Транзистори є активними компонентами і використовуються повсюдно в електронних ланцюгах як підсилювачі та комутаційні пристрої (транзисторні ключі). Як посилювальні прилади вони застосовуються в приладах високої і низької частоти, генераторах сигналів, модуляторах, детекторах і багатьох інших ланцюгах. У цифрових схемах, в імпульсних блоках живлення і керованих електроприводах вони служать як ключі.
Біполярні транзистори
Так називається найбільш поширений тип транзистора. Вони діляться на npn і pnp типи. Матеріалом для них найбільш часто є кремній або германій. Спочатку транзистори робилися з Німеччини, але вони були дуже чутливі до температури. Кремнієві прилади набагато стійкіші до її коливань і дешевші у виробництві.
Різні біполярні транзистори показані на фото нижче.
Малопотужні прилади розташовані в невеликих пластикових прямокутних або металевий циліндричних корпусах. Вони мають три висновки: для бази (Б), еміттер (Е) і колектор (К). Кожен з них підключений до одного з трьох шарів кремнію з провідністю або n- (струм утворюють вільні електрони), або p-типу (струм утворюють так звані позитивно заряджені "дірки"), з яких і складається структура транзистора.
Як влаштований біполярний транзистор?
Принципи роботи транзистора потрібно вивчати, починаючи з його пристрою. Розгляньмо структуру npn-транзистора, яка зображена на малю.нижі.
Як бачимо, він містить три шари: два з провідністю n-типу і один - p-типу. Тип провідності шарів визначається ступенем легування спеціальними домішками різних частин кремнієвого кристала. Еміттер n-типу дуже сильно легований, щоб отримати безліч вільних електронів як основних носіїв струму. Дуже тонка база p-типу злегка легована домішками і має високий опір, а колектор n- типу дуже сильно легований, щоб надати йому низький опір.
Принципи роботи транзистора
Найкращим способом познайомитися з ними є експериментальний шлях. Нижче наведено схему простого ланцюга.
Вона використовує силовий транзистор для управління світінням лампочки. Вам також знадобиться батарейка, невелика лампочка від ліхтарика приблизно 4,5 В/0,3 А, потенціометр у вигляді змінного резистора (5К) і резистор 470 Ом. Ці компоненти повинні бути з 'єднані, як показано на малюнку праворуч від схеми.
Поверніть рушій потенціометра в крайнє нижнє положення. Це знизить напругу на базі (між базою і землею) до нуля вольт (UBE = 0). Лампа не світиться, що означає відсутність струму через транзистор.
Якщо тепер повертати рукоятку від її нижньої позиції, то UBE поступово збільшується. Коли воно сягає 0,6 В, струм починає втікати в базу транзистора, і лампа починає світитися. Коли рукоятка зсувається далі, напруга UBE залишається на рівні 0,6 В, але струм бази збільшується і це збільшує струм через ланцюг колектор-еміттер. Якщо рукоятка зрушена у верхнє положення, напруга на базі буде трохи збільшена до 0,75 В, але струм значно зросте і лампа буде світитися яскраво.
А якщо виміряти струми транзистора?
Якщо ми включимо амперметр між колектором (C) і лампою (для вимірювання IC), інший амперметр між базою (B) і потенціометром (для вимірювання IB), а також вольтметр між загальним проводом і базою і повторимо весь експеримент, ми зможемо отримати деякі цікаві дані. Коли рукоятка потенціометра знаходиться в його нижчій позиції, UBE дорівнює 0 В, також як і струми IC і IB. Коли рукоятку зрушують, ці значення ростуть до тих пір, поки лампочка не починає світитися, коли вони рівні: UBE = 0.6 В, IB = 0,8 мА і IC = 36 мА.
У підсумку ми отримуємо від цього експерименту такі принципи роботи транзистора: за відсутності позитивного (для npn-типу) напруги зміщення на базі струму через його висновки дорівнюють нулю, а за наявності напруги і струму бази їх зміни впливають на струм у ланцюгу колектор - еміттер.
Що відбувається при включенні харчування транзистора
Під час нормальної роботи, напруга, додана до переходу база-еміттер, розподіляється так, що потенціал бази (p-типу) приблизно на 0,6 В вище, ніж у еміттера (n-типу). При цьому до даного переходу докладено пряме напруження, він зміщений в прямому напрямку і відкритий для протікання струму з бази в еміттер.
Набагато вищу напругу докладено до переходу база-колектор, причому потенціал колектора (n-типу) виявляється вищим, ніж у бази (p-типу). Так що до переходу додано зворотну напругу і він зміщений у зворотному напрямку. Це призводить до утворення досить товстого збідненого електронами шару в колекторі поблизу бази, коли до транзистора прикладається напруга живлення. В результаті струм через ланцюг колектор-еміттер не проходить. Розподіл зарядів у зонах переходів npn-транзистора показано на малюнку нижче.
Яка роль струму бази?
Як же змусити працювати наш електронний прилад? Принцип дії транзистора полягає у впливі струму бази на стан закритого переходу база-колектор. Коли перехід база-еміттер зміщений в прямому напрямку, невеликий струм буде надходити в базу. Тут його носіями є позитивно заряджені дірки. Вони комбінуються з електронами, що надходять з еміттера, забезпечуючи струм IBE. Однак внаслідок того, що еміттер дуже сильно легований, набагато більше електронів надходить з нього в базу, ніж здатне з 'єднатися з дірками. Це означає, що виникає велика концентрація електронів в базі, і більшість з них перетинає її і потрапляє в збіднений електронами шар колектора. Тут вони потрапляють під вплив сильного електричного поля, доданого до переходу база-колектор, проходять через збіднений електронами шар і основний обсяг колектора до його виведення.
Зміни струму, що втікає в базу, впливають на кількість залучених від еміттера електронів. Таким чином, принципи роботи транзистора можуть бути доповнені таким твердженням: дуже невеликі зміни в базовому струмі викликають дуже великі зміни в струмі, що протікає від еміттера до колектора, тобто відбувається посилення струму.
Типи польових транзисторів
Англійською вони позначаються FETs - Field Effect Transistors, що можна перекласти як "транзистори з польовим ефектом". Хоча є багато плутанини в назвах для них, але зустрічаються в основному два основних їх типи:
1. З керуючим pn-переходом. В англомовній літературі вони позначаються JFET або Junction FET, що можна перекласти як "перехідний польовий транзистор". Інакше вони іменуються JUGFET або Junction Unipolar Gate FET.
2. З ізольованим затвором (інакше МОП- або МДП-транзистори). Англійською вони позначаються IGFET або Insulated Gate FET.
Зовні вони дуже схожі на біполярні, що підтверджує фото нижче.
Пристрій польового транзистора
Всі польові транзистори можуть бути названі УНІПОЛЯРНИМИ приладами, тому що носії заряду, які утворюють струм через них, відносяться до єдиного для даного транзистора типу - або електрони, або "дірки", але не обидва одночасно. Це відрізняє принцип роботи транзистора польового від біполярного, в якому струм утворюється одночасно обома цими типами носіїв.
Носії струму протікають у польових транзисторах з керуючим pn-переходом по шару кремнію без pn-переходів, званим каналом, з провідністю або n-, або p-типу між двома висновками, іменованими "витоком" і "стоком" - аналогами еміттера і колектора або, точніше, катода і анода вакуумного тріоду. Третій висновок - затвор (аналог сітки тріоду) - приєднаний до шару кремнію з іншим типом провідності, ніж у каналу істок-сток. Структура такого приладу показана на малюнку нижче.
Як же працює польовий транзистор? Принцип роботи його полягає в управлінні поперечним перерізом каналу шляхом додатку напруги до переходу затвор-канал. Його завжди зміщують у зворотному напрямку, тому транзистор практично не споживає струму по ланцюгу затвору, тоді як біполярному приладу для роботи потрібен певний струм бази. При зміні вхідної напруги область затвора може розширюватися, перекриваючи канал істок-стік аж до повного його закриття, керуючи таким чином струмом стоку.