- Što je tranzistor?
- Vrste tranzistora
- Kako radi bipolarni tranzistor? Upute za lutke
- Kako funkcionira tranzistor s efektom polja? Objašnjenje za lutke
- Video objašnjava princip tranzistora jednostavnim jezikom
Pomozite razvoju web mjesta, dijelite članak s prijateljima!
Princip kontrole poluvodičkih električnih struja bio je poznat još početkom dvadesetog stoljeća. Unatoč činjenici da su inženjeri koji rade na području elektronike, znali kako radi tranzistor, nastavili su dizajnirati uređaje temeljene na vakuumskim cijevima. Razlog za takvo nepovjerenje u poluvodičke triode bio je nesavršenost tranzistora prve točke. Obitelj germanijevih tranzistora nije se razlikovala u stabilnosti svojstava i jako je ovisila o temperaturnim režimima.
Monolitni silicijski tranzistori napravili su ozbiljnu konkurenciju elektronskim svjetiljkama tek krajem 50-ih. Od tada je elektronička industrija počela cvjetati, a kompaktne poluvodičke triode aktivno su prisiljavale energetski intenzivne svjetiljke iz elektroničkih uređaja. Pojavom integriranih krugova, gdje broj tranzistora može doseći milijarde komada, poluvodička elektronika osvojila je uvjerljivu pobjedu u borbi za minijaturizaciju uređaja.
Što je tranzistor?
U modernom smislu tranzistor se naziva poluvodički radio element dizajniran za promjenu parametara električne struje i kontrole. Obični poluvodički trioda ima tri izlaza: bazu na koju se šalju kontrolni signali, odašiljač i kolektor. Tu su i kompozitni tranzistori velike snage.
To utječe na veličinu veličina poluvodičkih uređaja - od nekoliko nanometara (nepakirani elementi koji se koriste u mikročipovima) do centimetara u promjeru moćnih tranzistora namijenjenih elektranama i industrijskoj opremi. Obrtni naponi industrijskih trioda mogu doseći i do 1000 V.
uređaj
Strukturno, trioda se sastoji od poluvodičkih slojeva zatvorenih u kućište. Poluvodiči su materijali na bazi silicija, germanija, galij arsenida i drugih kemijskih elemenata. Danas se provode studije koje pripremaju određene vrste polimera za ulogu poluvodičkih materijala, pa čak i ugljikovih nanocijevi. Očigledno ćemo u skoroj budućnosti saznati više o novim svojstvima grafenskih tranzistora polja.
Prije su se poluvodički kristali nalazili u metalnim kutijama u obliku kape s tri noge. Ovaj dizajn je tipičan za točkaste tranzistore.
Danas, izgradnja većine stan, uključujući silicij poluvodičkih uređaja izrađenih na temelju dopiran u određenim dijelovima jednog kristala. Prešaju se u plastične, metalno-staklene ili metal-keramičke slučajeve. Neki od njih imaju izbočene metalne ploče za odvođenje topline, koje su montirane na radijatorima.
Elektrode modernih tranzistora raspoređene su u jedan red. Takav raspored nogu pogodan je za automatsko sklapanje dasaka. Igle nisu označene na kućištima. Tip elektrode se određuje referentnim knjigama ili mjerenjima.
Za tranzistore koriste poluvodičke kristale s različitim strukturama, kao što su pnp ili npn. Razlikuju se polaritetom napona na elektrodama.
Shematski, struktura tranzistora može se prikazati kao dvije poluvodičke diode odvojene dodatnim slojem. (Vidi sliku 1). To je prisutnost ovog sloja koji vam omogućuje kontrolu provodljivosti poluvodičkog trioda.
Slika 1 shematski prikazuje strukturu bipolarnih trioda. Tu je i klasa tranzistora s efektom polja, o čemu će biti riječi u nastavku.
Osnovni princip rada
U mirovanju između kolektora i emitera bipolarnog trioda struja ne teče. Električna struja je spriječena otporom spoja emitera, koji nastaje kao posljedica interakcije slojeva. Da biste uključili tranzistor, potrebno je primijeniti lagani napon na njegovoj bazi.
Slika 2 prikazuje dijagram koji objašnjava kako funkcionira trioda.
Kontrolom baznih struja možete uključiti i isključiti uređaj. Ako se analogni signal primijeni na bazu, on će promijeniti amplitudu izlaznih struja. U isto vrijeme, izlazni signal će točno ponoviti frekvenciju oscilacija na osnovnoj elektrodi. Drugim riječima, doći će do pojačanja dolaznog električnog signala.
Dakle, poluvodičke triode mogu raditi u modu elektroničkih sklopki ili u načinu pojačanja ulaznih signala.
Rad uređaja u načinu rada elektroničkog ključa može se razumjeti iz slike 3. \ t
Oznaka na dijagramima
Konvencionalna oznaka: "VT" ili "Q", nakon čega slijedi položajni indeks. Na primjer, VT 3. U ranijim shemama možete pronaći zastarjele zapise: "T", "PP" ili "PT". Tranzistor je prikazan kao simboličke linije koje označavaju odgovarajuće elektrode, zaokružene sa ili bez njega. Smjer struje u odašiljaču označen je strelicom.
Slika 4 prikazuje VLF sklop u kojem su tranzistori označeni na novi način, a na slici 5 prikazani su shematski prikazi različitih tipova tranzistora s efektom polja.
Vrste tranzistora
Prema principu rada i strukture razlikuju se poluvodičke triode:
- polje;
- bipolarni;
- u kombinaciji.
Ti tranzistori obavljaju istu funkciju, ali postoje razlike u principu njihova rada.
polje
Ovaj tip trioda se također naziva unipolarnim zbog svojih električnih svojstava - oni imaju struju samo jednog polariteta. Po strukturi i vrsti upravljanja, ovi uređaji su podijeljeni u 3 vrste:
- Tranzistori s kontrolnim pn spojem (slika 6).
- S izoliranim zatvaračem (s ugrađenim ili induciranim kanalom).
- MDP, sa strukturom: metal-dielektrični-vodič.
Osobitost izoliranog vrata je prisutnost dielektrika između njega i kanala.
Dijelovi su vrlo osjetljivi na statički elektricitet.
Uzorci polja trioda prikazani su na slici 5.
Obratite pozornost na naziv elektroda: odvod, izvor i vrata.
Tranzistori s efektom polja troše vrlo malo energije. Mogu raditi više od godinu dana od male baterije ili baterije. Zbog toga se široko koriste u modernim elektroničkim uređajima, kao što su daljinski upravljači, mobilni uređaji itd.
bipolarni
Mnogo je rečeno o ovom tipu tranzistora u potpoglavlju "Princip osnovnog djelovanja". Napominjemo da je naziv "Bipolarni" uređaj primljen zbog mogućnosti prenošenja naboja suprotnih znakova kroz jedan kanal. Njihova značajka je niska izlazna otpornost.
Tranzistori pojačavaju signale, rade kao sklopni uređaji. Krug kolektora može uključivati prilično snažno opterećenje. Zbog velike struje kolektora može se smanjiti otpor opterećenja.
Detaljnije o strukturi i principu rada razmatramo u nastavku.
kombinirana
Kako bi se postigli određeni električni parametri iz upotrebe pojedinog diskretnog elementa, projektanti tranzistora izmišljaju kombinirane dizajne. Među njima su:
- bipolarni tranzistori s ugrađenim otpornicima;
- kombinacije dviju trioda (istih ili različitih struktura) u istom pakiranju;
- lambda diode - kombinacija dvije terenske triode, koje tvore česticu s negativnim otporom;
- konstrukcije u kojima terenski trioda s izoliranom kapijom kontrolira bipolarni triode (koristi se za kontrolu električnih motora).
Kombinirani tranzistori - zapravo je elementarni čip u jednom paketu.
Kako radi bipolarni tranzistor? Upute za lutke
Rad bipolarnih tranzistora temelji se na svojstvima poluvodiča i njihovim kombinacijama. Da bismo razumjeli princip djelovanja trioda, ispitajmo ponašanje poluvodiča u električnim krugovima.
Poluvodiča.
Neki kristali, kao što su silicij, germanij itd., Su dielektrici. Ali oni imaju jednu značajku - ako dodate određene nečistoće, oni postaju vodiči s posebnim svojstvima.
Neki aditivi (donori) dovode do pojave slobodnih elektrona, dok drugi (akceptori) tvore „rupe“.
Ako je, na primjer, silicij dopiran fosforom (donorom), tada dobivamo poluvodič sa suviškom elektrona (n-Si struktura). Kada se doda bor (akceptor), dopirani silicij će postati poluvodič s provodljivošću rupa (p-Si), tj. Pozitivno nabijeni ioni će dominirati njegovom strukturom.
Jednostrana provodljivost.
Provedimo mentalni eksperiment: spojite dvije različite vrste poluvodiča s izvorom napajanja i strujom napajanja u naš dizajn. Nešto će se dogoditi. Ako spojite negativnu žicu s kristalom n-tipa, sklop će se zatvoriti. Međutim, kad promijenimo polaritet, u krugu neće biti struje. Zašto se to događa?
Kao rezultat toga, kombinacija kristala s različitim tipovima vodljivosti, između njih, tvori područje s pn spojem. Dio elektrona (nositelja naboja) iz kristala n-tipa ulazi u kristal s provodom rupa i rekombinacijom rupa u zoni kontakta.
Kao rezultat toga, pojavljuju se nekompenzirani naboji: u regiji n-tipa, od negativnih iona, te u regiji p-tipa, od pozitivnih. Razlika potencijala dostiže vrijednost od 0, 3 do 0, 6 V.
Odnos između koncentracije napona i nečistoća može se izraziti formulom:
V = V T * ln ( Nn * Np ) / n2i, gdje
V T je vrijednost termodinamičkog naprezanja, N n i N p su koncentracije elektrona, odnosno rupa, a n i označava vlastitu koncentraciju.
Kada je plus spojen na p-dirigent, a minus na n-tip poluvodiča, električni naboj će prevladati barijeru, jer će njihovo kretanje biti usmjereno protiv električnog polja unutar pn spoja. U ovom slučaju, tranzicija je otvorena. Ali ako se zamijene polovi, tranzicija će biti zatvorena. Otuda zaključak: pn spoj oblikuje jednostranu provodljivost. Ovo svojstvo se koristi u konstrukciji dioda.
Od diode do tranzistora.
Usložimo eksperiment. Dodajte još jedan sloj između dva poluvodiča s istim strukturama. Na primjer, između silikonskih pločica p-tipa ubacujemo sloj vodljivosti (n-Si). Nije teško pogoditi što će se dogoditi u kontaktnim zonama. Analogno gore opisanom postupku, formirana su područja s pn spojevima koji blokiraju kretanje električnih naboja između emitera i kolektora, bez obzira na polaritet struje.
Najzanimljivija stvar će se dogoditi kada primijenimo lagani napon na međusloj (bazu). U našem slučaju dajemo struju s negativnim predznakom. Kao iu slučaju diode, formira se sklop emiter-baza kroz koji teče struja. U isto vrijeme, sloj će se početi zasićiti rupama, što će dovesti do provodljivosti rupe između odašiljača i kolektora.
Pogledajte sliku 7. To pokazuje da su pozitivni ioni ispunili cijeli prostor našeg konvencionalnog dizajna i sada ništa ne ometa provođenje struje. Dobili smo vizualni model bipolarnog tranzistora pnp strukture.
Kada se baza isključi iz napona, tranzistor vrlo brzo dolazi u svoje prvobitno stanje i čvor kolektora se zatvara.
Uređaj može raditi u modu pojačala.
Struja kolektora je izravno proporcionalna osnovnoj struji : I k = ß * I B, gdje je ß faktor pojačanja struje, I B je osnovna struja.
Ako promijenite veličinu upravljačke struje, tada će se promijeniti intenzitet formiranja rupa u podnožju, što će rezultirati proporcionalnom promjenom amplitude izlaznog napona, uz zadržavanje frekvencije signala. Ovaj princip se koristi za pojačavanje signala.
Primjenjujući slabe impulse na bazu, dobivamo istu frekvenciju pojačanja na izlazu, ali s mnogo većom amplitudom (koju daje napon primijenjen na lanac emiter kolektora).
Npn tranzistori rade na sličan način. Mijenja se samo polaritet napona. Uređaji s npn strukturom su izravno provodljivi. Obrnuta provodljivost ima tranzistore tipa pnp.
Ostaje dodati da poluvodički kristal reagira na sličan način kao ultraljubičasti spektar svjetla. Uključujući i isključujući protok fotona, ili podešavajući njegov intenzitet, možete kontrolirati rad trioda ili promijeniti otpor poluvodičkog otpornika.
Bipolarni tranzistorski krug
Strojarski inženjeri koriste sljedeće dijagrame povezivanja: sa zajedničkom bazom, zajedničkim odašiljačkim elektrodama i uključivanjem s zajedničkim kolektorom (Sl. 8).
Za pojačala s zajedničkom osnovnom karakteristikom:
- nizak ulazni otpor, koji ne prelazi 100 ohma;
- dobra temperaturna svojstva i frekvencijski parametri trioda;
- visoki dopušteni stres;
- zahtijeva dva različita izvora snage.
Sheme sa zajedničkim odašiljačem imaju:
- visoki strujni i naponski dobici;
- dobitak male snage;
- inverzija izlaznog napona u odnosu na ulaz.
S tim je priključkom dovoljan jedan izvor napajanja.
Shema povezivanja "zajedničkog kolektora" omogućuje:
- veliki ulaz i mala izlazna otpornost;
- omjer napona niskog napona (<1).
Kako funkcionira tranzistor s efektom polja? Objašnjenje za lutke
Struktura tranzistora s efektom polja razlikuje se od bipolarne po tome što struja u njoj ne prelazi zone pn spoja. Naknade se kreću u reguliranom području koje se zove zatvarač. Kapacitet zatvarača se regulira naponom.
Prostor pn zone smanjuje se ili povećava pod djelovanjem električnog polja (vidi sliku 9). Prema tome, broj slobodnih nosača naboja varira, od potpunog uništenja do maksimalnog zasićenja. Kao posljedica takvog utjecaja na kapiju, regulirana je struja na elektrodama odvoda (kontakti koji pokreću obrađenu struju). Dolazi struja teče kroz kontakte izvora.
Na sličnom principu, polja trioda rade s integriranim i induciranim kanalom. Njihove sheme koje ste vidjeli na slici 5.
Sklapanje kruga tranzistora s efektom polja
U praksi, oni koriste dijagrame povezivanja po analogiji s bipolarnim triodom:
- sa zajedničkim izvorom - daje veliko povećanje struje i snage;
- zajednička vrata koja osiguravaju nisku ulaznu impedanciju i nisku dobit (ograničena uporaba);
- sa zajedničkim odvodom, radeći na isti način kao i zajednički emiter.
Slika 10 prikazuje različite dijagrame ožičenja.
Gotovo svaki krug može raditi na vrlo niskim ulaznim naponima.