní a kanálem.

Díly jsou velmi citlivé na statickou elektřinu.

Obvody polních triod jsou znázorněny na obrázku 5.

Rýže. 5. Tranzistory s efektem pole
Rýže. 6. Fotografie skutečné triody s efektem pole

Věnujte pozornost názvům elektrod: odtok, zdroj a brána.

Tranzistory s efektem pole spotřebují velmi málo energie. Na malou baterii nebo dobíjecí baterii mohou fungovat déle než rok. Proto jsou široce používány v moderních elektronických zařízeních, jako jsou dálkové ovladače, mobilní gadgety atd.

Bipolární

O tomto typu tranzistoru bylo již mnoho řečeno v podkapitole „Základní princip činnosti“. Poznamenejme pouze, že zařízení dostalo název „Bipolární“ kvůli své schopnosti přenášet náboje opačných znamének jedním kanálem. Jejich vlastností je nízká výstupní impedance.

Tranzistory zesilují signály a fungují jako spínací zařízení. Ke kolektorovému okruhu lze připojit poměrně silnou zátěž. Díky vysokému kolektorovému proudu lze snížit zátěžový odpor.

Podívejme se na strukturu a princip fungování podrobněji níže.

Kombinovaný

Aby bylo dosaženo určitých elektrických parametrů z použití jednoho diskrétního prvku, vynalezli vývojáři tranzistorů kombinované konstrukce. Mezi ně patří:

• s vestavěnými odpory a jejich obvodem;
• kombinace dvou triod (stejné nebo různé struktury) v jednom balení;
• lambda diody - kombinace dvou triod s efektem pole tvořící sekci se záporným odporem;
• konstrukce, ve kterých trioda s efektem pole s izolovaným hradlem řídí bipolární triodu (používá se k ovládání elektromotorů).

Kombinované tranzistory jsou ve skutečnosti elementární mikroobvod v jednom pouzdru.

Jak funguje bipolární tranzistor? Pokyny pro figuríny

Činnost bipolárních tranzistorů je založena na vlastnostech polovodičů a jejich kombinací. Abychom pochopili princip činnosti triod, pochopme chování polovodičů v elektrických obvodech.

Polovodiče.

Některé krystaly, jako je křemík, germanium atd., jsou dielektrika. Mají ale jednu vlastnost – pokud přidáte určité nečistoty, stanou se z nich vodiče se speciálními vlastnostmi.

Některé přísady (donory) vedou ke vzniku volných elektronů, zatímco jiné (akceptory) vytvářejí „díry“.

Pokud je např. křemík dopován fosforem (donor), získáme polovodič s přebytkem elektronů (struktura n-Si). Přidáním boru (akceptoru) se z dopovaného křemíku stane děrově vodivý polovodič (p-Si), což znamená, že jeho struktuře budou dominovat kladně nabité ionty.

Jednosměrné vedení.

Proveďme myšlenkový experiment: připojte dva různé typy polovodičů ke zdroji energie a přiveďte proud do našeho návrhu. Stane se něco nečekaného. Pokud záporný vodič připojíte ke krystalu typu n, obvod bude dokončen. Když však přepólujeme, v obvodu nebude žádná elektřina. Proč se tohle děje?

V důsledku spojování krystalů s různými typy vodivosti mezi nimi vzniká oblast s p-n přechodem. Některé elektrony (nosiče náboje) z krystalu typu n proudí do krystalu s děrovou vodivostí a rekombinují díry v kontaktní zóně.

V důsledku toho vznikají nekompenzované náboje: v oblasti typu n - od záporných iontů a v oblasti typu p od kladných iontů. Rozdíl potenciálů dosahuje hodnot od 0,3 do 0,6 V.

Vztah mezi napětím a koncentrací nečistot lze vyjádřit vzorcem:

φ= V T*ln( Nn* Np)/n 2 i , kde

V T – hodnota termodynamického napětí, Nn A Np – koncentrace elektronů, respektive děr, a n i označuje vnitřní koncentraci.

Při připojení plus na p-vodič a mínus na n-polovodič, elektrické náboje překoná bariéru, protože jejich pohyb bude namířen proti elektrickému poli uvnitř p-n přechodu. V tomto případě je přechod otevřený. Ale pokud jsou póly obráceny, přechod bude uzavřen. Z toho plyne závěr: p-n přechod tvoří jednosměrnou vodivost. Této vlastnosti se využívá při návrhu diod.

Od diody k tranzistoru.

Pokusme se zkomplikovat. Přidejme další vrstvu mezi dva polovodiče se stejnými strukturami. Například mezi křemíkové destičky typu p vložíme vodivou vrstvu (n-Si). Není těžké odhadnout, co se bude dít v kontaktních zónách. Analogicky s výše popsaným procesem se vytvoří oblasti s p-n přechody, které budou blokovat pohyb elektrických nábojů mezi emitorem a kolektorem, bez ohledu na polaritu proudu.

To nejzajímavější se stane, když na vrstvu (základnu) přivedeme mírné napětí. V našem případě použijeme proud se záporným znaménkem. Stejně jako v případě diody je vytvořen obvod emitor-báze, kterým bude protékat proud. Současně se vrstva začne nasytit dírami, což povede k vedení dírami mezi emitorem a kolektorem.

Podívejte se na obrázek 7. Ukazuje, že kladné ionty vyplnily celý prostor naší podmíněné struktury a nyní nic neruší vedení proudu. Získali jsme vizuální model bipolárního tranzistoru s p-n-p strukturou.

Rýže. 7. Princip činnosti triody

Při odbuzení báze se tranzistor velmi rychle vrátí do původního stavu a uzavře se kolektorový přechod.

Zařízení může také pracovat v režimu zesílení.

Kolektorový proud je přímo úměrný proudu báze : jáNa= ß* jáB , Kde ß – aktuální zisk, jáB – základní proud.

Pokud změníte hodnotu řídicího proudu, změní se intenzita tvorby děr na základně, což bude mít za následek úměrnou změnu amplitudy výstupního napětí při zachování frekvence signálu. Tento princip se používá k zesílení signálů.

Přivedením slabých impulsů na bázi získáme na výstupu stejnou frekvenci zesílení, ale s mnohem větší amplitudou (nastavenou napětím přivedeným na obvod kolektor-emitor).

NPN tranzistory fungují podobným způsobem. Mění se pouze polarita napětí. Zařízení se strukturou n-p-n mají přímou vodivost. Tranzistory typu pnp mají zpětnou vodivost.

Zbývá dodat, že polovodičový krystal reaguje podobně jako ultrafialové spektrum světla. Zapínáním a vypínáním toku fotonů nebo úpravou jeho intenzity můžete ovládat činnost triody nebo měnit odpor polovodičového rezistoru.

Propojovací obvody bipolárních tranzistorů

Návrháři obvodů používají následující schémata zapojení: se společnou bází, společnými emitorovými elektrodami a zapojením se společným kolektorem (obr. 8).

Rýže. 8. Schémata zapojení bipolárních tranzistorů

Zesilovače se společnou základnou se vyznačují:

• nízká vstupní impedance, která nepřesahuje 100 ohmů;
• dobré teplotní vlastnosti a frekvenční charakteristiky triody;
• vysoké přípustné napětí;
• jsou zapotřebí dva různé zdroje energie.

Obvody společných emitorů mají:

• vysoký proud a napěťový zisk;
• nízký výkonový zisk;
• inverze výstupního napětí vzhledem ke vstupu.

S tímto zapojením stačí jeden napájecí zdroj.

Schéma zapojení založené na principu „společného kolektoru“ poskytuje:

• vysoký vstupní a nízký výstupní odpor;
• nízkonapěťový ziskový faktor (< 1).

Jak funguje tranzistor s efektem pole? Vysvětlení pro figuríny

Struktura tranzistoru s efektem pole se od bipolárního liší tím, že proud v něm neprochází zónou p-n přechodu. Nálože se pohybují kontrolovanou oblastí nazývanou brána. Propustnost brány je řízena napětím.

Prostor zóny p-n se vlivem elektrického pole zmenšuje nebo zvětšuje (viz obr. 9). Podle toho se mění i počet volných nosičů náboje – od úplného zničení až po extrémní saturaci. V důsledku tohoto vlivu na hradlo je regulován proud na kolektorových elektrodách (kontaktech, které vydávají zpracovaný proud). Vstupní proud protéká přes kontakty zdroje.

Obrázek 9. Tranzistor řízený polem s p-n přechodem

Polní triody s vestavěným a indukovaným kanálem fungují na podobném principu. Jejich schémata jste viděli na obrázku 5.

Připojovací obvody tranzistorů s efektem pole

V praxi se schémata zapojení používají analogicky s bipolární triodou:

• se společným zdrojem - produkuje velký zisk proudu a výkonu;
• obvody se společným hradlem poskytují nízkou vstupní impedanci a zanedbatelné zesílení (má omezené použití);
• obvody se společným odběrem, které fungují stejným způsobem jako obvody se společným emitorem.

Obrázek 10 ukazuje různá schémata připojení.

Rýže. 10. Zobrazení schémat zapojení polních triod

Téměř každý obvod je schopen pracovat při velmi nízkém vstupním napětí.

Videa vysvětlující jednoduchým jazykem princip činnosti tranzistoru

Obvykle může být bipolární tranzistor nakreslen ve formě polovodičové desky s měnícími se oblastmi různé vodivosti, sestávající ze dvou p-n přechodů. Navíc vnější oblasti desky mají jeden typ vodivosti a střední oblast má opačný typ, každá oblast má svůj vlastní osobní výstup.

V závislosti na střídání těchto oblastí mají tranzistory vodivost p-n-p, respektive n-p-n.

A pokud vezmeme a pokryjeme kteroukoli část tranzistoru, dostaneme polovodič s jedním pn přechodem nebo diodu. To naznačuje závěr, že bipolární tranzistor může být konvenčně reprezentován jako dva polovodiče s jednou společnou zónou, spojené zády k sobě.

Část tranzistoru, jejímž účelem je vstřikovat nosiče náboje do báze, se nazývá emitor a příslušný p-n přechod je emitor a ta část prvku, jejímž účelem je odstranit nebo extrahovat náboj nosiče ze základny, se nazývá kolektor a p-n přechod je kolektor. Obecná oblast se nazývala základna.

Rozdíl v označení různých struktur je pouze ve směru šipky emitoru: v p-n-p směřuje k základně a v n-p-n naopak pryč od základny.

Jaký je rozdíl mezi tranzistory PNP a NPN? V tomto videu jsem se pokusil ukázat rozdíl v činnosti dvou typů bipolárních tranzistorů. K demonstraci funkce jsem použil snadno dostupné rádiové komponenty, jako je LED (a rezistor pro ochranu). Například jsem použil tranzistory jako 2n2907 a bc337. Napětí jsem reguloval pomocí proměnného rezistoru (potenciometru).

V počátečním období vývoje polovodičové elektroniky se vyráběly pouze z germania technologií tavení nečistot, proto se jim říkalo slitiny. Základem je například krystal germania a do něj tavím malé kousky india.

Atomy india pronikají do těla krystalu germania a vytvářejí v něm dvě oblasti – kolektor a emitor. Mezi nimi zůstává velmi tenká vrstva několika mikronů polovodiče opačného typu - báze. A aby byl krystal schován před světlem, je ukryt v pouzdře.

Na obrázku je vidět, že ke kovovému disku, který je výstupem ze základny, je přivařen držák krystalu a ve spodní části disku je jeho vnější drátěný výstup.

Vnitřní vývody kolektoru a emitoru jsou přivařeny k vodičům vnějších elektrod.

S rozvojem elektroniky začali zpracovávat křemíkové krystaly a vynalezli křemíková zařízení, která téměř úplně vyřadila germaniové tranzistory.

Jsou schopny pracovat při vyšších teplotách, mají nižší zpětný proud a vyšší průrazné napětí.

Hlavní výrobní metodou je planární technologie. U takových tranzistorů jsou p-n přechody umístěny ve stejné rovině. Princip metody je založen na difúzi nebo fúzi nečistoty do křemíkového plátku, který může být v plynné, kapalné nebo pevné složce. Při zahřátí na přísně pevnou teplotu difundují prvky nečistot do křemíku.

V tomto případě jedna z kuliček vytváří tenkou základní oblast a druhá vytváří oblast emitoru. V důsledku toho se v křemíku vytvoří dva p-n přechody. Pomocí této technologie se v továrnách vyrábí nejběžnější typy křemíkových tranzistorů.

Kromě toho se pro výrobu tranzistorových struktur široce používají kombinované metody: fúze a difúze nebo různé možnosti difúze, například oboustranné nebo oboustranné.

Udělejme si praktický pokus, k tomu budeme potřebovat jakýkoliv tranzistor a žárovku ze staré baterky a trochu montážního drátu, abychom mohli tento obvod sestavit.

Praktická zkušenost s provozem tranzistoru pro začátečníky

Žárovka svítí, protože na kolektorový přechod je přivedeno dopředné předpětí, které odblokuje kolektorový přechod a protéká jím kolektorový proud Ik. Jeho hodnota závisí na odporu vlákna žárovky a vnitřním odporu baterie nebo zdroje.

Nyní uveďme tento diagram ve strukturální podobě:

Protože v oblasti N jsou hlavními nosiči náboje elektrony, procházejí potenciálovou bariérou p-n přechodu, vstupují do oblasti děr typu p a stávají se menšinovými nosiči náboje, kde je začínají pohlcovat většinovými nosiči dírami. Stejně tak otvory z kolektoru mají tendenci se dostat do základní oblasti a jsou pohlcovány hlavními nosiči náboje, elektrony.

Vzhledem k tomu, že základna je v mínusu zdroje energie, bude k ní proudit mnoho elektronů, které kompenzují ztráty z oblasti základny. A kolektor, připojený k plusu přes vlákno lampy, je schopen přijmout stejné číslo, takže koncentrace otvorů bude obnovena.

Vodivost pn přechodu se výrazně zvýší a kolektorovým přechodem začne protékat kolektorový proud Ik. A čím je vyšší, tím silněji bude žárovka hořet.

Podobné procesy se vyskytují v obvodu přechodu emitoru. Obrázek ukazuje možnost zapojení obvodu pro druhý experiment.

Udělejme další praktický pokus a zapojme bázi tranzistoru do plusu zdroje. Žárovka nesvítí, jelikož jsme p-n přechod tranzistoru zapojili v opačném směru a odpor přechodu prudce vzrostl a protéká jím jen velmi malý zpětný kolektorový proud Ikbo, který není schopen světlo zapálit. žárovkové vlákno.

Proveďme další zajímavý experiment: připojte žárovku podle obrázku. Kontrolka nesvítí, pojďme zjistit proč.

Pokud je na emitor a kolektor přivedeno napětí, pak pro jakoukoli polaritu zdroje energie bude jeden z přechodů vpřed a druhý obrácený, a proto nebude protékat proud a žárovka se nerozsvítí.

Z blokového diagramu je velmi jasné, že přechod emitoru je dopředně zaujatý a otevřený a čeká na příjem volných elektronů. Kolektorový přechod je naopak zapojen v opačném směru a zabraňuje vstupu elektronů do báze. Mezi kolektorem a základnou se vytvoří potenciální bariéra, která poskytne velký odpor proudu a lampa nebude svítit.

Do našeho obvodu přidáme jen jednu propojku, která propojí emitor a patici, ale žárovka stále nesvítí.

Zde je v zásadě vše jasné: když jsou základna a emitor zkratovány propojkou, kolektorový přechod se změní na diodu, která přijímá zpětné předpětí.

Místo propojky nainstalujme odpor Rb s nominální hodnotou 200 - 300 Ohmů a další zdroj 1,5 voltu. Jeho mínus připojíme přes Rb k bázi a jeho plus k emitoru. A stal se zázrak, žárovka se rozsvítila.

Lampa se rozsvítila, protože jsme mezi základnu a emitor zapojili přídavný zdroj energie a tím jsme přivedli stejnosměrné napětí na přechod emitoru, což vedlo k jeho otevření a protékal jím stejnosměrný proud, který odblokoval kolektorový přechod tranzistoru. Tranzistor se otevře a protéká jím kolektorový proud Ik, mnohonásobně větší než proud emitor-báze. A tak tento proud rozsvítil žárovku.

Pokud změníme polaritu přídavného zdroje energie a aplikujeme plus na základnu, uzavře se přechod emitoru a následně přechod kolektoru. Reverzní Ikbo proteče tranzistorem a žárovka přestane svítit.

Hlavní funkcí rezistoru Rb je omezit proud v základním obvodu. Pokud je do báze přivedeno všech 1,5 voltů, pak přes přechod bude protékat příliš velký proud, v důsledku čehož dojde k tepelnému rozpadu přechodu a tranzistor může shořet. U germaniových tranzistorů by mělo být napětí hradla asi 0,2 voltu a u křemíkových 0,7 voltu.

Přejděme k blokovému schématu: Při přivedení dalšího napětí na bázi se otevře přechod emitoru a volné otvory z emitoru se vzájemně pohltí základními elektrony, čímž vznikne stejnosměrný proud báze Ib.

Ale ne všechny díry vstupující do základny se rekombinují s elektrony. Vzhledem k tomu, že oblast báze je poměrně úzká, pouze malá část otvorů je absorbována základními elektrony.

Hlavní objem otvorů emitoru přeskočí základnu a spadne pod vyšší úroveň záporného napětí v kolektoru a spolu s otvory kolektoru proudí na jeho zápornou svorku, kde jsou vzájemně pohlcovány elektrony z hlavního zdroje GB. Odpor obvodu emitor-báze-kolektor prudce klesne a začne v něm protékat stejnosměrný kolektorový proud Ik, mnohonásobně větší než je proud báze Ib obvodu emitor-báze.

Čím vyšší je úroveň odblokovacího napětí na základně, tím vyšší je počet otvorů od emitoru k základně, tím vyšší je hodnota proudu v kolektoru. A naopak, čím nižší je odblokovací napětí na bázi, tím nižší je proud v kolektorovém obvodu.

V těchto experimentech začínajícího radioamatéra na principech činnosti tranzistoru je v jednom ze dvou stavů: otevřený nebo zavřený. Přepínání z jednoho stavu do druhého se provádí působením odblokovacího napětí na základně Ub. Tento režim činnosti tranzistoru v elektronice se nazývá klíčový režim. Používá se v přístrojích a automatizačních zařízeních.

V režimu zesílení pracuje tranzistorový zesilovač v obvodech přijímače a zesilovačích audio frekvence (USF a ULF). Při provozu se v obvodu báze používají malé proudy, které řídí velké proudy v kolektoru To je rozdíl mezi režimem zesílení a režimem spínání, který pouze otevírá nebo zavírá tranzistor v závislosti na napětí na bázi.

Tranzistor je velmi běžná aktivní rádiová součástka, která se nachází téměř ve všech obvodech, a velmi často, zejména při experimentálních kurzech osvojování si základů elektroniky, selhává. Proto bez dovednosti kontroly tranzistorů je lepší nezasahovat do elektroniky. Pojďme tedy zjistit, jak zkontrolovat tranzistor.