Як працює транзистор: що робить, де застосовується, режими роботи біополярной транзистора

Електроніка оточує нас усюди. Але практично ніхто не замислюється про те, як вся ця штука працює. Насправді все досить просто. Саме це ми і постараємося сьогодні показати. А почнемо з такого важливого елемента, як транзистор. Розповімо, що це таке, що робить, і як працює транзистор.

Що таке транзистор?

Транзистор – напівпровідниковий прилад, призначений для управління електричним струмом.

Де застосовуються транзистори? Так скрізь! Без транзисторів не обходиться практично жодна сучасна електрична схема. Вони повсюдно використовуються при виробництві обчислювальної техніки, аудіо- і відео-апаратури.

Часи, коли радянські мікросхеми були найбільшими в світі, пройшли, і розмір сучасних транзисторів дуже малий. Так, найменші з пристроїв мають розмір порядку нанометра!

Приставка нано- позначає величину порядку десять в мінус дев’ятого ступеня.

Однак існують і гігантські екземпляри, які використовуються переважно в галузях енергетики та промисловості.

Існують різні типи транзисторів: біполярні і полярні, прямий і зворотній провідності. Проте, в основі роботи цих приладів лежить один і той же принцип. Транзистор – прилад напівпровідниковий. Як відомо, в напівпровіднику носіями заряду є електрони або дірки.

Область з надлишком електронів позначається буквою n (negative), а область з доречнийпровідністю – p (positive).

Як працює транзистор?

Щоб все було гранично ясно, розглянемо роботу біполярного транзистора (найпопулярніший вид).

Біполярний транзистор (далі – просто транзистор) являє собою кристал напівпровідника (найчастіше використовується кремній або германій), розділений на три зони з різною електропровідністю. Зони називаються відповідно колектором, базою і емітером. Пристрій транзистора і його схематичне зображення показані на малюнку ні ж

Розділяють транзистори прямого і зворотного провідності. Транзистори pnp називаються транзисторами з прямою провідністю, а транзистори npn – зі зворотним.

Тепер про те, які є два режими роботи транзисторів. Сама робота транзистора схожа на роботу водопровідного крана або вентиля. Тільки замість води – електричний струм. Можливі два стану транзистора – робоче (транзистор відкритий) і стан спокою (транзистор закритий).

Що це означає? Коли транзистор закритий, через нього не тече струм. У відкритому стані, коли на базу подається малий керуючий струм, транзистор відкривається, і великий струм починає текти через емітер-колектор.

Фізичні процеси в транзисторі

А тепер докладніше про те, чому все відбувається саме так, тобто чому транзистор відкривається і закривається. Візьмемо біполярний транзистор. Нехай це буде npn транзистор.

Якщо підключити джерело живлення між колектором і емітером, електрони колектора почнуть притягатися до плюса, однак струму між колектором і емітером не буде. Цьому заважає прошарок бази і сам шар емітера.

Якщо ж підключити додаткове джерело між базою і емітером, електрони з n області емітера почнуть проникати в область баз. В результаті область бази збагатитися вільними електронами, частина з яких рекомбинирует з дірками, частина потече до плюса бази, а частина (більша частина) попрямує до колектора.

Таким чином, транзистор виходить відкритий, і в ньому тече струм емітер колектор. Якщо напруга на базі збільшити, збільшиться і ток колектор емітер. Причому, при малій зміні керуючої напруги спостерігається значне зростання струму через колектор-емітер. Саме на цьому ефекті і заснована робота транзисторів в підсилювачах.

Ось коротко і вся суть роботи транзисторів. Потрібно розрахувати підсилювач потужності на біполярних транзисторах за одну ніч, або виконати лабораторну роботу по дослідженню роботи транзистора? Це не проблема навіть для новачка, якщо скористатися допомогою фахівців нашого студентського сервісу .

Не соромтеся звертатися за професійною допомогою в таких важливих питаннях, як навчання! А тепер, коли у вас вже є уявлення про транзисторах, пропонуємо розслабитися і подивитися кліп групи Korn “Twisted transistor”! Наприклад, ви вирішили купити звіт по практиці , Звертайтеся в Заочник.

Транзистори

Транзистори є напівпровідниковими тріодами, тобто, радіоелектронними компонентами, виробленими з напівпровідникових матеріалів, найчастіше, мають три висновки. Деталь використовують для управління електричним струмом в електро ланцюга за допомогою вхідного сигналу. Застосовується з метою посилити, породити, перетворити, згенерувати електричні сигнали. Деталь не відразу отримала свою назву, спочатку її так і називали «тріод».

Термін «транзистор» складається з двох слів, які в перекладі з англійської означає передавач («трансфер») і опір («резистор»). Деталь — це свого роду монокристал, що знаходиться в пластмасовому, металевому корпусі та має три виводи. Транзисторні кристали виготовляють з напівпровідникового матеріалу. При спеціальній обробці кристал здатний змінити електропровідність в значних межах.

ЕВЛ vs транзисторів

До того, як були розроблені транзистори, головним активним компонентом електричного обладнання були електровакуумні лампи, простіше звані лампами. Але транзистори мали безліч переваг, які дозволили їм замінити лампи в приладах і устаткуванні.

Переваги цих РЕК

• Невеликі розміри, мала вага, які дозволили застосовувати деталь в створюваних мініатюрних пристроях.
• Невисока питома вартість, завдяки високо ступеня автоматизації виробництва.
• Низьке робоча напруга, що дозволяє застосовувати деталь в маленьких пристроях, які працюють від батарейки.
• Не потрібно додатковий час для нагріву катода при включенні обладнання
• Високонадійна деталь з великою фізичною міцністю.
• Довгий експлуатаційний термін.
• Дуже добре поєднується з іншими РЕК в схемі.
• Стійкий до ударів і вібраційних процесів.

Трохи історії

Винахід транзисторів вважається значущою подією в радіоелектроніці. Деталь замінила собою електровакуумні лампи, які є на той момент єдиним активним компонентом в будь-якому радіоелектронному пристрої. Але, як відомо, ЕВЛ споживали значну кількість енергії, були великими, з малим експлуатаційним терміном і невисокою міцністю. Згодом, радіоелектронне обладнання, прилади удосконалювалися і змінювали розміри, ставали миниатюрнее, а значить і недоліки вакуумної лампи ставали помітніше.

Найперший транзистор представили співробітники американської фірми ВТL (Bell Telephone Laboratories) в 1947 році. І, як завжди, як і всі великі винаходи, деталь піддали критиці, і масового застосування, а вже тим більше виробництва, вона не отримала. Більшість виробників радіоелектроніки та техніки скептично дивилися на можливість застосування цієї «незначної», незрозумілою деталькою, і ще протягом тридцяти років користувалися лампами, не помічаючи, що маленький транзистор стає великим конкурентом ЕВЛ.

Для виробництва найперших РЕК застосовувався, як провідник, досить дорогий елемент Німеччин, але через деякий час для того, щоб зменшити вартість деталі, стали виготовляти кремнієві напівпровідники.

Транзистор і його види

На сьогодні використовуються біполярні та польові транзистори. Найбільш поширеним є, що з’явився першим, біполярний компонент.

Транзистор біполярний

Радіодеталь називають так, завдяки тому, що електричний струм в ній утворюється за допомогою електро заряду, подвійної полярності. Позитивний заряд називається «дірка», негативний переносять електрони. Біполярні транзистори складаються як з кремнієвих, так і з германієвих напівпровідників.

Транзистор польовий

В цій напівпровідникової радіодеталі струм утворюється при русі дірки та електрона між електродами за допомогою електричного поля, яке створює третій електрод.

Використання

Найбільше застосування знаходять саме транзистори біполярні, які використовують в аналогових радіоелектронних пристроях, як підсилювач ланцюга дискретної, спільно з мікросхемами (інтегральна, цифрова, аналогова). Підсилюють слабкий сигнал при виході в схемі, яка не має великої потужності. Транзистор польовий застосовують у виробництві цифрової електроніки, завдяки їхнім швидкісним і економічним властивостям (процесори, комп’ютерна пам’ять).

Звичайно, найбільш цінні, з точки зору змісту дорогоцінних металів, старі транзистори, виготовлені в Радянському Союзі до 1990 року через значної кількості золоту, срібла. В сучасних транзисторах або взагалі немає дорогоцінного металу, або його настільки малий вміст, що проводити будь-які роботи з ними абсолютно нерентабельно.

У вас є старі РЕК, але ви не в курсі, чи мають вони якусь цінність? Зв’яжіться з нашими консультантами, вони розкажуть все про транзистори, придбаних нами.

К а т а л о г

• Конденсатори керамічні
• Конденсатори танталові
• Мікросхеми
• Транзистори
• Реле
• Контакти, посріблення, АКБ
• Роз’єми
• Плати
• Годинники, процесори
• Резистори
• Перемикачі
• Генераторні лампи
• Індикаторні лампи
• Теле та радіолампи
• Діоди
• Контактори
• Прилади
• Каталізатори
• Метали і сплави

Що таке транзистор? Види і застосування

Тих, хто захоплюється електротехнікою, і студентів технічних Вузів, що досить часто цікавить питання: «Що таке транзистор?» У загальному випадку їм може вважатися будь-який пристрій, що володіє властивістю змінювати сигнал між двома станами при зміні знака на головному електроді.

Транзистор – це напівпровідниковий елемент, що має, як правило, три висновки:

1. Колектор. На нього подається струм великої сили.
2. База. На виведенні знаходиться керуючий струм (меншої сили).
3. Емітер. На нього подається струм з колектора. При цьому на третьому виході його сила трохи перевищує ту, що на першому виведенні.

Щоб зрозуміти, що таке транзистор, слід згадати, що це головний компонент будь електросхеми. Без таких пристроїв не обійтися при виробництві практично будь-яких приладів. Вони знаходять широке застосування у виготовленні радіотехніки, телевізійної апаратури, музичних інструментів і навіть простих «мигалок»; в генераторах сигналів та електронних ключах без них теж не обійтися. Основне завдання елемента – підсилити слабку енергію сигналу за рахунок додаткового джерела живлення.

Без перебільшень можна сказати, що всі досягнення мікроелектроніки та інших сегментів промисловості були б недосяжні без винаходу напівпровідникових деталей. Зараз неможливо уявити хоча б один пристрій, де не використовуються транзистори.

Форми і розміри

Продовжуючи міркувати на тему «що таке транзистор», необхідно звернути увагу на форм-фактори приладів. Пристрій може проводитися, як розміром з чіп, невидимий для людського ока, так і мати неймовірні габарити (приблизно з житловий будинок). Великі напівпровідникові елементи можуть мати потужність в кілька сотень МВт. Їх, як правило, застосовують на електростанціях або виробництві. Щоб забезпечити високу провідність, на контакти наноситься позолота або тонкий шар срібла.

Умовні позначення на схемах пристроїв

Як і будь-який електроприлад, підсилювач має своє зображення, що використовується при складанні креслень і схем. Позначення транзистора може зображуватися графічно як на малюнку. Вже за множинності зображень можна зрозуміти, що і функціонал деталей різноманітний.

При цьому кожне позначення транзистора відповідає певному типу пристрою (біполярні, польові, елементи з індукованим каналом і т. д.).

Харчування напівпровідникових елементів

Один з контактів транзистора використовується як вхідний. Тому питання вибору схеми живлення підсилювача вважається вкрай важливим. Існує кілька видів підключення транзисторів до джерел. Варто розглянути основні з них:

1. З колекторної стабілізацією. Підходить для приєднання напівпровідникового елемента в схемі із загальним колектором. Таке підключення еквівалентно по постійному струму.
2. З емітерної стабілізації. Використовується для подачі живлення на вищезгаданий тип транзистора. Такий вид стабілізації передбачає застосування негативного зворотного зв’язку по струму.
3. З загальним емітером. Схема ОЕ володіє значним коефіцієнтом посилення. Вважається найбільш поширеним варіантом підключення. Використовується для виготовлення інтегральних мікросхем.

Харчування транзистора краще всього забезпечувати за схемою підключення з загальним емітером.

Класифікація транзисторів

Існує кілька різновидів напівпровідникових елементів. Серед них варто виділити наступні:

1. Біполярні. Вони можуть бути многоэлектродными, p-n-p типу n-p-n виду і на гетеропереходах.
2. Польові. Вони, в свою чергу, поділяються на деталі з керуючим переходом (діод Шотткі, гетеропереход) і з ізольованим затвором (Mosfet транзистор, МДП, IGBT).
3. Одноперехідні. Вони розділені на пристрої з p і n базою.
4. Лавинні транзистори.

Одним з найбільш поширених видів вважаються МОП і МДП-пристрої. В таких приладах область затвора не контактує з напівпровідником, де безпосередньо знаходиться канал протікання струму. Крім виду затвора, Mosfet-транзистор відрізняється відсутністю монолітної структури напівпровідника, що виконує функцію каналу для струму.

Зустрічаються і промислові варіанти Mosfet з двома затворами. При виготовленні передбачається один чи два послідовно сполучених каналу. Якщо їх два, то для управління кожним з них використовується свій затвор.

Надійність пристроїв

У сегменті виробництва смартфонів, супутників, автомобілебудуванні та промисловому обладнанні від транзисторів чекають високого рівня надійності. У великих системах налічується приблизно мільйон компонентів, серед яких є і напівпровідникові елементи. При цьому трапляються неполадки у вигляді відмов пристроїв. Якщо це відбувається не частіше одного разу на мільярд годин напрацювання, то схема системи вважається надійною.

При цьому треба пам’ятати, що волога – ворог будь-якої електронної системи. Вода істотно скорочує період функціонування транзисторів. Тому пристрої потребують герметичній оболонці. Волога може призвести до появи нових проводять електрику каналів, у зв’язку з чим необхідно періодично скидати напругу і висушувати прилад.

Як перевірити рядковий підсилювач

Одна з найбільш часто зустрічаються несправності – горіння рядкового транзистора. Часто вдається полагодити телевізор або радіо заміною єдиного компонента, однак нерідко цього буває недостатньо.

Варто провести кілька маніпуляцій для виявлення причини несправності:

• перевірити напругу рядкової розгортки;
• розглянути можливість нагріву напівпровідникового елемента;
• перевірити на працездатність холодні пайки (найчастіше виходить з ладу трансформатор драйвера).

Якщо ж не хочеться випоювати рядковий транзистор, але його потрібно перевірити, чи можна зробити це іншим способом.

Достатньо лише застосувати мультиметр, і він визначить коротке замикання.

Майбутнє транзисторів

Пристрої удосконалюються з кожним роком, знаходяться інші області застосування, наприклад, іонна імплантація та інші. Що стосується інтегральних схем, які в них використовуються прилади стають більш ергономічними, збільшується їх продуктивність, зменшується споживання електроенергії.

Розвиток техніки на транзисторах йде за двома напрямками:

У сфері пристроїв з низькою потужністю велика увага приділяється інтегральним схемами. Стандартний транзистор, ціна якого зараз становить в середньому від 1 до 300 рублів, знаходить широке застосування в системах логічних пристроїв. Однак постійне вдосконалення виробництва і зниження вартості тягне за собою інтеграцію і в інші області обчислювальної техніки.

Очікується застосування нано – та квантових приладів.

Одноелектронні транзистори, створені на основі графена, можуть бути менше 10 нм. Але все це в майбутньому, а зараз достатньо лише знати, що таке транзистор.