- Co je to tranzistor?
- Druhy tranzistorů
- Jak funguje bipolární tranzistor? Pokyny pro figuríny
- Jak funguje tranzistor pracující v terénu? Vysvětlení pro Dummies
- Video vysvětlující princip tranzistoru v jednoduchém jazyce
Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!
Princip řízení polovodičového elektrického proudu byl znám již na počátku dvacátého století. Navzdory tomu, že inženýři pracující v oblasti elektroniky věděli, jak tranzistor pracuje, pokračovali v navrhování zařízení na bázi vakuových trubic. Důvodem takové nedůvěry polovodičových triod byla nedokonalost prvního tranzistoru. Rodina germaniových tranzistorů se nelišila ve stabilitě charakteristik a silně závisela na teplotních režimech.
Monolitické křemíkové tranzistory dělaly vážnou soutěž k elektronickým lampám jen u konce 50s. Od té doby se elektronický průmysl začal rozvíjet a kompaktní polovodičové triody aktivně vynucovaly energeticky náročné lampy z elektronických zařízení. S příchodem integrovaných obvodů, kde počet tranzistorů může dosáhnout miliard kusů, polovodičová elektronika získala přesvědčivé vítězství v boji za miniaturizaci zařízení.
Co je to tranzistor?
V moderním smyslu je tranzistor nazýván polovodičovým rádiovým prvkem určeným ke změně parametrů elektrického proudu a řízení. Běžná polovodičová trioda má tři výstupy: základnu, na kterou jsou vysílány řídicí signály, emitor a kolektor. Tam jsou také vysoce výkonné kompozitní tranzistory.
Ovlivňuje rozsah velikostí polovodičových zařízení - od několika nanometrů (nebalené prvky používané v mikročipech) až po centimetry v průměru výkonných tranzistorů určených pro elektrárny a průmyslová zařízení. Reverzní napětí průmyslových triod může dosáhnout až 1000 V.
Zařízení
Konstrukčně se trioda skládá z polovodičových vrstev uzavřených v pouzdře. Polovodiče jsou materiály na bázi křemíku, germania, arzenidu galia a dalších chemických prvků. V současné době se provádějí studie, které připravují určité typy polymerů pro úlohu polovodičových materiálů a dokonce i uhlíkových nanotrubic. Zdá se, že v blízké budoucnosti se seznámíme s novými vlastnostmi tranzistorů s grafenovým efektem.
Dříve byly polovodičové krystaly umístěny v kovových pouzdrech ve formě čepic se třemi nohami. Tento design byl typický pro bodové tranzistory.
Dnes se stavba většiny plochých, včetně křemíkových polovodičových zařízení vyrobených na bázi dopovaných v určitých částech monokrystalu. Jsou lisovány do plastových, kovových nebo keramicko-keramických pouzder. Některé z nich mají vyčnívající kovové desky pro odvod tepla, které jsou namontovány na radiátorech.
Elektrody moderních tranzistorů jsou uspořádány v jedné řadě. Takové uspořádání nohou je vhodné pro automatickou montáž desek. Kolíky nejsou na krabicích označeny. Typ elektrody je určen referenčními knihami nebo měřením.
Pro tranzistory používají polovodičové krystaly s různými strukturami, jako je pnp nebo npn. Liší se polaritou napětí na elektrodách.
Schematicky může být struktura tranzistoru reprezentována jako dvě polovodičové diody oddělené další vrstvou. (Viz obrázek 1). Je to přítomnost této vrstvy, která umožňuje řídit vodivost polovodičové triody.
Obrázek 1 schematicky znázorňuje strukturu bipolárních triod. Existuje také třída tranzistorů s efektem pole, která bude popsána níže.
Základní princip provozu
V klidu mezi kolektorem a emitorem bipolárního triodového proudu neběží. Elektrickému proudu brání odpor emitorového spojení, ke kterému dochází v důsledku interakce vrstev. Pro zapnutí tranzistoru je nutné použít na jeho základnu mírné napětí.
Obrázek 2 ukazuje schéma vysvětlující, jak funguje trioda.
Ovládáním základních proudů můžete přístroj zapnout a vypnout. Pokud je na základnu aplikován analogový signál, změní se amplituda výstupních proudů. Současně bude výstupní signál přesně opakovat frekvenci kmitání na základní elektrodě. Jinými slovy, dojde k zesílení příchozího elektrického signálu.
Tedy, polovodičové triody mohou pracovat v režimu elektronických spínačů nebo v režimu zesilování vstupních signálů.
Činnost zařízení v režimu elektronického klíče je zřejmá z obr. 3. Obr.
Označení na diagramech
Konvenční označení: "VT" nebo "Q", následované pozičním indexem. Například, VT 3. V dřívějších schématech, můžete najít zastaralé notace: "T", "PP" nebo "PT". Tranzistor je znázorněn jako symbolické čáry označující odpovídající elektrody, zakroužkované s ním nebo bez něj. Směr proudu v emitoru je označen šipkou.
Obr. 4 znázorňuje VLF obvod, ve kterém jsou tranzistory označeny novým způsobem, a obr. 5 znázorňuje schematické znázornění různých typů tranzistorů s efektem pole.
Druhy tranzistorů
Podle principu činnosti a struktury se rozlišují polovodičové triody:
- pole;
- bipolární;
- kombinované.
Tyto tranzistory plní stejnou funkci, ale existují rozdíly v principu jejich provozu.
Pole
Tento druh triody je také nazýván unipolární, protože jeho elektrických vlastností - oni mají proud jen jedné polarity. Podle struktury a typu řízení jsou tato zařízení rozdělena do 3 typů:
- Tranzistory s řídícím pn uzlem (obr. 6).
- S izolovanou clonou (s vestavěným nebo indukovaným kanálem).
- MDP, se strukturou: kov-dielektrický vodič.
Charakteristickým znakem izolované brány je přítomnost dielektrika mezi ním a kanálem.
Díly jsou velmi citlivé na statickou elektřinu.
Vzorky triode pole jsou znázorněny na obr. 5. Obr.
Věnujte pozornost názvu elektrod: odtoku, zdroje a brány.
Terénní tranzistory spotřebovávají velmi málo energie. Mohou pracovat více než rok od malé baterie nebo baterie. Proto jsou široce používány v moderních elektronických zařízeních, jako jsou dálkové ovládání, mobilní miniaplikace atd.
Bipolární
O tomto typu tranzistoru bylo mnoho řečeno v podkapitole "Princip základních operací". Všimli jsme si pouze, že jméno „bipolární“ zařízení bylo přijato kvůli schopnosti předávat obvinění opačných značek přes jeden kanál. Jejich funkcí je nízký výstupní odpor.
Tranzistory zesilují signály, pracují jako spínací zařízení. Obvod kolektoru může zahrnovat poměrně silné zatížení. Vzhledem k velkému proudu kolektoru může být odpor zátěže snížen.
Podrobněji o struktuře a principu činnosti uvažujeme níže.
Kombinované
Aby se dosáhlo určitých elektrických parametrů z použití jediného diskrétního prvku, konstruktéři tranzistoru vymýšlejí kombinované návrhy. Mezi nimi jsou:
- bipolární tranzistory s vloženými odpory;
- kombinace dvou triod (stejných nebo různých struktur) ve stejném balení;
- lambda diody - kombinace dvou polních triod, tvořících záporný odpor;
- Konstrukce, ve kterých pole triody s izolovanou bránou řídí bipolární triodu (používá se pro řízení elektromotorů).
Kombinované tranzistory - je ve skutečnosti základním čipem v jediném balení.
Jak funguje bipolární tranzistor? Pokyny pro figuríny
Práce bipolárních tranzistorů je založena na vlastnostech polovodičů a jejich kombinacích. Abychom porozuměli principu působení triod, zkoumejme chování polovodičů v elektrických obvodech.
Polovodiče.
Některé krystaly, jako je křemík, germanium atd., Jsou dielektrika. Ale mají jednu vlastnost - pokud přidáte určité nečistoty, stanou se vodiči se speciálními vlastnostmi.
Některé přísady (donory) vedou ke vzniku volných elektronů, zatímco jiné (akceptory) tvoří „díry“.
Pokud je například křemík dopován fosforem (donorem), získáme polovodič s přebytkem elektronů (struktura n-Si). Když je přidán bor (akceptor), dopovaný křemík se stane polovodičem s vodivostí díry (p-Si), to znamená, že jeho struktura bude dominovat kladně nabitými ionty.
Jednostranná vodivost.
Udělejme si mentální experiment: připojte dva různé typy polovodičů se zdrojem energie a napájecím proudem do našeho designu. Něco neočekávaného se stane. Pokud připojíte záporný vodič krystalu typu n, obvod se zavře. Když však změníme polaritu, nebude v obvodu žádná elektřina. Proč se to děje?
Jako výsledek, kombinace krystalů s různými typy vodivosti, mezi nimi tvoří oblast s pn křižovatkou. Část elektronů (nosiče nábojů) z krystalu typu n proudí do krystalu s vedením dír a rekombinací otvorů v kontaktní zóně.
V důsledku toho se objevují nekompenzované náboje: v oblasti n-typu, od negativních iontů a v oblasti typu p, od pozitivních. Rozdíl potenciálu dosahuje hodnoty 0, 3 až 0, 6 V.
Vztah mezi koncentrací napětí a nečistot může být vyjádřen vzorcem:
φ = V T * ln ( N n * Np ) / n2i, kde
VT je hodnota termodynamického napětí, Nn a Np jsou koncentrace elektronů a otvorů, resp. N i označuje vlastní koncentraci.
Když plus je spojen s p-vodičem a minus k n-polovodič typu, elektrické náboje překonají bariéru, protože jejich pohyb bude směřován proti elektrickému poli uvnitř křižovatky pn. V tomto případě je přechod otevřen. Pokud jsou však póly zaměněny, přechod bude uzavřen. Proto závěr: pn křižovatka tvoří jednostrannou vodivost. Tato vlastnost se používá při stavbě diod.
Od diody k tranzistoru.
Zkomplikujme experiment. Přidejte další vrstvu mezi dva polovodiče se stejnými strukturami. Například mezi křemíkové desky typu p vkládáme vodivostní vrstvu (n-Si). Není těžké odhadnout, co se stane v kontaktních zónách. Analogicky s postupem popsaným výše se vytvoří oblasti s pn spoji, které blokují pohyb elektrických nábojů mezi vysílačem a kolektorem, bez ohledu na polaritu proudu.
Nejzajímavější se stane, když na mezivrstvu (základna) aplikujeme mírné napětí. V našem případě dáváme proud se záporným znaménkem. Stejně jako v případě diody je vytvořen obvod emitorové báze, skrze který proudí proud. Současně se vrstva začne saturovat otvory, což povede k vedení díry mezi vysílačem a kolektorem.
Podívejte se na obrázek 7. Ukazuje, že pozitivní ionty naplnily celý prostor naší konvenční konstrukce a nyní nic nezasahuje do vedení proudu. Získali jsme vizuální model bipolárního tranzistoru struktury pnp.
Když je základna odpojena od napětí, tranzistor se velmi rychle dostane do původního stavu a sběrnicový uzel se zavře.
Přístroj může pracovat v režimu zesilovače.
Kolektorový proud je přímo úměrný základnímu proudu : I к = ß * I B, kde ß je činitel proudového zesílení, I B je základní proud.
Pokud změníte velikost řídicího proudu, pak se změní intenzita tvorby otvorů v základně, což bude mít za následek proporcionální změnu amplitudy výstupního napětí při zachování frekvence signálu. Tento princip se používá pro zesílení signálů.
Při použití slabých pulzů na základnu získáme stejnou výstupní frekvenci na výstupu, ale s mnohem větší amplitudou (danou napětím aplikovaným na kolektorový emitor).
Npn tranzistory pracují podobným způsobem. Změní se pouze polarita napětí. Zařízení s npn strukturou jsou přímo vodivá. Reverzní vodivost má tranzistory typu pnp.
Zbývá ještě dodat, že polovodičový krystal reaguje podobně jako ultrafialové spektrum světla. Zapnutím a vypnutím toku fotonů nebo úpravou jeho intenzity můžete ovládat činnost triody nebo měnit odpor polovodičového odporu.
Bipolární tranzistorový obvod
Obvodní inženýři používají následující schémata zapojení: se společnou základnou, společnými vysílacími elektrodami a zapínáním společným kolektorem (obr. 8).
Pro zesilovače se společnou základní charakteristikou:
- nízký vstupní odpor, který nepřesahuje 100 ohmů;
- dobré teplotní vlastnosti a frekvenční parametry triody;
- vysoké přípustné napětí;
- vyžaduje dva různé zdroje napájení.
Schémata se společným emitorem mají:
- vysoké proudové a napěťové zisky;
- nízký zisk;
- inverze výstupního napětí vzhledem ke vstupu.
S tímto připojením stačí jeden zdroj napájení.
Schéma „společného kolektoru“ poskytuje:
- velký vstup a nízký výstupní odpor;
- poměr nízkého zesílení napětí (<1).
Jak funguje tranzistor pracující v terénu? Vysvětlení pro Dummies
Struktura tranzistoru ovlivňujícího pole se liší od bipolárního tranzistoru tím, že proud v něm neprochází zónami křižovatky pn. Poplatky se pohybují v regulované oblasti nazývané závěrka. Kapacita clony je regulována napětím.
Prostor zóny pn se snižuje nebo zvyšuje působením elektrického pole (viz obr. 9). V důsledku toho se počet nosičů volného náboje mění, od úplného zničení až po maximální nasycení. V důsledku takového dopadu na hradlo je regulován proud na odtokových elektrodách (kontakty, které pohánějí upravený proud). Příchozí proud protéká zdrojovými kontakty.
Na podobném principu pracují terénní diody s integrovaným a indukovaným kanálem. Jejich schémata, která jste viděli na obrázku 5.
Přepínání obvodů FET
V praxi používají schémata připojení analogicky s bipolární triode:
- se společným zdrojem - dává velký nárůst proudu a výkonu;
- společné hradlové obvody zajišťující nízkou vstupní impedanci a nízký zisk (omezené použití);
- se společným odtokem, pracující stejným způsobem jako společný vysílací obvod.
Obrázek 10 ukazuje různá schémata zapojení.
Prakticky každý okruh je schopen pracovat při velmi nízkých vstupních napětích.