Что такое транзистор и как он работает?
Транзистор или полупроводниковый триод был разработан еще в начале XX века, но поначалу он не мог конкурировать с лампами. Причина в нестабильности используемого германия, который при изменении температурного режима существенно менял характеристики радиоэлементов. И только после перехода на кремний в качестве подложки в конце 50-х годов прошлого века позволил всерьез рассчитывать на постепенный отказ от энергоемких ламп.
Что такое транзистор?
Миниатюризация устройств с тех пор стала трендом вплоть до появления интегральных микросхем, где количество транзисторов достигает миллионов. В любом случае структура радиоэлемента была и остается одинаковой. Это всего три контакта – база, куда подается сигнал управления, эмиттер и коллектор. Назначение независимо от мощности одно, управление подачей электрического тока на контролируемую часть схемы. Напряжение может достигать 1000 В.
Устройство
Традиционная конструкция предполагает наличие нескольких полупроводниковых слоев, которые соединены между собой строго определенным способом. Основа – кремний или арсенид галлия и иные химические элементы (влияет на технические параметры). Развитие технологии продолжается и в качестве подложки пробуют использовать полимеры, углеродные нанотрубки. В перспективе выпуск графеновых полевых транзисторов.
Особенности устройства:
- Первоначально любой транзистор выглядел как металлический корпус в виде шляпки с тремя ножками.
- Более современная версия представляет собой прямоугольный монолит из пластмассового, металлостеклянного или металлокерамического корпуса.
- Монтаж стал проще благодаря линейному расположению контактов, включая применение автоматики. Правда, выводы теперь не маркируются на корпусе, нужна документация.
Сохранился принцип деления по структуре P-N-P и N-P-N. Они отличаются только полярностью подключения, направлением подачи тока при «открытии» транзистора. Внешне никакой разницы в радиоэлементах нет, суть становится понятной только по маркировке. Важно, что транзисторы с различной структурой не взаимозаменяемы, хотя оба варианта используются для управления током, временем его подачи на конкретный участок схемы.
Базовый принцип работы
Основное состояние транзистора – деталь не пропускает через себя ток. Срабатывает сопротивление эмиттерного перехода. Чтобы запустить механизм, достаточно подать на базу хотя бы небольшое напряжение. Тогда ток начнет поступать на коллектор и от него на зависимую часть схемы. Элемент работает в режиме ключа, позволяет блокировать или разрешить передачу сигнала, практически с любой частотой колебаний (зависит от маркировки, технических характеристик).
Обозначение на схемах
Независимо от типа транзистора на схеме радиоэлемент изображается в виде линий. Общая – это база, куда приходит сигнал открытия-закрытия. В нее пол углом 45° упирается две линии, одна из которых представляет собой эмиттер, маркируемый стрелкой направления тока. Вторая, коллектор указывает, куда он будет направлен. Вокруг рисуется окружность, хотя встречаются схемы и без нее, если свободное пространство на листе ограничено.
В дополнение наносится буквенное обозначение. На старых, еще «советских» документах возможно использование букв Т, ПП или ПТ. Международный стандарт предполагает применение латинских букв – преимущественно VT, иногда Q, после которой указывается позиционный индекс. Внутри одной схемы применяется сквозная нумерация, позволяющая уникализировать каждый элемент и привязать список с обозначением маркировки.
Виды транзисторов
По принципу действия и устройству транзисторы разделяются на 3 группы – биполярные, полевые и комбинированные. Назначение у всех одинаковое, выполнять функцию ключа, открывающегося по сигналу на «базу».
Полевые
Один из наиболее распространенных сегодня типов транзисторов. Их еще называют униполярным, из-за особенности электрических свойств детали. Ток внутри них может протекать только в одном направлении. Но выпускаются радиоэлементы трех различных типов, отличающихся строением и типом управления.
Варианты:
- Транзисторы с управляющим P-N переходом.
- Модификации с изолированным затвором (или со встроенным индукционным каналом).
- Модели с МДП структурой (металл, диэлектрик, проводник).
Важный момент – полевые транзисторы чувствительны к статическому электричеству, поэтому их поначалу старались избегать при разработке схем. Еще стоит учитывать другое наименование всех трех контактов: затвор, сток и исток (вместо базы, коллектора и эмиттера). Хотя принцип работы у радиодеталей схожий с «оригиналом».
Биполярные
Чуть устаревший тип, используемый вначале эпохи распространения транзисторов. Он выполняет функции усилителя, коммутационного устройства, способен включать довольно мощную нагрузку при незначительном токе включения. Большой ток коллектора позволяет уменьшить сопротивление нагрузки. Перечисленные особенности создают почву для сохранения актуальности биполярных транзисторов в разработке электронных устройств.
Комбинированные
Современное оборудование обладает довольно сложным управлением и функционалом. Поэтому в его схему включают комбинированные конструкции. Выбор зависит от назначения.
Варианты:
- Биполярный транзистор со встроенными в него резисторами.
- Комплексный радиоэлемент, включающий две и более деталей в одной корпусе.
- Лямбда-диоды, представляющие собой комбинацию из двух полевых транзисторов.
Может встретиться еще и полевой триод с изолированным затвором, управляемым еще одним биполярным транзистором. Такие детали характерны для блоков управления электродвигателями.
Как работает биполярный транзистор?
Рассмотрим принцип работы «классики» электроники, биполярного транзистора. Она основана на сочетании разных свойств полупроводников. Последние отличаются проводимостью тока только в одну сторону. Так, при формировании структуры n-Si кремний соединяют с фосфором, который создает полупроводник с избытком электронов. При добавлении бора та же основа представляет уже другую структуру, p-Si, с преобладанием положительно заряженных ионов.
Именно такой принцип работы заложен в диод, пропускающий ток только в одну сторону. Понятно, с учетом максимального напряжения и соблюдения других параметров. При их превышении будет пробой, приводящий к неконтролируемой передаче тока в обе стороны. И к выходу из строя либо отдельно взятой детали, либо части схемы, смотря насколько быстро прекратилась подача питания. Отличие транзистора от диода заключается в наличии управляющего проводника.
Схемы включения биполярного транзистора
Распространенные варианты схем предполагают три способа подключения транзистора – с общей базой, эмиттером и коллектором.
Особенности:
- Общая база – низкое входное сопротивление, до 100 Ом.
- Независимость от температуры, частоты поступающих сигналов.
- Высокий порог допустимого напряжения.
- Требует два разных источника подачи питания.
Общий эмиттер предполагает высокий коэффициент усиления, инверсию выходного напряжения и относительно низкую мощность системы. Зато достаточно одного источника питания. Коллектор в «общем» подключении предполагает большое входное и низкое выходное сопротивление, низкой коэффициент напряжения по усилению (преимущественно меньше единицы).
Как работает полевой транзистор?
Ключевое отличие «полевика» от биполярного транзистора заключается в ином принципе запуска передачи тока «сквозь» радиоэлемент. Заряды здесь перемещаются по регулируемому участку, а не свободно по p-n переходу. Пропускную способность регулируют подаваемым напряжением. Вход расположен на истоке, а выход на стоке. Модификации со встроенным и индуцированным каналом отличаются лишь условием срабатывания, в остальном они повторяют общую схему работы.
Схемы включения полевого транзистора
По аналогии с биполярными транзисторами полевые используются по-разному. Существует также три варианта: с общим затвором, стоком и истоком. Первый обеспечивает низкое входное сопротивление и небольшое усиление. Из-за последнего схема имеет ограниченное применение, в том числе в пользу биполярных транзисторов.
Общий исток позволяет получить относительно большой уровень тока и мощность, благодаря чему такая схема подключения считается наиболее распространенной. Общий сток дает те же результаты, что и эмиттер при использовании «биполярников». Выбор способа за разработчиком, смотря чего он хочет добиться включением в схему транзистора.