Princip činnosti tranzistoru zjednodušeně. Princip činnosti tranzistorů

Tranzistor je zařízení, které pracuje na polovodičích s elektronickou náplní. Je navržen tak, aby transformoval a zesiloval elektrické signály. Existují dva typy zařízení: unipolární tranzistor nebo tranzistor s efektem pole.

Pokud v tranzistoru pracují současně dva typy nosičů náboje – díry a elektrony, pak se nazývá bipolární. Pokud v tranzistoru funguje pouze jeden typ náboje, pak je unipolární.

Představte si fungování obyčejného vodovodního kohoutku. Otočte ventilem - průtok vody se zvýšil, otočte na druhou stranu - průtok se snížil nebo zastavil. V praxi jde o princip činnosti tranzistoru. Jen místo vody jím protéká proud elektronů. Princip činnosti bipolárního tranzistoru se vyznačuje tím, že tímto elektronickým zařízením protékají dva typy proudu. Dělí se na velké, neboli hlavní, a malé, neboli manažerské. Navíc výkon řídicího proudu ovlivňuje výkon hlavního. Uvažujme, že princip jeho fungování se liší od ostatních. Prochází jím pouze jeden, což závisí na okolí

Bipolární tranzistor je vyroben ze 3 vrstev polovodiče a také, což je nejdůležitější, ze dvou PN přechodů. Je nutné rozlišovat mezi PNP a NPN přechody, a tedy tranzistory. Tyto polovodiče střídají elektronovou a děrovou vodivost.

Bipolární tranzistor má tři kontakty. To je základna, kontakt vycházející z centrální vrstvy a dvě elektrody na okrajích - emitor a kolektor. Ve srovnání s těmito vnějšími elektrodami je základní vrstva velmi tenká. Na okrajích tranzistoru není oblast polovodiče symetrická. Pro správnou funkci tohoto zařízení musí být polovodičová vrstva umístěná na straně kolektoru mírně, ale silnější než na straně emitoru.

Princip činnosti tranzistoru je založen na fyzikálních procesech. Pojďme pracovat s modelem PNP. Činnost modelu NPN bude podobná, s výjimkou polarity napětí mezi základními prvky, jako je kolektor a emitor. Bude nasměrován opačným směrem.

Látka typu P obsahuje díry nebo kladně nabité ionty. Látka typu N se skládá ze záporně nabitých elektronů. V tranzistoru, který uvažujeme, je počet děr v oblasti P mnohem větší než počet elektronů v oblasti N.

Když je zdroj napětí zapojen mezi části, jako je emitor a kolektor, principy činnosti tranzistoru jsou založeny na skutečnosti, že otvory se začnou přitahovat k pólu a shromažďují se v blízkosti emitoru. Ale neteče proud. Elektrické pole ze zdroje napětí se nedostane do kolektoru z důvodu silné vrstvy emitorového polovodiče a základní polovodičové vrstvy.
Poté zapojíme zdroj napětí s jinou kombinací prvků, a to mezi bázi a emitor. Nyní jsou otvory nasměrovány k základně a začnou interagovat s elektrony. Střední část základny je prosycena otvory. V důsledku toho se tvoří dva proudy. Velké - od emitoru ke kolektoru, malé - od základny k emitoru.

S rostoucím napětím v bázi bude ve vrstvě N ještě více děr, proud báze se zvýší a proud emitoru se mírně zvýší. To znamená, že s malou změnou proudu báze se proud emitoru poměrně vážně zvyšuje. V důsledku toho získáme zvýšení signálu v bipolárním tranzistoru.

Zvažme principy činnosti tranzistoru v závislosti na jeho provozních režimech. Existují normální aktivní režim, inverzní aktivní režim saturace a režim cutoff.
Když je provozní režim aktivní, přechod emitoru je otevřený a přechod kolektoru je uzavřen. V režimu inverze se vše děje naopak.

Pokud vezmeme v úvahu mechanické analogy, funkce tranzistorů připomíná princip fungování hydraulického posilovače řízení v autě. Ale podobnost je platná pouze při prvním přiblížení, protože tranzistory nemají ventily. V tomto článku budeme samostatně zvažovat provoz bipolárního tranzistoru.

Bipolární tranzistorové zařízení

Základem bipolárního tranzistorového zařízení je polovodičový materiál. První polovodičové krystaly pro tranzistory byly vyrobeny z germania, dnes se častěji používá křemík a arsenid gallia. Nejprve se vyrobí čistý polovodičový materiál s dobře uspořádanou krystalovou mřížkou. Poté dostane krystal požadovaný tvar a do jeho složení se vnese speciální nečistota (materiál je dopován), což mu dává určité vlastnosti elektrické vodivosti. Pokud je vodivost způsobena pohybem přebytečných elektronů, je definována jako donor typu n (elektronický). Pokud je vodivost polovodiče způsobena postupným nahrazováním volných míst, tzv. děr, elektrony, pak se taková vodivost nazývá akceptor (díra) a označuje se jako vodivost typu p.

Obrázek 1

Krystal tranzistoru se skládá ze tří částí (vrstev) se sekvenčním střídáním typu vodivosti (n-p-n nebo p-n-p). Přechody z jedné vrstvy do druhé tvoří potenciální bariéry. Přechod od báze k emitoru se nazývá emitor(EP), sběrateli – kolektor(KP). Na obrázku 1 je struktura tranzistoru znázorněna jako symetrická, idealizovaná. V praxi jsou při výrobě rozměry ploch výrazně asymetrické, přibližně jak je znázorněno na obrázku 2. Plocha kolektorového přechodu je výrazně větší než emitorového přechodu. Základní vrstva je velmi tenká, řádově několik mikronů.

Obrázek 2

Princip činnosti bipolárního tranzistoru

Podobně funguje jakýkoli p-n přechod tranzistoru. Když je na jeho póly aplikován potenciálový rozdíl, je „posunutý“. Pokud je aplikovaný potenciálový rozdíl podmíněně kladný a pn přechod se otevře, říká se, že přechod je dopředně zaujatý. Když je aplikován podmíněně záporný potenciálový rozdíl, dojde k opačnému předpětí přechodu, na kterém je uzamčen. Charakteristickým rysem činnosti tranzistoru je, že při kladném předpětí alespoň jednoho přechodu je obecná oblast, nazývaná báze, nasycena elektrony nebo elektronovými vakanci (v závislosti na typu vodivosti základního materiálu), což způsobuje významné snížení potenciální bariéry druhého přechodu a v důsledku toho jeho vodivost při zpětném předpětí.

Provozní režimy

Všechny tranzistorové připojovací obvody lze rozdělit do dvou typů: normální A inverzní.

Obrázek 3

Normální tranzistorový spínací obvod zahrnuje změnu elektrické vodivosti kolektorového přechodu řízením předpětí emitorového přechodu.

Inverzní schéma, na rozdíl od normálního, umožňuje řídit vodivost přechodu emitoru řízením předpětí kolektorového přechodu. Inverzní obvod je symetrický analog normálního, ale kvůli strukturální asymetrii bipolárního tranzistoru je pro použití neúčinný, má přísnější omezení na maximální přípustné parametry a prakticky se nepoužívá.

S jakýmkoli spínacím obvodem může tranzistor pracovat ve třech režimech: Režim cut-off, aktivní režim A saturační režim.

Pro popis práce je směr elektrického proudu v tomto článku konvenčně považován za směr elektronů, tj. od záporného pólu napájecího zdroje ke kladnému pólu. K tomu použijeme schéma na obrázku 4.

Obrázek 4.

Režim cut-off

Pro pn přechod existuje minimální dopředné předpětí, při kterém jsou elektrony schopny překonat potenciální bariéru tohoto přechodu. To znamená, že při dopředném předpětí až do této prahové hodnoty nemůže přechodem protékat žádný proud. U křemíkových tranzistorů je hodnota této prahové hodnoty přibližně 0,6 V. Tedy u běžného spínacího obvodu, kdy dopředné předpětí přechodu emitoru nepřekročí 0,6 V (u křemíkových tranzistorů), neteče bází žádný proud, je nenasycené elektrony a v důsledku toho nedochází k emisi základních elektronů do oblasti kolektoru, tzn. Neexistuje žádný kolektorový proud (nula).

Pro režim cutoff jsou tedy nezbytnými podmínkami identity:

U BE<0,6 В

I B = 0

Aktivní režim

V aktivním režimu je přechod emitoru předpjatý v propustném směru až do okamžiku odblokování (proud začne téci) s napětím větším než 0,6 V (u křemíkových tranzistorů) a přechod kolektoru v opačném směru. Pokud má báze vodivost typu p, jsou z emitoru do báze přenášeny (injektovány) elektrony, které jsou okamžitě distribuovány v tenké vrstvě báze a téměř všechny dosáhnou hranice kolektoru. Nasycení báze elektrony vede k výraznému zmenšení velikosti kolektorového přechodu, kterým jsou elektrony pod vlivem negativního potenciálu z emitoru a báze vytlačovány do kolektorové oblasti, protékající kolektorovou koncovkou, čímž způsobující kolektorový proud. Velmi tenká vrstva základny omezuje její maximální proud procházející velmi malým průřezem ve směru výstupu ze základny. Ale tato malá tloušťka báze způsobuje její rychlé nasycení elektrony. Významná je oblast přechodu, která vytváří podmínky pro tok významného proudu emitor-kolektor, desítek a stovekkrát většího než proud báze. Průchodem malých proudů základnou tedy můžeme vytvořit podmínky pro průchod mnohem větších proudů kolektorem. Čím větší je proud báze, tím větší je jeho saturace a tím větší je kolektorový proud. Tento režim umožňuje plynule řídit (regulovat) vodivost kolektorového přechodu odpovídající změnou (regulací) proudu báze. Tato vlastnost aktivního režimu tranzistoru se využívá v různých zesilovacích obvodech.

V aktivním režimu je emitorový proud tranzistoru součtem proudu báze a kolektoru:

I E = Já K + já B

Kolektorový proud lze vyjádřit jako:

I K = α já E

kde α je koeficient přenosu proudu emitoru

Z výše uvedených rovností můžeme získat následující:

kde β je základní proudový zesilovací faktor.

Režim saturace

Hranice pro zvýšení proudu báze do okamžiku, kdy kolektorový proud zůstane nezměněn, určuje bod maximálního nasycení báze elektrony. Další zvýšení proudu báze nezmění stupeň její saturace a nijak neovlivní proud kolektoru, může dojít k přehřátí materiálu v oblasti kontaktu báze a selhání tranzistoru. Referenční data pro tranzistory mohou udávat hodnoty saturačního proudu a maximálního přípustného proudu báze nebo saturačního napětí emitor-báze a maximálního přípustného napětí báze emitoru. Tyto limity určují režim saturace tranzistoru za normálních provozních podmínek.

Režim cutoff a režim saturace jsou účinné, když tranzistory fungují jako elektronické spínače pro spínání signálových a výkonových obvodů.

Rozdíl v principu činnosti tranzistorů s různými strukturami

Výše byl zvažován případ provozu n-p-n tranzistoru. Tranzistory struktur pnp fungují podobně, ale existují zásadní rozdíly, které byste měli vědět. Polovodičový materiál s akceptorovou vodivostí typu p má relativně nízkou propustnost elektronů, protože je založen na principu přechodu elektronů z jednoho prázdného místa (díry) do druhého. Když jsou všechna volná místa nahrazena elektrony, jejich pohyb je možný pouze tehdy, když se volná místa objevují ve směru pohybu. S významnou oblastí takového materiálu bude mít významný elektrický odpor, což vede k větším problémům při použití jako nejmasivnější kolektor a emitor p-n-p bipolárních tranzistorů než při použití ve velmi tenké základní vrstvě n-p-n tranzistorů. Polovodičový materiál s donorovou vodivostí typu n má elektrické vlastnosti vodivých kovů, díky čemuž je výhodnější pro použití jako emitor a kolektor, jako u tranzistorů n-p-n.

Tento charakteristický rys různých bipolárních tranzistorových struktur vede k velkým potížím při výrobě párů součástek s různými strukturami a navzájem podobnými elektrickými charakteristikami. Pokud budete věnovat pozornost referenčním údajům pro charakteristiky párů tranzistorů, všimnete si, že když jsou stejné charakteristiky dosaženy pro dva tranzistory různých typů, například KT315A a KT361A, navzdory jejich stejnému kolektorovému výkonu (150 mW) a přibližně stejné proudové zesílení (20-90), mají různé maximální přípustné kolektorové proudy, napětí emitoru a báze atd.

P.S. Tento popis principu činnosti tranzistoru byl interpretován z pozice ruské teorie, proto zde chybí popis působení elektrických polí na fiktivní kladné a záporné náboje. Ruská fyzika umožňuje používat jednodušší, srozumitelné mechanické modely, které jsou bližší realitě než abstrakce v podobě elektrických a magnetických polí, kladných a elektrických nábojů, které nám tradiční škola zrádně dlaní. Z tohoto důvodu nedoporučuji používat uvedenou teorii bez předběžné analýzy a porozumění při přípravě na testy, ročníkové práce a další typy práce, vaši učitelé jednoduše nepřijmou nesouhlas, dokonce i konkurenční a z běžného hlediska zcela konzistentní smysl a logiku. Navíc z mé strany jde o první pokus popsat fungování polovodičového zařízení z pozice ruské fyziky, lze jej v budoucnu zpřesnit a doplnit.

Co znamená slovo "tranzistor"?

Tranzistor nedostal hned tak známé jméno. Zpočátku, analogicky s technologií lamp, to bylo tzv polovodičová trioda. Moderní název se skládá ze dvou slov. První slovo je „transfer“ (zde se okamžitě vybaví „transformátor“) znamená vysílač, převodník, přenašeč. A druhá polovina slova připomíná slovo „rezistor“ - součást elektrických obvodů, jejichž hlavní vlastností je elektrický odpor.

Právě tento odpor se nachází v Ohmově zákoně a mnoha dalších elektrotechnických vzorcích. Proto lze slovo „tranzistor“ interpretovat jako odporový převodník. V podstatě stejným způsobem jako v hydraulice jsou změny průtoku kapaliny regulovány ventilem. V tranzistoru taková „západka“ mění množství elektrických nábojů, které vytvářejí elektrický proud. Tato změna není nic jiného než změna vnitřního odporu polovodičové součástky.

Zesilování elektrických signálů

Nejběžnější prováděná operace tranzistory, je zesílení elektrických signálů. To ale není úplně správný výraz, protože slabý signál z mikrofonu tak zůstává.

Zesílení je vyžadováno také při příjmu rozhlasu a televize: slabý signál z antény o výkonu miliardtin wattu musí být dostatečně zesílen, aby na obrazovce vznikl zvuk nebo obraz. A to už je výkon několika desítek, v některých případech i stovek wattů. Proces zesílení tedy spočívá v použití dodatečných zdrojů energie přijímané z napájecího zdroje pro získání výkonné kopie slabého vstupního signálu. Jinými slovy, vliv nízkého příkonu řídí silné energetické toky.

Posilování v dalších oblastech techniky a přírody

Takové příklady lze nalézt nejen v elektrických obvodech. Například když sešlápnete plynový pedál, rychlost auta se zvýší. Zároveň nemusíte sešlápnout plynový pedál příliš silně - v porovnání s výkonem motoru je síla, kterou na pedál sešlápnete, zanedbatelná. Pro snížení rychlosti budete muset pedál trochu uvolnit a zeslabit vstupní vliv. V této situaci je benzín silným zdrojem energie.

Stejný efekt lze pozorovat v hydraulice: k otevření elektromagnetického ventilu, například v obráběcím stroji, se spotřebuje velmi málo energie. A tlak oleje na píst mechanismu může vytvořit sílu několika tun. Tuto sílu lze upravit, pokud je v olejovém potrubí umístěn nastavitelný ventil, jako u běžné kuchyňské baterie. Trochu to zavřete - tlak klesl, síla se snížila. Když jsem to otevřel víc, tlak se zvýšil.

Otočení ventilu také nevyžaduje velké úsilí. Vnějším zdrojem energie je v tomto případě čerpací stanice stroje. A mnoho podobných vlivů je vidět v přírodě a technice. Ale přesto nás více zajímá tranzistor, takže budeme muset dále zvažovat...

Elektrické zesilovače signálu

Radioelektronický prvek vyrobený z polovodičového materiálu pomocí vstupního signálu vytváří, zesiluje a mění impulsy v integrovaných obvodech a systémech pro ukládání, zpracování a přenos informací. Tranzistor je odpor, jehož funkce jsou regulovány napětím mezi emitorem a bází nebo zdrojem a hradlem v závislosti na typu modulu.

Typy tranzistorů

Převodníky jsou široce používány ve výrobě digitálních a analogových integrovaných obvodů k vynulování statického proudu spotřebitelů a dosažení zlepšené linearity. Typy tranzistorů se liší tím, že některé jsou řízeny změnou napětí, zatímco jiné změnou proudu.

Provozní moduly pracují se zvýšeným stejnosměrným odporem; vysokofrekvenční transformace nezvyšuje náklady na energii. Řekneme-li jednoduchými slovy, co je tranzistor, pak se jedná o modul s vysokým limitem zesílení. Tato charakteristika je větší u polních druhů než u bipolárních typů. První nemají resorpci nosičů náboje, což urychluje práci.

Polovodiče pole se používají častěji kvůli jejich výhodám oproti bipolárním typům:

• silný vstupní odpor při konstantním proudu a vysoké frekvenci, což snižuje energetické ztráty pro řízení;
• nedostatek akumulace menšinových elektronů, což urychluje činnost tranzistoru;
• přenos mobilních částic;
• stabilita při teplotních odchylkách;
• malý hluk kvůli nedostatku vstřikování;
• nízká spotřeba energie během provozu.

Typy tranzistorů a jejich vlastnosti určují jejich účel. Zahřívání konvertoru bipolárního typu zvyšuje proud podél cesty od kolektoru k emitoru. Mají záporný odporový koeficient a pohyblivé nosiče proudí do sběrného zařízení z emitoru. Tenká základna je oddělena p-n přechody a proud vzniká pouze tehdy, když se mobilní částice hromadí a jsou vstřikovány do základny. Některé nosiče náboje jsou zachyceny sousedním p-n přechodem a urychleny, takto se počítají parametry tranzistoru.

Tranzistory s efektem pole mají ještě jednu výhodu, kterou je třeba zmínit pro figuríny. Jsou zapojeny paralelně bez vyrovnání odporu. Rezistory se pro tento účel nepoužívají, protože indikátor se automaticky zvyšuje při změně zatížení. Pro získání vysoké hodnoty spínacího proudu je sestaven komplex modulů, který se používá v měničích nebo jiných zařízeních.

Nelze jej zapojit paralelně, stanovení funkčních parametrů vede k detekci tepelného průrazu nevratného charakteru. Tyto vlastnosti souvisí s technickými kvalitami jednoduchých p-n kanálů. Moduly jsou zapojeny paralelně pomocí rezistorů pro vyrovnání proudu v obvodech emitoru. V závislosti na funkčních vlastnostech a jednotlivých specifikách klasifikace tranzistorů zahrnuje bipolární a polní typy.

Bipolární tranzistory

Bipolární konstrukce jsou vyráběny jako polovodičová zařízení se třemi vodiči. Každá elektroda obsahuje vrstvy s otvorovou p-vodivostí nebo nečistotou n-vodivostí. Volba konfigurace vrstev určuje výrobu zařízení typu p-n-p nebo n-p-n. Když je zařízení zapnuto, otvory a elektrony jsou současně přenášeny různé typy nábojů a jsou zapojeny 2 typy částic.

Nosiče se pohybují díky mechanismu difúze. Atomy a molekuly látky pronikají do mezimolekulární mřížky sousedního materiálu, poté se jejich koncentrace vyrovnává v celém objemu. Transport probíhá z oblastí s vysokou hustotou do oblastí s nízkou hustotou.

Elektrony se také šíří vlivem silového pole kolem částic, když jsou legovací přísady nerovnoměrně obsaženy v základní hmotě. Pro urychlení provozu zařízení je elektroda připojená ke střední vrstvě vyrobena tenká. Nejvzdálenější vodiče se nazývají emitor a kolektor. Zpětná napěťová charakteristika přechodu není důležitá.

Tranzistory s efektem pole

Tranzistor s efektem pole řídí odpor pomocí elektrického příčného pole generovaného přiloženým napětím. Místo, odkud se elektrony pohybují do kanálu, se nazývá zdroj a odtok se jeví jako konečný bod vstupu nábojů. Řídicí napětí prochází vodičem zvaným hradlo. Zařízení se dělí na 2 typy:

• s ovládacím p-n přechodem;
• MIS tranzistory s izolovaným hradlem.

Zařízení prvního typu obsahují polovodičový wafer, který je připojen k řízenému obvodu pomocí elektrod na opačných stranách (odtok a zdroj). Po připojení desky k bráně se objeví místo s jiným typem vodivosti. Zdroj konstantního předpětí vložený do vstupního obvodu vytváří na přechodu blokovací napětí.

Ve vstupním obvodu je umístěn i zdroj zesíleného impulsu. Po změně napětí na vstupu se transformuje odpovídající indikátor na p-n přechodu. Tloušťka vrstvy a plocha průřezu kanálového přechodu v krystalu, který přenáší tok nabitých elektronů, jsou upraveny. Šířka kanálu závisí na prostoru mezi oblastí vyčerpání (pod hradlem) a substrátem. Řídicí proud v počátečním a koncovém bodě je řízen změnou šířky oblasti vyčerpání.

Tranzistor MIS se vyznačuje tím, že jeho hradlo je odděleno izolací od kanálové vrstvy. Dopovaná místa s opačným znaménkem se vytvářejí v krystalu polovodiče, nazývaném substrát. Na nich jsou instalovány vodiče - odtok a zdroj, mezi nimiž je umístěno dielektrikum ve vzdálenosti menší než mikron. Na izolátor je přiložena kovová elektroda – hradlo. Kvůli výsledné struktuře obsahující kov, dielektrickou vrstvu a polovodič dostávají tranzistory zkratku MIS.

Konstrukce a princip fungování pro začátečníky

Technologie operují nejen s nábojem elektřiny, ale také s magnetickým polem, světelnými kvanty a fotony. Principem činnosti tranzistoru jsou stavy, mezi kterými zařízení přepíná. Naproti malým a velkým signálům, otevřený a zavřený stav - to je duální provoz zařízení.

Spolu s polovodičovým materiálem ve složení, použitým ve formě monokrystalu, dopovaného na některých místech, má tranzistor ve své konstrukci:

• kovové vodiče;
• dielektrické izolátory;
• pouzdro tranzistoru ze skla, kovu, plastu, kovokeramiky.

Před vynálezem bipolárních nebo polárních zařízení se jako aktivní prvky používaly elektronky. Pro ně vyvinuté obvody se po úpravě používají při výrobě polovodičových součástek. Mohly by být zapojeny jako tranzistor a použity, protože mnoho funkčních charakteristik lamp je vhodných pro popis provozu polních druhů.

Výhody a nevýhody výměny žárovek za tranzistory

Vynález tranzistorů je stimulačním faktorem pro zavádění inovativních technologií v elektronice. Síť využívá moderní polovodičové prvky ve srovnání se starými trubkovými obvody, takový vývoj má výhody:

• malé rozměry a nízká hmotnost, což je důležité pro miniaturní elektroniku;
• schopnost aplikovat automatizované procesy při výrobě zařízení a skupinových stupňů, což snižuje náklady;
• použití malých zdrojů proudu kvůli potřebě nízkého napětí;
• okamžité zapnutí, není potřeba zahřívání katody;
• zvýšená energetická účinnost díky sníženému ztrátovému výkonu;
• síla a spolehlivost;
• hladká interakce s dalšími prvky v síti;
• odolnost proti vibracím a nárazům.

Nevýhody se projevují v následujících ustanoveních:

• křemíkové tranzistory nefungují při napětí nad 1 kW, žárovky jsou účinné při hodnotách nad 1-2 kW;
• při použití tranzistorů ve vysokovýkonných rádiových vysílacích sítích nebo mikrovlnných vysílačích je vyžadováno přizpůsobení nízkovýkonových zesilovačů zapojených paralelně;
• zranitelnost polovodičových prvků vůči účinkům elektromagnetických signálů;
• citlivá reakce na kosmické záření a záření, vyžadující v tomto ohledu vývoj mikroobvodů odolných vůči záření.

Schémata připojení

Aby tranzistor fungoval v jednom obvodu, vyžaduje 2 výstupy na vstupu a výstupu. Téměř všechny typy polovodičových součástek mají pouze 3 připojovací body. Abychom se dostali z obtížné situace, je jeden z konců přiřazen jako společný. To vede ke 3 běžným schématům připojení:

• pro bipolární tranzistor;
• polární zařízení;
• s otevřeným odtokem (kolektorem).

Bipolární modul je připojen ke společnému emitoru pro zesílení napětí i proudu (CE). V ostatních případech se shoduje s kolíky digitálního čipu, když je mezi vnějším obvodem a vnitřním plánem připojení vysoké napětí. Takto funguje spojení se společným kolektorem a pozoruje se pouze nárůst proudu (OK). Pokud je potřeba zvýšení napětí, pak se prvek zavede se společnou základnou (CB). Tato možnost funguje dobře ve složených kaskádových obvodech, ale zřídka se používá v projektech s jedním tranzistorem.

V obvodu jsou zahrnuta polní polovodičová zařízení odrůd MIS a využívající p-n přechod:

• se společným emitorem (COM) - zapojení podobné OE modulu bipolárního typu
• s jediným východem (OS) - typový plán OK;
• se kloubovým uzávěrem (OZ) - obdobný popis OB.

V plánech s otevřeným odběrem je tranzistor spojen se společným emitorem jako součást mikroobvodu. Svorka kolektoru není připojena k ostatním částem modulu a zátěž jde na externí konektor. Volba intenzity napětí a kolektorového proudu se provádí po instalaci projektu. Zařízení s otevřeným odběrem pracují v obvodech s výkonnými výstupními stupni, ovladači sběrnice a logickými obvody TTL.

K čemu slouží tranzistory?

Oblast použití je vymezena v závislosti na typu zařízení - bipolární modul nebo pole. Proč jsou potřeba tranzistory? Pokud je požadován nízký proud, například v digitálních plánech, používají se typy polí. Analogové obvody dosahují vysoké linearity zisku v širokém rozsahu napájecích napětí a výstupních parametrů.

Oblasti použití pro bipolární tranzistory jsou zesilovače, jejich kombinace, detektory, modulátory, tranzistorové logistické obvody a invertory logického typu.

Místa použití tranzistorů závisí na jejich vlastnostech. Pracují ve 2 režimech:

• v pořadí zesílení změna výstupního impulsu s malými odchylkami řídicího signálu;
• v klíčové regulaci, ovládající napájení zátěží při nízkém vstupním proudu, je tranzistor zcela uzavřený nebo otevřený.

Typ polovodičového modulu nemění jeho provozní podmínky. Zdroj je připojen k zátěži, například spínači, audio zesilovači, osvětlovacímu zařízení, může to být elektronický senzor nebo výkonný sousední tranzistor. Pomocí proudu začíná provoz zátěžového zařízení a tranzistor je připojen k obvodu mezi instalací a zdrojem. Polovodičový modul omezuje množství energie dodávané do jednotky.

Odpor na výstupu tranzistoru se transformuje v závislosti na napětí na řídicím vodiči. Proud a napětí na začátku a na konci obvodu se mění a zvyšuje nebo snižuje a závisí na typu tranzistoru a způsobu jeho zapojení. Řízení řízeného napájení vede ke zvýšení proudu, výkonovému impulsu nebo zvýšení napětí.

Tranzistory obou typů se používají v následujících případech:

1. V digitálních předpisech. Byly vyvinuty experimentální návrhy digitálních zesilovacích obvodů založených na digitálně-analogových převodnících (DAC).
2. V pulzních generátorech. V závislosti na typu jednotky tranzistor pracuje ve spínaném nebo lineárním pořadí, aby reprodukoval čtvercové nebo libovolné signály.
3. V elektronických hardwarových zařízeních. K ochraně informací a programů před krádeží, nelegálním hackováním a používáním. Operace probíhá v režimu klíče, síla proudu je řízena analogově a upravována pomocí šířky impulsu. Tranzistory se používají v pohonech elektromotorů a pulzních stabilizátorech napětí.

Monokrystalické polovodiče a moduly pro otevírání a zavírání smyčky zvyšují výkon, ale fungují pouze jako spínače. V digitálních zařízeních se jako nákladově efektivní moduly používají tranzistory s efektem pole. Výrobní technologie v pojetí integrovaných experimentů zahrnují výrobu tranzistorů na jediném křemíkovém čipu.

Miniaturizace čipů vede k rychlejším počítačům, menšímu výkonu a menšímu zahřívání.

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 (nebalené prvky používané v mikroobvodech) až po centimetry v průměru pro výkonné tranzistory určené pro elektrárny a průmyslová zařízení. Zpětná napětí průmyslových triod mohou dosáhnout až 1000 V.

Zařízení

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 kmitočet oscilace na základní elektrodě. Jinými slovy, elektrický signál přijatý na vstupu bude zesílen.

Polovodičové triody tak 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 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), to 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 to 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 vodivostní 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 bránu se reguluje proud na elektrodách kolektoru (kontakty, které vydávají zpracovaný proud). Vstupní proud protéká přes kontakty zdroje.

Obrázek 9. Tranzistor řízený polem s p-n přechodem

Polní triody s vestavěnými a indukovanými kanály 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. Obrázek schémat zapojení polních triod

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

Videa vysvětlující jednoduchým jazykem princip činnosti tranzistoru