Транзистор усиливает, преобразует и генерирует электрический импульс. Твердотельный модуль включает стационарные части, при этом отличается компактными габаритами. В электронике применяют несколько видов транзисторов, чтобы оперировать магнитными свойствами и скалярными величинами, координировать вращение электронов, оперировать энергетическими квантами.
Общая информация о транзисторах
Устройства подразделяют на биполярные, полевые, комбинированные. Основой модулей берут полупроводник из германия, химического неметалла кремния, соединения мышьяка и галлия. Ведущее место отводят биполярным моделям, но первоначально ставку делали на полярные.
Электрический ток образуется зарядными носителями, а границы переключения определяются силой сигнала:
- малый — сильный импульс;
- открытое — закрытое положение.
По скорости передачи энергии различают транзисторы:
- маломощные — до 0,1 Вт;
- средние — 0,1 – 1,0 Вт;
- мощные — свыше 1 Вт.
Комбинированные материалы представлены различными сочетаниями для повышения технологических свойств. Другие материалы для изготовления используют редко, например, светопрозрачные полупроводники для матричных дисплеев. Есть сообщения о создании транзисторов на базе полимеров, углеродных нанотрубок, графенов.
Устройство
Прибор может быть заключен в металлическом или пластмассовом корпусе. В первом случае изоляторы для выводов делают из керамики или стекла. В пластиковых коробках ставят теплоотвод из металла для установки модуля на внешний радиатор.
Вместе с полупроводником конструкция содержит:
- стальные выводы;
- элементы-изоляторы;
- корпус.
По конструкции приборы делят на виды:
- дискретные — корпусные и бескорпусные для отдельного монтажа, установки на радиатор, в паечных автоматизированных системах;
- в структуре интегральных микросхем.
Строение позволяет получать разные виды генераторов для преобразования переменного тока из постоянного.
Применение
Сам транзистор не может усиливать мощность источника питания, но является главным элементом усилительной системы. Он помогает управлять мощностью на выходе, во много раз превышающую показатель управления. Его включают в разрыв между нагрузкой и подающим источником питания, при этом сопротивление поддается быстрому измерению.
Сферы применения:
- Усилительные (УНЧ) схемы. Используют биполярные и полевые типы, устройства работают в ключевом регламенте регенераторов цифровых импульсов.
- Системы усиления высокой частоты (УВЧ). Транзисторы ставят на входных контурах приемников Р.Т.А.
- В качестве генераторов импульсов. Используют для возбуждения прямоугольных (ключевой режим) и произвольных сигналов (линейный регламент).
- Их также используют в электропереключательных и усиливающих каскадах в виде активных приборов.
Базовый принцип работы
Полупроводниковый транзистор подключают к выводам одноименного вольтажа к базе и эмиттеру, при этом p соединяют с положительным, а n — с отрицательным электродом. В результате между ними появляется ток, а число зарядных носителей в базе зависит от величины напряжения. Ток, идущий к базе, именуют управляющим.
Особенности работы:
- если к коллектору подать обратное напряжение, между ним и эмиттером пойдет ток из-за разницы потенциалов;
- повышение объема зарядных носителей приведет к усилению тока;
- небольшой рост напряжения значительно усиливает ток, что используют при создании усилителей;
- если на эмиттер подают вольтаж, противоположный по знаку, образование тока останавливается, а транзистор становится в закрытое положение.
Принцип работы транзистора заключается в том, что при использовании одноименной полярности прибор находится в открытом положении, обратные по знаку заряды приводят к закрытию устройства.
Обозначение
Условное позиционирование NPN и PNP транзисторов отличаются, при этом они отражают структуру и принцип работы модуля в электрическом контуре.
Стрелку ставят между базой и эмиттером для показа курса управляющего электротока;
- у NPN транзисторов указатель сориентирован к эмиттеру от базы, расположение показывает, что в активной фазе электроны движутся в этом направлении;
- у PNP разновидности стрелка стоит в направлении базы от эмиттера, что говорит о курсе управляющего электротока.
Для обозначения выводов на схеме применяют буквы: коллектор (К), база (Б), эмиттер (Э). На иностранных чертежах литеры меняют, соответственно на: С, В, Е. На плате недалеко от детали может быть обозначение Q, например, Q303. Это означает, что этот транзистор — триста третий по порядку в схеме.
Биполярный транзистор
Полупроводниковое устройство состоит из трех разных по проводимости слоев, к каждому из которых подсоединены проводящие контакты.
По степени электропроводности коллекторный, базовый и эмиттерный слой отличаются мало, но при производстве подвергаются разному уровню легирования:
- Первый легируется слабо, что дает возможность повысить коллекторный вольтаж.
- В эмиттерный добавляют много примесей при изготовлении. Объем обратного пробойного напряжения не становится критичным, т. к. приборы функционируют с прямосмещенным переходом. Усиленное легирование дает повышенную инжекцию вторичных зарядоносителей в базовый слой.
Базовая прослойка легируется мало, т. к. находится между коллектором и эмиттером, этот слой должен показывать большое сопротивление.
Как работает
Зарядные носители передвигаются к коллектору сквозь тонкий базовый слой. Средняя прослойка отделена от верхнего и нижнего p-n переходами.
Особенности функционирования:
- Ток проходит сквозь транзистор, если зарядные носители инжектируются посредством p-n перехода в базовую прослойку из эмиттерной.
- В результате снижается потенциальная преграда при подаче прямого смещения.
- В базовой прослойке инжектируемые заряды — не основные носители, поэтому ускоряются и поступают в другие p-n переходы к коллекторному пласту от базовой прослойки.
- В базе заряды распространяются под действием диффузии или электрического поля.
Эффективность транзистора повышается, если использована тонкая базовая прослойка, но чрезмерное утончение снижает предел допустимого вольтажа коллектора.
Схема включения
Для установки в схему у транзистора есть три вывода. При подключении один контакт определяют, как общий.
Различают схемы подсоединения:
- С совместным эмиттером. Часто используемая схема усиливает ток и напряжение (отмечается наибольшее повышение мощности). Входной импульс поступает на базовый слой со стороны эмиттера, снимается — с коллектора и инвертируется.
- С совместным коллектором. Повышается только электроток, коэффициент усиления вольтажа равен 1, сопротивление на входе высокое, а на выходе маленькое. Подключение поддерживает большой промежуток усиливаемых частот.
Если общим при подсоединении служит базовый слой, усиливается напряжение, поэтому его используют чаще в составных системах, но не в однотранзисторных.
Полевой транзистор
Назначение то же, что и биполярного, но разное строение. Транзисторы координируют более высокие мощности при аналогичных размерах.
В структуре есть элементы:
- сток для приемки большого напряжения;
- затвор для управляемого напряжения;
- исток для раздачи напряжения при открытом положении.
Как работает
В устройстве полевого типа ток проходит к стоку сквозь канал в легированном проводнике под затвором. Он расположен между нелегированной прослойкой (в ней отсутствуют зарядные носители) и затвором. Здесь присутствует участок обеднения, где ток не проводится.
Размер канала по ширине ограничен областью между участком обеднения и прослойкой. Силой тока управляют с помощью изменения вольтажа, приложенного к затвору. В этом случае меняется канальное сечение, и ток на выходе меняет величину.
Схемы включения
Полевые транзисторы подключают одним из трех способов:
- с общим стоком;
- с совместным истоком;
- с общей базой.
Схема с общим стоком аналогична подключению биполярного модуля с совместным коллектором. Используют тип подсоединения в согласующихся каскадах, где нужно входное напряжение большое, а на выходе — низкое. Включение поддерживает широкий диапазон частот.
Схема с общим истоком дает большое увеличение мощности и электротока, при этом фаза напряжения контура стока переворачивается. Сопротивление на входе может быть несколько сотен мегаОм, чтобы его снизить, добавляют между истоком и затвором резистор.
В схеме с общим затвором нет усиления электротока, повышение мощности небольшое. Напряжение находится в аналогичной фазе с управляющим. При изменении входного импульса напряжение на истоке повышается или понижается.
Комбинированные транзисторы
Гибрид полевого и биполярного устройства обладает положительными чертами двух приборов. Суть с том, что биполярный транзистор большой мощности управляется полевым. Большую нагрузку можно изменять, используя малую мощность, т. к. регулирующий импульс подается на затвор устройства полевого типа.
Внутреннее строение комбинированных транзисторов — каскадное подсоединение двух входных ключей для регулировки конечного плюса. При подаче положительного вольтажа с истока на затвор начинает работать полевой тип, возникает канал передачи между истоком и стоком.
Перемещение зарядных носителей между участками p-n переходов включает биполярное устройство, поэтому происходит перемещение электротока к коллектору от эмиттера.
