Что такое транзистор: его виды, назначение и принципы работы

Что такое транзистор

Транзистор – это устройство, изготовленное из полупроводниковых материалов. Похоже на небольшую металлическую пластину с тремя контактами. Он имеет две цели: усиливать входной сигнал и участвовать в управлении компонентами электроприборов.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключенных в корпус. Полупроводники – это материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования по подготовке определенных типов полимеров и даже углеродных нанотрубок на роль полупроводниковых материалов. По всей видимости, в ближайшее время мы узнаем о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.

Ранее полупроводниковые кристаллы размещались в металлических корпусах в виде колпачков с тремя ножками. Такая конструкция типична для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских устройств, в том числе кремниевых полупроводников, изготавливаются на основе монокристалла, легированного по частям. Их прессуют в пластмассовые, металло-стеклянные или спеченные тела. У некоторых есть выступающие металлические пластины радиатора, которые крепятся к радиаторам.

Электроды современных транзисторов расположены в один ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки доски. Штифты не имеют маркировки на корпусах. Тип электрода определяется по справочникам или замерам.

Для транзисторов используются полупроводниковые кристаллы с различной структурой, например pnp или npn. Они различаются полярностью напряжения на электродах.

Схематично структуру транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделенных дополнительным слоем. (См. Рисунок 1). Именно наличие этого слоя позволяет контролировать проводимость полупроводникового триода.

Рис. 1. Строение транзисторов

На рисунке 1 схематично показана структура биполярных триодов. Также существует класс полевых транзисторов, о котором будет сказано ниже.

Базовый принцип работы

В состоянии покоя ток между коллектором и эмиттером биполярного триода не протекает. Электрический ток предотвращается сопротивлением эмиттерного перехода, которое возникает из-за взаимодействия слоев. Чтобы включить транзистор, нужно подать на его базу небольшое напряжение.

На рисунке 2 показана схема, поясняющая принцип работы триода.

Рис. 2. Как это работает

Проверяя базовые токи, вы можете включать и выключать прибор. Если на базу подается аналоговый сигнал, амплитуда выходных токов изменится. В этом случае выходной сигнал будет точно повторять частоту колебаний на базовом электроде. Другими словами, полученный на входе электрический сигнал будет усилен.

Таким образом, полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

О работе устройства в режиме электронного ключа можно судить по рисунку 3.

Рис. 3. Триод в ключевом режиме

Обозначение на схемах

Обычное имя: «VT» или «Q», за которым следует индекс позиции. Например, VT 3. На приведенных выше схемах можно встретить устаревшие обозначения: «T», «PP» или «PT». Транзистор представлен в виде символических линий, которые обозначают соответствующие электроды, обведенные или нет. Направление тока в эмиттере указано стрелкой.

На рисунке 4 показана УНЧ-схема, в которой транзисторы обозначены по-новому, а на рисунке 5 схематично показаны различные типы полевых транзисторов.

Для чего нужны транзисторы?

Область применения ограничена в зависимости от типа устройства: биполярный модуль или поле. Зачем нужны транзисторы? Если требуется небольшой ток, например, в цифровых плоскостях, используются полевые обзоры. Аналоговые схемы обеспечивают высокую линейность усиления в различных диапазонах напряжения питания и выходных параметрах.

Области для установки биполярных транзисторов – усилители, их комбинации, детекторы, модуляторы, транзисторные логистические схемы и логические инверторы.

Места использования транзисторов зависят от их характеристик. Они работают в 2-х режимах:

• в порядке усиления изменение выходного импульса на малые отклонения управляющего сигнала;
• при настройке ключа, управляя питанием нагрузок с низким входным током, транзистор полностью закрыт или открыт.

Внешний вид полупроводникового модуля не меняет условий его эксплуатации. К нагрузке подключается источник, например, выключатель, усилитель звука, осветительный прибор, это может быть электронный датчик или мощный транзистор рядом. С помощью тока начинается работа нагрузочного устройства, и транзистор включается в цепь между установкой и источником. Полупроводниковый модуль ограничивает мощность, подаваемую на устройство.

Сопротивление на выходе транзистора преобразуется в соответствии с напряжением на управляющем проводе. Ток и напряжение в начале и в конце цепи изменяются, увеличиваются или уменьшаются в зависимости от типа транзистора и способа его подключения. Проверка контролируемого источника питания приводит к увеличению тока, напряжения или напряжения.

Транзисторы обоих типов используются в следующих случаях:

1. В цифровом законодательстве. Разработаны экспериментальные образцы схем цифрового усиления на основе цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).
2. В генераторах импульсов. В зависимости от типа сборки транзистор работает в ключевом или линейном порядке для воспроизведения прямоугольных или произвольных сигналов соответственно.
3. В электронных аппаратных устройствах. Для защиты информации и программ от незаконной кражи, взлома и использования. Работа происходит в ключевом режиме, ток контролируется в аналоговой форме и регулируется с помощью ширины импульса. Транзисторы устанавливаются в приводах электродвигателей, импульсных стабилизаторах напряжения.

Монокристаллические полупроводники и модули с разомкнутым и замкнутым контуром увеличивают мощность, но функционируют только как переключатели. В цифровых устройствах полевые транзисторы используются как недорогие модули. Технологии производства в концепции интегральных экспериментов предполагают изготовление транзисторов на едином кремниевом кристалле.

Миниатюризация кристаллов приводит к более быстрым компьютерам, меньшему количеству энергии и меньшему тепловыделению.

Принцип работы прибора

Транзистор – это полупроводниковое устройство, предназначенное для усиления электрического сигнала. Благодаря особой структуре кристаллической решетки и полупроводниковым свойствам это устройство способно увеличивать амплитуду протекающего тока.

Полупроводники – это вещества, способные проводить ток, а также препятствовать его прохождению. Наиболее важные их представители – кремний и германий. Есть два типа полупроводников:

1. Электронный.
2. Отверстие.

В полупроводниках электрический ток возникает из-за недостатка или избытка свободных электронов. Например, кристаллическая решетка атома состоит из трех электронов. Однако если ввести в это вещество атом, состоящий из четырех электронов, один будет лишним. Это свободный электрон. Соответственно, чем больше таких электронов, тем ближе это вещество по своим свойствам к металлу. Это означает, что проводимость тока больше. Такие полупроводники называют электронными.

Теперь поговорим о дырявых. Для их создания в вещество, кристаллическая решетка которого содержит больше атомов, вводятся атомы другого вещества. В результате в нашем полупроводнике меньше электронов. Для электронов образуются вакансии. Валентные связи разрываются, когда электроны стремятся занять эти пустые места. Также будем называть их дырами.

Электроны постоянно стремятся заполнить дыру и, начав движение, образуют новую дырку. Абсолютно все электроны имеют такое поведение. Их движение происходит в полупроводнике, а значит, начинает проводиться ток. Такие полупроводники называются дырочными полупроводниками.

Таким образом, вводя недостаток или избыток электронов в кремний или германий, мы облегчаем их движение. Получается тока. Транзисторы состоят из соединений этих полупроводников по определенному принципу. С их помощью можно управлять протекающими токами и другими параметрами электрических сигналов.

Виды транзисторов

Есть несколько типов транзисторов. Их около четырех. Однако основными из них являются:

• Поле.
• Биполярный.

Остальные виды – полевые и биполярные. Рассмотрим подробнее каждый тип.

Полевые

Суть этого устройства заключается в управлении параметрами электрического сигнала с помощью электрического поля. Появляется при подаче напряжения на одну из клемм:

1. Затвор нужен для настройки параметров сигнала, в связи с подачей на него напряжения.
2. Сток – это выход, через который носители заряда (дырки и электроны) покидают канал).
3. Источник: выход, через который в канал попадают электроны и дырки.

Такой транзистор состоит из полупроводника с определенной проводимостью и двух расположенных в нем областей с противоположной проводимостью. Когда на затвор подается напряжение, между этими двумя областями появляется зазор, через который протекает ток. Это пространство называется каналом. Ширина этого канала контролируется напряжением, которое мы прикладываем к затвору. В результате можно увеличивать и уменьшать ширину канала и контролировать ток.

Теперь поговорим об устройстве с изолированной шторкой. Разница в том, что в первом случае этот переход присутствует всегда, даже если на затвор не было приложено никакого напряжения. А при его применении переход и токопроводящий канал менялись в зависимости от полярности и амплитуды напряжения. Металлический затвор в таких транзисторах изолирован диэлектриком от полупроводниковой области. Их входное сопротивление намного выше.

Есть два типа устройств для утепленных ставен:

• Со встроенным каналом.
• С индуцированным каналом.

Встроенный канал позволяет электрическому току протекать с определенной амплитудой. Когда напряжение подается с определенной амплитудой и полярностью, мы можем изменить ширину канала и его проводимость. Этот канал встроен в транзисторы на заводах-изготовителях.

Индуцированный канал появляется между двумя упомянутыми выше областями только тогда, когда на затвор подается напряжение определенной полярности. То есть, когда на затвор не подается напряжение, через него не протекает ток.

Все типы полевых транзисторов отличаются друг от друга по следующим параметрам:

1. Входное сопротивление.
2. Амплитуда напряжения, подаваемого на затвор.
3. Полярность.

Каждый из этих типов полевых транзисторов требуется для сборки определенных электрических и логических схем. Поскольку реализация двух разных устройств требует разных электрических параметров.

Биполярные

Слово биполярное означает две полярности. То есть такие устройства имеют две полярности, что связано с особенностями их устройства. Особенность их структуры заключается в том, что они состоят из трех полупроводниковых областей. Типы проводимости следующие:

1. Электроника, далее по тексту
2. Форум, далее стр.

Следовательно, можно сделать вывод, что существует два типа биполярных транзисторов:

• pnp;
• нпн.

Разница между ними в том, что для правильной работы необходимо подавать напряжение разной полярности. Один вывод подключен к каждой из трех полупроводниковых областей. Всего их три:

1. Основа – средний слой. Он самый худой. На базовом выводе есть управляющий ток небольшой амплитуды.
2. Коллектор – один из самых внешних слоев. Он самый большой. На него подается ток большой амплитуды.
3. Эмиттер – это выход, на который подается ток с коллектора. На его выходе амплитуда тока немного больше, чем на входе.

Существует три схемы подключения биполярных транзисторов:

1. С общим эмиттером: входной сигнал подается на базу, а выходной сигнал снимается с коллектора.
2. С общим коллектором: входной сигнал подается на базу и снимается с эмиттера.
3. С общей базой: входной сигнал поступает на эмиттер и снимается с коллектора.

Благодаря нескольким электронно-дырочным переходам, сформированным в биполярном транзисторе, можно управлять параметрами электрического сигнала. Полярность и величина приложенного напряжения зависят от типа биполярного транзистора.

Комбинированные

Чтобы получить определенные электрические параметры от использования дискретного элемента, разработчики транзисторов придумывают комбинированные конструкции. Среди них:

• биполярные транзисторы со встроенными резисторами и их схемы;
• комбинации двух триодов (одинаковой или разной конструкции) в одном корпусе;
• лямбда-диоды – комбинация двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением;
• проекты, в которых триод с изолированным полем затвора управляет биполярным триодом (используется для управления электродвигателями).

Комбинированные транзисторы представляют собой, по сути, элементарную микросхему в едином корпусе.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

Работа биполярных транзисторов основана на свойствах полупроводников и их комбинаций. Чтобы понять принцип работы триодов, попробуем разобраться в поведении полупроводников в электрических цепях.

Полупроводники.

Некоторые кристаллы, например кремний, германий и др., являются диэлектриками. Но у них есть одна особенность – если добавить какие-то примеси, они станут проводниками с особыми свойствами.

Одни добавки (доноры) приводят к появлению свободных электронов, другие (акцепторы) образуют «дырки».

Если, например, кремний легирован фосфором (донор), мы получим полупроводник с избытком электронов (структура n-Si). С добавлением бора (акцептора) легированный кремний станет полупроводником с дырочной проводимостью (p-Si), то есть в его структуре будут преобладать положительно заряженные ионы.

Односторонняя проводимость.

Мы проводим мысленный эксперимент: подключаем два разных типа полупроводников к источнику питания и подаем ток в нашу структуру. Произойдет что-то неожиданное. Если подключить отрицательный провод к кристаллу n-типа, цепь замкнется. Однако, когда мы изменим полярность, в цепи не будет электричества. Почему это происходит?

В результате соединения кристаллов с разным типом проводимости между ними образуется область с pn переходом. Некоторые электроны (носители заряда) из кристалла n-типа будут течь в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинировать дырки в зоне контакта.

В результате возникают нескомпенсированные заряды: в области n-типа от отрицательных ионов и в области p-типа от положительных ионов. Разность потенциалов достигает значений 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 электронов и дырок, соответственно, а ni – собственная концентрация.

Когда плюс подключен к p-проводнику, а минус – к полупроводнику n-типа, электрические заряды преодолеют барьер, поскольку их движение будет направлено против электрического поля внутри pn-перехода. В этом случае переход открыт. Но если полюса поменять местами, переход закроется. Отсюда вывод: pn переход образует одностороннюю проводимость. Это свойство используется в конструкции диодов.

От диода к транзистору.

Усложняем эксперимент. Давайте добавим еще один слой между двумя полупроводниками с одноименными структурами. Например, между кремниевыми пластинами p-типа мы вставляем проводящий слой (n-Si). Что будет в контактных зонах, догадаться несложно. По аналогии с описанным выше процессом формируются области с pn переходами, которые будут блокировать движение электрических зарядов между эмиттером и коллектором, независимо от полярности тока.

Самое интересное произойдет, когда мы приложим небольшое натяжение к прослойке (основе). В нашем случае мы подаем ток с отрицательным знаком. Как и в случае с диодом, формируется цепь эмиттер-база, по которой будет течь ток. При этом прослойка начнет насыщаться дырками, что приведет к проводимости дырок между эмиттером и коллектором.

Посмотрите на рис. 7. Он показывает, что положительные ионы заполнили все пространство нашей традиционной конструкции, и теперь ничто не мешает прохождению тока. У нас есть визуальная модель биполярного pnp-транзистора.

Рис. 7. Принцип работы триода

При обесточивании базы транзистор очень быстро возвращается в исходное состояние и коллекторный переход закрывается.

Устройство также может работать в режиме усиления.

Ток коллектора прямо пропорционален току базы: Ik = ß * IB, где ß – коэффициент усиления по току, IB – ток базы.

Если изменить значение управляющего тока, изменится интенсивность образования дырок на основании, что приведет к пропорциональному изменению амплитуды выходного напряжения при сохранении частоты сигнала. Этот принцип используется для усиления сигналов.

Подавая слабые импульсы на базу, на выходе мы получаем ту же частоту усиления, но с гораздо большей амплитудой (задается напряжением, приложенным к цепи коллектор-эмиттер).

Транзисторы NPN работают аналогичным образом. Меняется только полярность напряжений. Устройства со структурой npn имеют прямую проводимость. Обратной проводимости являются транзисторы типа pnp.

Остается добавить, что полупроводниковый кристалл аналогично реагирует на ультрафиолетовый спектр света. Включая и выключая поток фотонов или регулируя его интенсивность, можно проверить работу триода или изменить сопротивление полупроводникового резистора.

Схемы включения биполярного транзистора

Схемы подключения схемотехники следующие: с общей базой, с общими эмиттерными электродами и розжиг с общим коллектором (рис. 8).

Рис. 8. Схемы подключения биполярных транзисторов

Усилители с общей базой характеризуются:

• низкий входной импеданс, не превышающий 100 Ом;
• хорошие температурные свойства и частотные характеристики триода;
• высокое допустимое напряжение;
• требуется два разных источника питания.

Схемы с общим эмиттером имеют:

• высокие коэффициенты усиления по току и напряжению;
• низкие коэффициенты усиления мощности;
• инверсия выходного напряжения по отношению к входному.

При таком подключении достаточно источника питания.

Общая схема подключения коллектора предусматривает:

• высокий входной импеданс и низкий выход;
• низкий коэффициент усиления по напряжению (<1).

Как работает полевой транзистор? Пояснение для чайников

Конструкция полевого транзистора отличается от биполярного тем, что ток в нем не пересекает области pn перехода. Заряды движутся по регулируемой области, называемой воротами. Емкость затвора регулируется напряжением.

Пространство pn-зоны уменьшается или увеличивается под действием электрического поля (см. Рис. 9). В результате количество свободных векторов изменяется от полного разрушения до окончательного насыщения. В результате этого воздействия на затвор регулируется ток на электродах стока (контактах, излучающих обработанный ток). Входящий ток протекает через контакты источника.

Рисунок 9. Полевой транзистор с pn переходом

Полевые триоды с интегрированным и индуцированным каналами работают по схожему принципу. Вы видели их схемы на рисунке 5.

Схемы включения полевого транзистора

На практике схемы подключения используются по аналогии с биполярным триодом:

• с общим источником – излучает большое усиление тока и мощности;
• общие схемы затвора, обеспечивающие низкий входной импеданс и низкий коэффициент усиления (ограниченное использование);
• общий сток, которые работают так же, как и схемы с общим эмиттером.

На рисунке 10 показаны различные схемы подключения.

Рис. 10. Иллюстрация схем подключения полевого триода

Почти все схемы способны работать при очень низких входных напряжениях.

Схемы включения транзисторов

Обычно биполярный транзистор всегда используется в прямом включении: обратная полярность на переходе FE ничего интересного не дает. Для схемы прямого подключения существует три схемы подключения: общий эмиттер (ОЭ), общий коллектор (ОК) и общая база (ОБ). Все три включения показаны ниже.

Они лишь объясняют сам принцип работы – если предположить, что рабочая точка каким-то образом устанавливается, с помощью дополнительного источника питания или вспомогательной цепи. Чтобы открыть кремниевый (Si) транзистор, вам необходимо иметь потенциал ~ 0,6 В между эмиттером и базой, а для германия достаточно ~ 0,3 В.

Общий эмиттер

Напряжение U1 вызывает ток Ib, ток коллектора Ic равен току базы, умноженному на. В этом случае напряжение + E должно быть достаточно большим: 5–15 В. Эта схема хорошо усиливает ток и напряжение, а значит, и мощность. Выходной сигнал находится в фазе, противоположной входному сигналу (инвертирован). Это используется в цифровых технологиях как функция НЕ.

Если транзистор работает не в ключевом режиме, а как усилитель малых сигналов (активный или линейный режим), то подбирая базовый ток, устанавливают напряжение U2 равным E / 2, чтобы выходной сигнал не искажался. Это приложение используется, например, при усилении аудиосигналов в усилителях высокого класса с низким уровнем искажений и, как следствие, низким КПД.

Общий коллектор

По напряжению схема ОК не усиливает, здесь коэффициент усиления α ~ 1. Поэтому эта схема называется эмиттерным повторителем. Ток в цепи эмиттера в β + 1 раз больше, чем в цепи базы. Эта схема хорошо усиливает ток и имеет низкий выход и очень высокое входное сопротивление.

Пора вспомнить, что транзистор называется трансформатором сопротивления. Эмиттерный повторитель имеет свойства и рабочие характеристики, очень подходящие для пробников осциллографов. Он использует свой огромный входной импеданс и низкий выходной импеданс, что хорошо для сопряжения с кабелем с низким импедансом.

Общая база

Эта схема имеет наименьшее входное сопротивление, но ее коэффициент усиления по току равен α. Обычная базовая схема хорошо усиливается по напряжению, но не по мощности. Его характеристика – исключение влияния емкостной обратной связи (Миллер эфф.). OB-каскады идеальны в качестве входных каскадов усилителей в радиочастотных трактах, согласованных с низким импедансом 50 и 75 Ом. Каскады с общей базой широко используются в СВЧ-технике, и их применение в радиоэлектронике с каскадом ведомых эмиттеров широко распространено.

Видео, поясняющие принцип работы транзистора простым языком

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор имеет два перехода: pnp или npn. Ключевое различие между ними – направление тока.

Коллектор и эмиттер, имеющие одинаковую проводимость (в транзисторах npn n-проводимость), отделены от базы, имеющей проводимость p. Даже если эмиттер подключен к источнику питания, он не может напрямую проникнуть в коллектор. Для этого необходимо подать питание на базу.

В этом случае электроны эмиттера заполняют «дырки» последнего. Но поскольку база слабо легирована, дырок мало. Поэтому большая часть электронов попадает в коллектор и начинает свое движение по цепи. Коллекторный ток почти равен току эмиттера, потому что база имеет очень маленькое значение.

Чтобы наглядно это представить, можно использовать аналогию с водопроводом. Клапан (транзистор) нужен для контроля количества воды. Если вы приложите небольшую силу, это увеличит проходное сечение трубы, и через нее начнет проходить больше воды.

Полевой транзистор

Если в биполярном транзисторе проверка проводилась по току, то в полевом транзисторе с помощью напряжения. Он состоит из полупроводниковой пластины, называемой каналом. С одной стороны подключен источник – через него носители электрического тока входят в канал, а с другой – дренаж – через него выходят из канала.

Сам канал как бы «зажат» между затвором, имеющим обратную проводимость, то есть если канал имеет n проводимость, то затвор имеет p проводимость. Затвор электрически отделен от канала. Изменяя напряжение затвора, можно регулировать площадь pn перехода. Чем он больше, тем меньше электричества проходит по каналу. Существует значение напряжения, при котором затвор полностью блокирует канал, и ток между истоком и стоком прекращается.

Самая яркая иллюстрация в этом случае – садовый шланг, проходящий через камеру небольшого колеса. В этом случае даже при подаче небольшого давления воздуха (напряжение затвор-исток) он значительно увеличивается в размерах и начинает защемлять трубку, просвет трубки перекрывается и подача воды прекращается (зона перехода pn увеличивается и электрический ток перестает течь по каналу).

Описанный выше тип полупроводникового прибора является классическим и называется транзистором с управляющим pn переходом. Часто можно встретить аббревиатуру JFET – Junction FET, которая является просто переводом русского названия на английский.

Другой тип полевого триода имеет небольшое отличие в конструкции затвора. На слое кремния путем окисления образуется диэлектрический слой оксида кремния. На него уже наносится ставня методом напыления металла. Получены чередующиеся слои затвора металл – диэлектрик – полупроводник или МДП.

Такой полевой транзистор с изолированным затвором обозначается латинскими буквами MOSFET.

Есть два типа заслонок MIS:

1. Затвор МДП с индуцированным (или обратным) каналом нормально закрыт, т.е при отсутствии напряжения на затворе электрический ток не проходит через канал. Чтобы его открыть, необходимо подать на затвор напряжение.
2. МДП-затвор со встроенным (или собственным) каналом нормально открыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электрический ток проходит по каналу. Чтобы его закрыть, необходимо подать на затвор напряжение.

Основные характеристики

Главная особенность всех типов транзисторов – возможность управлять сильным током небольшим. Их отчет показывает, насколько эффективным является полупроводниковый прибор.

В биполярных транзисторах это называется статическим коэффициентом передачи базового тока. Он характеризует, во сколько раз ток главного коллектора больше, чем вызвавший его базовый ток. Этот параметр имеет очень большое значение и может достигать 800.

Хотя на первый взгляд кажется, что принцип «чем больше, тем лучше», на самом деле это не так. Скорее, здесь применима поговорка «меньше значит больше». В среднем биполярные транзисторы имеют коэффициент передачи базового тока в диапазоне 10-50.

Для полевых транзисторов параметр подобного типа называется крутизной входной характеристики или проводимостью прямого переноса тока. Короче говоря, он показывает, насколько изменится напряжение, проходящее через канал, если вы измените напряжение затвора на 1 В.

Если на транзистор подать сигнал определенной частоты, он многократно усилит его. Это свойство полупроводниковых приборов используется в электронике. Однако существует предел усиления частоты, за которым триод больше не может усиливать сигнал.

Поэтому оптимальной считается максимальная рабочая частота сигнала, в 10-20 раз меньшая предельного усиления частоты транзистора.

Еще одна важная особенность транзистора – максимально допустимая рассеиваемая мощность. Дело в том, что при работе любого электрического устройства выделяется тепло. Чем он больше, тем больше значения тока и напряжения в цепи.

Отводится несколькими способами: с помощью специальных радиаторов, принудительного обдува и других. Таким образом, существует определенный предел количества тепла для каждого триода (оно отличается для каждого), которое он может рассеять в пространстве. Поэтому при выборе устройства исходят из характеристик электрической цепи, на которой предполагается установить транзистор.

Типы подключений

Основная задача транзистора – усиление входного сигнала. Проблема в том, что у любого триода всего три контакта, а у самого усилителя четыре полюса: два для входного сигнала и два для выхода, т.е усиленные. Выход – использовать один из контактов транзистора дважды: и как вход, и как выход.

По этому принципу различают три типа подключения. Следует отметить, что принципиальной разницы, какой тип устройства используется: полевой или биполярный, не имеет.

1. Подключение общего эмиттера (OE) или общего источника (OI). Эта схема подключения имеет самые высокие значения мощности усиления тока и напряжения. Однако из-за эффекта Миллера его частотные характеристики значительно хуже. С этим негативным явлением борются по-разному: используют соединение с общей базой, используют каскодное соединение двух транзисторов (добавляется второй, подключенный к общему эмиттеру, подключенный к общей базе).
2. Подключение к общей базе (OB) или к общему порту (OZ). Здесь полностью исключено влияние эффекта Миллера. Однако за это приходится платить: в этой схеме практически отсутствует усиление тока, но есть широкий диапазон изменения частоты сигнала.
3. Подключение к общему коллектору (OK) или к общему выхлопу (OC). Этот тип соединения часто называют источником, эмиттером или повторителем. Это «золотая середина» между двумя предыдущими типами схем: частотные характеристики и усиление мощности с точки зрения тока и напряжения находятся где-то посередине между первыми двумя.

Все три типа подключения, описанные выше, используются в соответствии с целями, которые преследуют производители.

Виды транзисторов

Первые транзисторы использовали германий, который был не очень стабильным. Со временем от него отказались в пользу других материалов: кремния (наиболее распространенного) и арсенида галлия. Но все это традиционные полупроводники.

В настоящее время начинают набирать популярность триоды на основе органических материалов и даже веществ биологического происхождения: белки, пептиды, молекулы хлорофилла и целые вирусы. Биотранзисторы используются в медицине и биотехнологии.

Другие классификации транзисторов:

1. По мощности они делятся на маломощные (до 0,1 Вт), средние (от 0,1 до 1 Вт) и просто мощные (более 1 Вт).
2. Также они подразделяются по материалу корпуса (металл или пластик), по типу исполнения (в корпусе открытые, в составе интегральных микросхем).
3. Их часто комбинируют друг с другом для повышения производительности. Такие транзисторы называются составными или комбинированными и могут состоять из двух и более полупроводниковых устройств. Их структура проста: эмиттер первого является основой второго, и так далее до необходимого количества триодов. Есть несколько типов: Darling (все компоненты с одинаковым типом проводимости), Shiklai (тип проводимости разный), каскодный усилитель (два устройства, которые работают как одно с общим подключением эмиттера).
4. В состав композита также входит биполярный IGBT-транзистор, который управляется полярным триодом с изолированным затвором. Этот тип полупроводниковых устройств в основном используется там, где необходимо управлять большим током (сварочные аппараты, городские электросети) или электромеханическими приводами (электромобили).
5. В качестве контроля можно использовать не ток, а другой электромагнитный эффект. Например, фототранзисторы используют чувствительный фотоэлемент в качестве основы, а магнитотранзисторы используют материал, который индуцирует ток при воздействии магнитного поля.

Технологический предел для транзисторов еще не достигнут. Их размер уменьшается с каждой целью, и различные исследовательские институты ищут новые материалы для использования в качестве полупроводников. Можно сказать, что эти полупроводниковые устройства еще не сказали миру свое последнее слово.

Применение транзисторов в жизни

Транзисторы используются во многих технических устройствах. Наиболее яркие примеры:

1. Схемы усиления.
2. Генераторы сигналов.
3. Электронные ключи.

Усиление сигнала требуется во всех устройствах связи. Во-первых, электрические сигналы ослабляются естественным образом. Во-вторых, довольно часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала не хватает для правильной работы устройства. Информация передается с помощью электрических сигналов. Чтобы обеспечить гарантированную доставку и высокое качество информации, нам необходимо усиливать сигналы.

Транзисторы способны влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора.

Электронные ключи нужны для контроля тока в цепи. Эти переключатели включают в себя множество транзисторов. Электронные ключи – один из важнейших элементов схемы. Компьютеры, телевизоры и другие электрические устройства работают на собственных основаниях, без которых в современной жизни не обойтись.

Как работают биполярные транзисторы

Начнем с классического биполярного транзистора NPN. Из него можно сделать три вывода:

• База (б – база)
• Коллектор (c – коллектор)
• Эмиттер (и – эмиттер)

Когда транзистор включен, через него может течь ток от коллектора к эмиттеру. Когда он выключен, ток не течет. В приведенном ниже примере транзистор выключен. Это означает, что через него не может протекать ток, поэтому светодиод не горит.

Для включения транзистора необходимо подать на базу по отношению к эмиттеру напряжение около 0,7 В. Если бы у вас была батарея 0,7 В, вы могли бы подключить ее между базой и эмиттером, и транзистор включился. Поскольку у большинства из нас нет батареи 0,7 В, как мы можем включить транзистор?

С легкостью! Переход база-эмиттер транзистора работает как диод. Диод имеет прямое напряжение, которое он «берет» из имеющегося напряжения питания. Если вы подключите резистор последовательно, остальное напряжение упадет на резисторе. Таким образом, вы автоматически получаете около 0,7 В, добавляя всего один резистор.

Этот же принцип используется для ограничения тока через светодиод, чтобы он не перегорел.

Выбор номиналов компонентов схемы

Для выбора требуемых номиналов компонентов необходимо знать еще один важный параметр транзистора – коэффициент усиления.

Когда ток течет от базы к эмиттеру, транзистор включается, поэтому больше тока может течь от коллектора к эмиттеру.

Между величинами этих двух токов существует связь. Это называется усилением транзистора. Для обычного транзистора, такого как BC547 или 2N3904, коэффициент усиления в среднем составляет около 100. Это означает, что если вы подаете ток 0,1 мА в переход база-эмиттер, направление коллектор-эмиттер будет давать ток 10 мА. (в 100 раз больше).

Каким должно быть сопротивление резистора R1, чтобы получить ток 0,1 мА?

Если у нас есть батарея 9 В в качестве источника питания и мы знаем, что падение напряжения на переходе база-эмиттер составляет 0,7 В, резистор останется на уровне 8,3 В. Чтобы найти сопротивление резистора, вы можете использовать закон Ома:

То есть нужно использовать резистор 83 кОм. Это нестандартное значение, поэтому из стандартного номинального диапазона мы возьмем ближайшее значение 82 кОм.

Резистор R2 предназначен для ограничения тока, протекающего через светодиод. Достаточно сопротивления 1 кОм.

Как подобрать транзистор

NPN-транзистор – наиболее распространенный тип биполярных транзисторов. Но есть еще один тип биполярного транзистора – транзистор PNP, который работает так же, как транзистор NPN, только все токи идут в противоположном направлении.

При выборе транзистора важно учитывать, какой ток транзистор может пропустить через себя без повреждений. Это называется током коллектора (Ic).

Как работает MOSFET транзистор

MOSFET-транзистор (полевой транзистор) – еще один очень распространенный тип транзисторов. Из него также можно сделать три вывода:

• Затвор (G – ворота)
• Источник (S – источник)
• Выхлоп (D – выхлоп)

N-канальный MOSFET работает как биполярный NPN-транзистор, но с одним важным отличием:

• В биполярном NPN-транзисторе ток, протекающий через переход база-эмиттер, определяет ток, протекающий через переход коллектор-эмиттер.
• В полевом МОП-транзисторе напряжение затвор-исток определяет величину тока, который будет течь от стока к истоку.

Вот почему вам не нужен резистор, включенный последовательно с затвором для полевого МОП-транзистора, как для NPN. Вместо этого вам понадобится резистор, подключенный между затвором и минусом питания, чтобы надежно отключить транзистор, когда кнопка не нажата:

Поскольку напряжение затвора определяет, сколько тока может протекать от стока к истоку, вы можете рассмотреть возможность добавления резистора последовательно с кнопкой. Итак, вы получаете делитель напряжения, с помощью которого можно установить точное напряжение на затворе.

Как выбрать MOSFET-транзистор

В приведенном выше примере используется полевой транзистор с N-каналом.Полевые транзисторы с каналом P работают так же, за исключением того, что ток течет в противоположном направлении, а напряжение затвор-исток должно быть отрицательным.

Есть тысячи различных полевых транзисторов на выбор. Но если вы хотите построить вышеуказанную схему, вы можете использовать BS170 или IRF510.

При выборе полевого транзистора следует учитывать две вещи:

1. Пороговое напряжение затвор-исток. Для включения транзистора необходимо более высокое напряжение.
2. Постоянный ток стока. Это максимальный ток, который может протекать через транзистор.

В зависимости от приложения следует учитывать и другие важные параметры. Но это выходит за рамки данной статьи. Помните об этих двух параметрах, и у вас будет хорошая отправная точка.

Зачем нужен транзистор?

У меня часто возникает вопрос: зачем нам транзистор? Почему бы не подключить светодиод и резистор напрямую к батарее?

Преимущество транзистора заключается в том, что небольшой ток или напряжение могут использоваться для управления гораздо более высокими токами и напряжениями.

Это очень полезно, если вы хотите управлять такими вещами, как двигатели, светодиоды питания, динамики, реле и многое другое с помощью микроконтроллера / Raspberry Pi / Arduino. Выход микроконтроллера может выдавать всего несколько миллиампер при 5 В. Поэтому, если вы хотите управлять, например, уличными фонарями 230 В, вы не можете делать это напрямую с микроконтроллера

Вместо этого вы можете использовать реле. Но даже реле обычно требует большего тока, чем может обеспечить выход микроконтроллера. Следовательно, для управления реле нужен транзистор:

Транзистор как усилитель

Транзистор также может действовать как усилитель слабого сигнала, что означает, что он может находиться в любом положении между полностью включенным и полностью выключенным».

Это означает, что слабый сигнал может управлять транзистором и создавать более сильную копию этого сигнала на переходе коллектор-эмиттер (или сток-исток). Следовательно, транзистор может усиливать слабые сигналы.

Вот простой усилитель для управления динамиком прямоугольным сигналом: