![]() |
![]() |
08.04.21 |
|
Что такое "Транзистор" и
как он устроен?
Отсюда и название структуры транзистора: p-n-p или n-p-n. На самом деле p-n переходы возникают, конечно, не в результате механического соединения кристаллов своими гранями. Для создания p-n переходов в кристалл чистого полупроводника вплавляют микрокапельки примесей – доноров или акцепторов. Так, для создания транзистора p-n-p структуры надо в кристалл Ge (германия) вплавить две капельки акцепторной примеси, создав две зоны с дырочной проводимостью р-типа. Реальное распределение примеси таково, что «прослойка» полупроводника n-типа оказывается очень тонкой – порядка нескольких микрон [1]. Эту тонкую прослойку исходного полупроводника называют «базой». Зоны с р-проводимостью называют «коллектор» [2] и «эмиттер» [3], причем зона эмиттера имеет меньший объём, а зона коллектора – больший. Соответственно, p-n переходы называются: между базой и коллектором – коллекторный, а между базой и эмиттером – эмиттерный. Каждый из них по своим электрическим свойствам аналогичен p-n переходам полупроводниковых диодов и также открывается при прямых напряжениях на них. На рис. 2 показано упрощённое строение транзистора p-n-p структуры и его графическое обозначение на электрических схемах.
Транзистор когда-то называли «кристаллическим триодом» или «полупроводниковым триодом» не только потому, что он, как электронная лампа-триод имеет три вывода (катод-сетка-анод), но также может усиливать электрический сигнал. Но об этом немного позже. Как работает транзистор? Пусть на коллектор и на базу транзистора подано отрицательное напряжение относительно эмиттера — на базу меньшее Б1, на коллектор большее Б2 (рис. 3, а). Тогда электрическое поле между базой и эмиттером направлено слева направо и способствует движению дырок из эмиттера в базу, а электронов — наоборот, из базы в эмиттер. Поле между базой и коллектором направлено также направо и препятствует переходу дырок из коллектора в базу и электронов из базы в коллектор. Однако дырки, попавшие в базу из эмиттера, под действием этого поля свободно проходят в коллектор. Обычно базу делают достаточно тонкой, поэтому в коллектор переходят практически все дырки из эмиттера за счёт диффузии [4], и в коллекторной цепи течет достаточно большой ток. Иначе говоря, слабый ток базы управляет значительным током коллектора. Теперь предположим, что напряжение базы относительно эмиттера стало положительным Б1, а напряжение коллектора по-прежнему отрицательно Б2 (рис. 3, б). Тогда электрическое поле между эмиттером и базой направлено налево, а между базой и коллектором – направо. Таким образом, поле препятствует выходу электронов из базы в обе стороны, так же как и попаданию в нее дырок. Поэтому через контакты течет только ток, связанный с движением неосновных носителей – дырок в базе и электронов в эмиттере и коллекторе. Их количество пренебрежимо мало по сравнению с основными, следовательно, и ток в этом случае довольно мал. Значит, меняя напряжение между базой и эмиттером, можно влиять на изменение величины коллекторного тока от нулевого до максимального, то есть «открывать» и «закрывать» транзистор. На рис. 4. показана схема на транзисторе VT1 структуры n-p-n. Меняя ток базы с помощью R1 можно менять ток коллектора, в цепь которого включена лампочка EL1. Естественно, яркость свечения лампочки также будет меняться, хотя напряжение батареи GB1 остаётся постоянным. С помощью современных технологий изготовить транзистор гораздо проще, чем электронную лампу-триод. Транзистор можно сделать очень маленьким, а значит, быстрым в работе и потребляющим малую мощность. Из-за этих преимуществ современные радиоэлектронные приборы и устройства создаются именно на полупроводниковых транзисторах (и не только!), а не на электронных лампах. Рис. 5: полупроводниковые и вакуумные электронные триоды.
3.
Два основных типа транзисторов Рис. 7: фото биполярных транзисторов ПОЛЕВЫЕ транзисторы – в них управление рабочим током осуществляется не током во входной (базовой) цепи, как в биполярном транзисторе (см. рис. 4), а воздействием электрического поля на свободные носители заряда. Именно поэтому такие транзисторы получили название «полевые». У них в создании электрического тока участвуют носители заряда только одного типа (электроны или дырки). Основой полевого транзистора служит пластина кремния с проводимостью n-типа, в которой имеется тонкая область с проводимостью р-типа (рис. 8). Пластину кремния называют затвором, а область проводимости р-типа в ней – каналом. С одной стороны канал заканчивается истоком, с другой – стоком, который также является областью проводимости р-типа, но с повышенной концентрацией дырок. Между затвором и каналом создаётся p-n переход. От затвора, стока и истока сделаны контактные выводы. Если к истоку подключить «+», а к стоку «-» батареи питания GB, то в канале появится ток, создающийся движением дырок от истока к стоку. Этот ток, который называют ток стока Ic, зависит не только от напряжения этой батареи GB, но и от напряжения между истоком и затвором – элемент G. Дело в том, что когда на затворе относительно истока действует положительное закрывающее напряжение, объединённая область p-n перехода расширяется (показано штриховыми линиями). От этого канал сужается, его сопротивление увеличивается, из-за чего Ic уменьшается. С уменьшением положительного напряжения на затворе объединённая область p-n перехода, наоборот, сужается, канал расширяется и Ic увеличивается. Если на затвор вместе с положительным напряжением смещения подавать низкочастотный или высокочастотный сигнал, то в цепи стока возникнет пульсирующий ток, а на нагрузке, включенной в эту цепь, – напряжение усиленного сигнала. Рис. 9: фото полевых транзисторов. 4. Транзистор – усилитель. Схема усилителя на транзисторе структуры n-p-n, который может быть как германиевым, так и кремниевым, и графики, поясняющие сущность его работы, показаны на рис. 10.
На коллектор n-p-n транзистора относительно эмиттера через
резистор Rн подают положительное напряжение источника питания Uпит
напряжением 4,5...9 В. Участок эмиттер-коллектор, резистор Rн и источник
питания Uпит образуют коллекторную цепь транзистора-усилителя. Точно так же работает и транзистор структуры p-n-p, например. Но в этом случае полярность включения источника питания должна быть обратной, чтобы на коллектор и базу транзистора относительно эмиттера подавалось отрицательное напряжение. Усилительные свойства транзистора оценивают статистическим коэффициентом передачи тока базы h21Э (читают так: аш-два-один-э) и выражают числом, показывающим, во сколько раз изменяется ток коллекторной цепи по сравнению с изменением тока в базовой цепи. Практически можно считать, что коэффициент h21Э равен частному от деления тока коллектора на ток базы, то есть: h21Э=IК/IБ. Если, например, ток IК равен 1 мА, а ток базы IБ — 0,02 мА (20 мкА), то коэффициент h21Э этого транзистора будет приблизительно 50. Чем больше численное значение коэффициента h21Э транзистора, тем, естественно, больше усиление сигнала, которое он может обеспечить. Схема реального транзисторного усилителя на рис. 11: На рис. 12 представлена схема одного из простейших радиоприёмников (с сайта http://www.nauchebe.net), в котором транзистор работает в качестве усилителя: Транзистор может работать и как генератор электрических и электромагнитных колебаний. В настоящее время транзистор как дискретный элемент используется в радиоэлектронных устройствах не часто. Все шире применяются интегральные схемы, в одном кристалле которых содержится громадное количество транзисторов. Рис. 13 - часть платы с транзисторами, рис. 14 – часть платы с микросхемами. |
Дата последнего изменения этого узла 08.04.2021