Принцип полупроводникового управления электрическим током был известен ещё в начале ХХ века. Несмотря на то, что инженеры, работающие в областях радиоэлектроники, знали как работает транзистор, они продолжали конструировать устройства на основе вакуумных ламп. Причиной такого недоверия к полупроводниковым триодам было несовершенство первых точечных транзисторов. Семейство германиевых транзисторов не отличались стабильностью характеристик и сильно зависели от температурных режимов.
Серьёзную конкуренцию электронным лампам составили монолитные кремниевые транзисторы лишь в конце 50-х годов. С этого времени электронная промышленность начала бурно развиваться, а компактные полупроводниковые триоды активно вытесняли энергоёмкие лампы со схем электронных приборов. С появлением интегральных микросхем, где количество транзисторов может достигать миллиардов штук, полупроводниковая электроника одержала убедительную победу в борьбе за миниатюризацию устройств.
Что такое транзистор?
В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.
Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.
Устройство
Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов некоторые виды полимеров, и даже углеродных нанотрубок. Видимо в скором будущем мы узнаем о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.
Раньше кристаллы полупроводника располагались в металлических корпусах в виде шляпок с тремя ножками. Такая конструкция была характерна для точечных транзисторов.
Сегодня конструкции большинства плоских, в т. ч. кремниевых полупроводниковых приборов выполнены на основе легированного в определённых частях монокристалла. Они впрессованы в пластмассовые, металлостеклянные или металлокерамические корпуса. У некоторых из них имеются выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторы.
Электроды современных транзисторов расположены в один ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки плат. Выводы не маркируются на корпусах. Тип электрода определяется по справочникам или путём измерений.
Для транзисторов используют кристаллы полупроводников с разными структурами, типа p-n-p либо n-p-n. Они отличаются полярностью напряжения на электродах.
Схематически строение транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделённых дополнительным слоем. (Смотри рисунок 1). Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью полупроводникового триода.
Рис. 1. Строение транзисторов
На рисунке 1 схематически изображено строение биполярных триодов. Существуют ещё класс полевых транзисторов, о которых речь пойдёт ниже.
Базовый принцип работы
В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не протекает. Электрическому току препятствует сопротивление эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв. Для включения транзистора требуется подать незначительное напряжение на его базу.
На рисунке 2 показана схема, объясняющая принцип работы триода.
Рис. 2. Принцип работы
Управляя токами базы можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, то он изменит амплитуду выходных токов. При этом выходной сигнал точно повторит частоту колебаний на базовом электроде. Другими словами, произойдёт усиление поступившего на вход электрического сигнала.
Таким образом, полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.
Работу устройства в режиме электронного ключа можно понять из рисунка 3.
Рис. 3. Триод в режиме ключа
Обозначение на схемах
Общепринятое обозначение: «VT» или «Q», после которых указывается позиционный индекс. Например, VT 3. На более ранних схемах можно встретить вышедшие из употребления обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ». Транзистор изображается в виде символических линий обозначающих соответствующие электроды, обведённые кружком или без такового. Направление тока в эмиттере указывает стрелка.
На рисунке 4 показана схема УНЧ, на которой транзисторы обозначены новым способом, а на рисунке 5 – схематические изображения разных типов полевых транзисторов.
Рис. 4. Пример схемы УНЧ на триодах
Вольт-амперные характеристики транзистора
Наиболее полно свойства биполярного транзистора описываются с помощью статических вольт-амперных характеристик. При этом различают входные и выходные ВАХ транзистора. Поскольку все три тока (базовый, коллекторный и эмиттерный) в транзисторе тесно взаимосвязаны, при анализе работы транзистора необходимо пользоваться одновременно входными и выходными ВАХ.
Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои вольт-амперные характеристики, представляющие собой функциональную зависимость токов через транзистор от приложенных напряжений. Из-за нелинейного характера указанных зависимостей их представляют обычно в графической форме.
Транзистор, как четырехполюсник, характеризуется входными и выходными статическими ВАХ, показывающими соответственно зависимость входного тока от входного напряжения (при постоянном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (при постоянном входном токе транзистора).
На рисунке 1.27 показаны статические ВАХ р-п-р-транзистора, включенного по схеме с ОЭ (наиболее часто применяемой на практике).
а б
Рисунок 1.27 – Статические ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ
Входная ВАХ (рисунок 1.27, а) подобна прямой ветви ВАХ диода. Она представляет собой зависимость тока IБ от напряжения UБЭ при фиксированном значении напряжения UКЭ, то есть зависимость вида
. (1.12)
Из рисунка 1.27, а видно: чем больше напряжение UКЭ, тем правее смещается ветвь входной ВАХ. Это объясняется тем, что при увеличении обратносмещающего напряжения UКЭ происходит увеличение высоты потенциального барьера коллекторного р-п-перехода. А поскольку в транзисторе коллекторный и эмиттерный р-п-переходы сильно взаимодействуют, то это, в свою очередь, приводит к уменьшению базового тока при неизменном напряжении UБЭ.
Статические ВАХ, представленные на рисунке 1.27, а, сняты при нормальной температуре (20 °С). При повышении температуры эти характеристики будут смещаться влево, а при понижении – вправо. Это связано с тем, что при повышении температуры повышается собственная электропроводность полупроводников.
Для выходной цепи транзистора, включенного по схеме с ОЭ, строится семейство выходных ВАХ (рисунок 1.27, б). Это обусловлено тем, что коллекторный ток транзистора зависит не только (и не столько, как видно из рисунка) от напряжения, приложенного к коллекторному переходу, но и от тока базы. Таким образом, выходной вольт-амперной характеристикой для схемы с ОЭ называется зависимость тока IК от напряжения UКЭ при фиксированном токе IБ, то есть зависимость вида
. (1.13)
Каждая из выходных ВАХ биполярного транзистора характеризуется в начале резким возрастанием выходного тока IК при возрастании выходного напряжения UКЭ, а затем, по мере дальнейшего увеличения напряжения, незначительным изменением тока.
На выходной ВАХ транзистора можно выделить три области, соответствующие различным режимам работы транзистора: область насыщения, область отсечки и область активной работы (усиления), соответствующая активному состоянию транзистора, когда ½UБЭ ½ > 0 и ½UКЭ½> 0.
Входные и выходные статические ВАХ транзисторов используют при графо-аналитическом расчете каскадов, содержащих транзисторы.
Статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора р-п-р-типа для схемы включения с ОБ приведены на рисунке 1.28, а и 1.28, б соответственно.
а б
Рисунок 1.28 – Статические ВАХ биполярного транзистора для схемы включения с ОБ
Для схемы с ОБ входной статической ВАХ называют зависимость тока IЭ от напряжения UЭБ при фиксированном значении напряжения UКБ, то есть зависимость вида
. (1.14)
Выходной статической ВАХ для схемы с ОБ называется зависимость тока IК от напряжения UКБ при фиксированном токе IЭ, то есть зависимость вида
. (1.15)
На рисунке 1.28, б можно выделить две области, соответствующие двум режимам работы транзистора: активный режим (UКБ< 0 и коллекторный переход смещен в обратном направлении); режим насыщения (UКБ > 0 и коллекторный переход смещен в прямом направлении).
Виды транзисторов
По принципу действия и строению различают полупроводниковые триоды:
- полевые;
- биполярные;
- комбинированные.
Эти транзисторы выполняют одинаковые функции, однако существуют различия в принципе их работы.
Полевые
Данный вид триодов ещё называют униполярным, из-за электрических свойств – у них протекает ток только одной полярности. По строению и типу управления эти устройства подразделяются на 3 вида:
- Транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 6).
- С изолированным затвором (бывают со встроенным либо с индуцированным каналом).
- МДП, со структурой: металл-диэлектрик-проводник.
Отличительная черта изолированного затвора – наличие диэлектрика между ним и каналом.
Детали очень чувствительны к статическому электричеству.
Схемы полевых триодов показано на рисунке 5.
Рис. 5. Полевые транзисторы
Рис. 6. Фото реального полевого триода
Обратите внимание на название электродов: сток, исток и затвор.
Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать больше года от небольшой батарейки или аккумулятора. Поэтому они нашли широкое применение в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные гаджеты и т.п.
Биполярные
Об этом виде транзисторов много сказано в подразделе «Базовый принцип работы». Отметим лишь, что название «Биполярный» устройство получило из-за способности пропускать заряды противоположных знаков через один канал. Их особенностью является низкое выходное сопротивление.
Транзисторы усиливают сигналы, работают как коммутационные устройства. В цепь коллектора можно включать достаточно мощную нагрузку. Благодаря большому току коллектора можно понизить сопротивление нагрузки.
Более детально о строении и принципе работы рассмотрим ниже.
Комбинированные
С целью достижения определённых электрических параметров от применения одного дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них можно выделить:
- биполярные транзисторы с внедрёнными и их схему резисторами;
- комбинации из двух триодов (одинаковых или разных структур) в одном корпусе;
- лямбда-диоды – сочетание двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением;
- конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом (применяются для управления электромоторами).
Комбинированные транзисторы – это, по сути, элементарная микросхема в одном корпусе.
Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников
Работа биполярных транзисторов основана на свойствах полупроводников и их сочетаний. Чтобы понять принцип действия триодов, разберёмся с поведением полупроводников в электрических цепях.
Полупроводники.
Некоторые кристаллы, такие как кремний, германий и др., являются диэлектриками. Но у них есть одна особенность – если добавить определённые примеси, то они становятся проводниками с особыми свойствами.
Одни добавки (доноры) приводят к появлению свободных электронов, а другие (акцепторы) – образуют «дырки».
Если, например, кремний легировать фосфором (донор), то получим полупроводник с избытком электронов (структура n-Si). При добавлении бора (акцептор) легированный кремний станет полупроводником с дырочной проводимостью (p-Si), то есть в его структуре будут преобладать положительно заряженные ионы.
Односторонняя проводимость.
Проведём мысленный эксперимент: соединим два разнотипных полупроводника с источником питания и подведём ток к нашей конструкции. Произойдёт нечто неожиданное. Если соединить отрицательный провод с кристаллом n-типа, то цепь замкнётся. Однако, когда мы поменяем полярность, то электричества в цепи не будет. Почему так происходит?
В результате соединения кристаллов с разными типами проводимости, между ними образуется область с p-n переходом. Часть электронов (носителей зарядов) из кристалла n-типа перетечёт в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинирует дырки в зоне контакта.
В результате возникают некомпенсированные заряды: в области n-типа – из отрицательных ионов, а в области p-типа из положительных. Разница потенциалов достигает величины от 0,3 до 0,6 В.
Связь между напряжением и концентрацией примесей можно выразить формулой:
φ= VT * ln (Nn * Np)/n2i, где
VT – величина термодинамического напряжения, Nn и Np – концентрация соответственно электронов и дырок, а ni обозначает собственную концентрацию.
При подсоединении плюса к p-проводнику, а минуса к полупроводнику n-типа, электрические заряды преодолеют барьер, так как их движение будет направлено против электрического поля внутри p-n перехода. В данном случае переход открыт. Но если полюса поменять местами, то переход будет закрыт. Отсюда вывод: p-n переход образует одностороннюю проводимость. Это свойство используется в конструкции диодов.
От диода к транзистору.
Усложним эксперимент. Добавим ещё одну прослойку между двумя полупроводниками с одноименными структурами. Например, между кремниевыми пластинами p-типа вставим прослойку проводимости (n-Si). Не трудно догадаться, что произойдёт в зонах соприкосновения. По аналогии с вышеописанным процессом образуются области с p-n переходами, которые заблокируют движение электрических зарядов между эмиттером и коллектором, причём независимо от полярности тока.
Самое интересное произойдёт тогда, когда мы приложим незначительное напряжение к прослойке (базе). В нашем случае, подадим ток с отрицательным знаком. Как и в случае с диодом, образуется цепь эмиттер-база, по которой потечёт ток. Одновременно прослойка начнёт насыщаться дырками, что приведёт к дырочной проводимости между эмиттером и коллектором.
Посмотрите на рисунок 7. На нём видно, что положительные ионы заполнили всё пространство нашей условной конструкции и теперь ничто не мешает проводимости тока. Мы получили наглядную модель биполярного транзистора структуры p-n-p.
Рис. 7. Принцип работы триода
При обесточивании базы транзистор очень быстро приходит в первоначальное состояние и коллекторный переход закрывается.
Устройство может работать и в усилительном режиме.
Ток коллектора связан прямой пропорциональностью с током базы: Iк = ß*IБ, где ß – коэффициент усиления по току, IБ – ток базы.
Если изменить величину управляющего тока, то изменится интенсивность образования дырок на базе, что повлечёт за собой пропорциональное изменение амплитуды выходного напряжения, с сохранением частоты сигнала. Этот принцип используют для усиления сигналов.
Подавая на базу слабые импульсы, на выходе мы получаем такую же частоту усиления, но со значительно большей амплитудой (задаётся величиной напряжения, приложенного к цепочке коллектор эмиттер).
Аналогичным образом работают npn транзисторы. Меняется только полярность напряжений. Устройства со структурой n-p-n обладают прямой проводимостью. Обратную проводимость имеют транзисторы p-n-p типа.
Остаётся добавить, что полупроводниковый кристалл подобным образом реагирует на ультрафиолетовый спектр света. Включая и отключая поток фотонов, или регулируя его интенсивность, можно управлять работой триода или менять сопротивление полупроводникового резистора.
Схемы включения биполярного транзистора
Схемотехники используют следующие схемы подключения: с общей базой, общими электродами эмиттера и включение с общим коллектором (Рис. 8).
Рис. 8. Схемы подключения биполярных транзисторов
Для усилителей с общей базой характерно:
- низкое входное сопротивление, которое не превышает 100 Ом;
- хорошие температурные свойства и частотные показатели триода;
- высокое допустимое напряжение;
- требуется два разных источника для питания.
Схемы с общим эмиттером обладают:
- высокими коэффициентами усиления по току и напряжению;
- низкие показатели усиления по мощности;
- инверсией выходного напряжения относительно входного.
При таком подключении достаточно одного источника питания.
Схема подключения по принципу «общий коллектор» обеспечивает:
- большое входное и незначительное выходное сопротивление;
- низкий коэффициент напряжения по усилению (< 1).
Режимы работы и схемы включения транзистора
На каждый р-п-переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. В соответствии с этим различают четыре режима работы биполярного транзистора: режим отсечки, режим насыщения, активный режим и инверсный режим.
Активный режим обеспечивается подачей на эмиттерный переход прямого напряжения, а на коллекторный – обратного (основной режим работы транзистора). Этот режим соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера и обеспечивает минимальное искажение усиливаемого сигнала.
В инверсном режиме к коллекторному переходу приложено прямое напряжение, к эмиттерному – обратное (aст ® min; используется очень редко).
В режиме насыщения оба перехода находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки.
В режиме отсечки оба перехода смещены в обратных направлениях. Выходной ток близок к нулю.
Режимы насыщения и отсечки используется одновременно в ключевых схемах (при работе транзистора в ключевом режиме).
При использовании транзистора в электронных устройствах нужны два вывода для подачи входного сигнала и два вывода для подключения нагрузки (снятия выходного сигнала). Поскольку у транзистора всего три вывода, один из них должен быть общим для входного и выходного сигналов.
В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим при подключении источника сигнала и нагрузки, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ) (рисунок 1.26, а); с общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 1.26, б); с общим коллектором (ОК) (рисунок 1.26, в).
В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, то есть необходимые значения напряжений и начальных токов. Входные сигналы переменного тока создаются источниками ивх. Они изменяют ток эмиттера (базы) транзистора, а, соответственно, и ток коллектора. Приращения тока коллектора (рисунок 1.26, а, б) и тока эмиттера (рисунок 1.26, в) создадут, соответственно, на резисторах RК и RЭ приращения напряжений, которые и являются выходными сигналами ивых.
а б в
Рисунок 1.26 – Схемы включения транзистора
При определении схемы включения транзистора необходимо учитывать то, что сопротивление источника постоянного напряжения для переменного тока близко к нулю.
Как работает полевой транзистор? Пояснение для чайников
Строение полевого транзистора отличается от биполярного тем, что ток в нём не пересекает зоны p-n перехода. Заряды движутся по регулируемому участку, называемому затвором. Пропускная способность затвора регулируется напряжением.
Пространство p-n зоны уменьшается или увеличивается под действием электрического поля (см. Рис. 9). Соответственно меняется количество свободных носителей зарядов – от полного разрушения до предельного насыщения. В результате такого воздействия на затвор, регулируется ток на электродах стока (контактах, выводящих обработанный ток). Входящий ток поступает через контакты истока.
Рисунок 9. Полевой транзистор с p-n переходом
По аналогичному принципу работают полевые триоды со встроенным и индуцированным каналом. Их схемы вы видели на рисунке 5.
Схемы включения полевого транзистора
На практике применяют схемы подключений по аналогии с биполярным триодом:
- с общим истоком – выдаёт большое усиление тока и мощности;
- схемы с общим затвором обеспечивающие низкое входное сопротивление, и незначительное усиление (имеет ограниченное применение);
- с общим стоком, работающие так же, как и схемы с общим эмиттером.
На рисунке 10 показаны различные схемы включения.
Рис. 10. Изображение схем подключения полевых триодов
Практически каждая схема способна работать при очень низких входных напряжениях.
