Как работает транзистор и где используется?

Что представляет собой полевой транзистор

Полевые транзисторы — это трех или четырех контактные устройства, в которых ток, идущий на два контакта, может регулироваться посредством напряжения электрополя  третьего контакта.  На двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. В результате этого подобные транзисторы называются полевыми.

Название расположенных на устройстве контактов и их функции:

• Истоки – контакты с входящим электрическим током, которые находится на участке n;
• Стоки – контакты с исходящим, обработанным током, которые находятся  на участке n;
• Затворы – контакты, находящиеся на участке р, посредством изменения напряжения на котором, выполняется регулировка пропускной способности на устройстве.

Для чего нужны транзисторы?

Область применение разграничена в зависимости от типа прибора – биполярный модуль или полевой. Зачем нужны транзисторы? Если необходима малая сила тока, например, в цифровых планах, используют полевые виды. Аналоговые схемы достигают показателей высокой линейности усиления при различном диапазоне питающего вольтажа и выходных параметров.

Областями установки биполярных транзисторов являются усилители, их сочетания, детекторы, модуляторы, схемы транзисторной логистики и инверторы логического типа.

Места применения транзисторов зависят от их характеристик. Они работают в 2 режимах:

• в усилительном порядке, изменяя выходной импульс при небольших отклонениях управляющего сигнала;
• в ключевом регламенте, управляя питанием нагрузок при слабом входном токе, транзистор полностью закрыт или открыт.

Вид полупроводникового модуля не изменяет условия его работы. Источник подсоединяется к нагрузке, например, переключатель, усилитель звука, осветительный прибор, это может быть электронный датчик или мощный соседний транзистор. С помощью тока начинается работа нагрузочного прибора, а транзистор подсоединяется в цепь между установкой и источником. Полупроводниковый модуль ограничивает силу энергии, поступающей к агрегату.

Сопротивление на выходе транзистора трансформируется в зависимости от вольтажа на управляющем проводнике. Сила тока и напряжение в начале и конечной точке цепи изменяются и увеличиваются или уменьшаются и зависят от типа транзистора и способа его подсоединения. Контроль управляемого источника питания ведет к усилению тока, импульса мощности или увеличению напряжения.

Транзисторы обоих видов используются в следующих случаях:

1. В цифровом регламенте. Разработаны экспериментальные проекты цифровых усилительных схем на основе цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).
2. В генераторах импульсов. В зависимости от типа агрегата транзистор работает в ключевом или линейном порядке для воспроизведения прямоугольных или произвольных сигналов, соответственно.
3. В электронных аппаратных приборах. Для защиты сведений и программ от воровства, нелегального взлома и использования. Работа проходит в ключевом режиме, сила тока управляется в аналоговом виде и регулируется с помощью ширины импульса. Транзисторы ставят в приводы электрических двигателей, импульсные стабилизаторы напряжения.

Монокристаллические полупроводники и модули для размыкания и замыкания контура увеличивают мощность, но функционируют только как переключатели. В цифровых устройствах применяют транзисторы полевого типа в качестве экономичных модулей. Технологии изготовления в концепции интегральных экспериментов предусматривают производство транзисторов на едином чипе из кремния.

Миниатюризация кристаллов ведет к ускорению действия компьютеров, снижению количества энергии и уменьшению выделения тепла.

Устройство тиристора

Фиксирование устойчивого состояния прибора возможно благодаря наличию ряду особенностей во внутреннем строении устройства. На представленной ниже схеме можно в этом убедиться:

На этой структуре становится очевидным тот факт, что тиристор представлен в виде 2-х простых электронных транзисторов, которые не похожи по своей структуре, однако связаны между собой. Кроме того, ключевую роль в составе полупроводникового электроприбора играют три следующих звена:

• Катод;
• Анод;
• Электрод управления.

Из-за того, что тиристор имеет четыре последовательно-соединенных диода, его переходный слой имеет такую форму: (р) — (п) — (р) — (п). Этот факт объясняет пропускную способность I, который течет лишь в единственной направленности направлении: от плюса к минусу.

Говоря и описывая внешний вид тиристоров, надо сказать, что они производятся из разных корпусов, поэтому исключен вариант с простым отводом тепла, однако, из-за наличия массивного металлического корпуса, способны выдерживать большие токи.

Что такое МОП-транзистор

Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor (Металлооксидные полевые транзисторы) сокращается как МОП-транзистор. Это униполярный транзистор, используемый в качестве электронного переключателя и для усиления электронных сигналов. Устройство имеет три терминала, состоящих из истока, затвора и стока. Помимо этих клемм имеется подложка, обычно называемая корпусом, которая всегда подключается к клемме источника для практических применений.

В последние годы его открытие привело к доминирующему использованию этих устройств в цифровых интегральных схемах из-за его структуры. Слой диоксида кремния (SiO2) действует как изолятор и обеспечивает электрическую изоляцию между затвором и активным каналом между истоком и стоком, что обеспечивает высокий входной импеданс, который почти бесконечен, таким образом захватывая весь входной сигнал.

Схемы включения полевых транзисторов

 Сфера применения полевых транзисторов та же, что и у биполярных. В основном они применяются в качестве усилительных элементов. Биполярные триоды при применении в усилительных каскадах имеют три основные схемы включения:

• с общим коллектором (эмиттерный повторитель);
• с общей базой;
• с общим эмиттером.

Полевые транзисторы включаются подобными способами.

Схема с общим стоком

Схема с общим стоком (истоковый повторитель), так же, как и эмиттерный повторитель на биполярном триоде, усиления по напряжению не дает, но предполагает усиление по току.

Достоинством схемы является высокое входное сопротивление, оно же в некоторых случаях является недостатком – каскад становится чувствительным к электромагнитным помехам. При необходимости Rвх можно уменьшить включением резистора R3.

Схема с общим затвором

Эта схема подобна схеме включения биполярного транзистора с общей базой. Эта схема дает хорошее усиление по напряжению, но усиление по току отсутствует. Как и включение с общей базой, такой вариант применяется нечасто.

Схема с общим истоком

Наиболее распространена схема включения полевых триодов с общим истоком. Её коэффициент усиления зависит от соотношения сопротивления Rс к сопротивлению в цепи стока (для регулировки усиления в цепи стока может быть установлен дополнительный резистор), а также зависит от крутизны характеристики транзистора.

Также полевые транзисторы используются в качестве управляемого сопротивления. Для этого рабочая точка выбирается в пределах линейного участка. По этому принципу можно реализовать управляемый делитель напряжения. А на двухзатворном триоде в таком режиме можно реализовать, например, смеситель для приёмной аппаратуры – на один затвор подается принимаемый сигнал, а на другой – сигнал с гетеродина.

Если принять теорию о том, что история развивается по спирали, можно увидеть закономерность в развитии электроники. Уйдя от ламп, управляемых напряжением, технологии пришли к биполярным транзисторам, которым для управления нужен ток. Спираль сделала полный виток – сейчас наблюдается доминирование униполярных триодов, не требующих, как и лампы, расхода мощности в цепях управления. Куда дальше выведет циклическая кривая – будет видно. Пока альтернативы полевым транзисторам не наблюдается.

Как работает транзистор и где используется?

Что такое биполярный транзистор и какие схемы включения существуют

Назначение, характеристики и аналоги транзистора 13001

Что такое тиристор, как он работает, виды тиристоров и описание основных характеристик

Что такое термистор, их разновидности, принцип работы и способы проверки на работоспособность

Что такое электромагнитное реле, их виды и принцип работы

Что такое транзистор?

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов некоторые виды полимеров, и даже углеродных нанотрубок. Видимо в скором будущем мы узнаем о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.

Раньше кристаллы полупроводника располагались в металлических корпусах в виде шляпок с тремя ножками. Такая конструкция была характерна для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских, в т. ч. кремниевых полупроводниковых приборов выполнены на основе легированного в определённых частях монокристалла. Они впрессованы в пластмассовые, металлостеклянные или металлокерамические корпуса. У некоторых из них имеются выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторы.

Электроды современных транзисторов расположены в один ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки плат. Выводы не маркируются на корпусах. Тип электрода определяется по справочникам или путём измерений.

Схематически строение транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделённых дополнительным слоем. (Смотри рисунок 1). Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью полупроводникового триода.

Рис. 1. Строение транзисторов

На рисунке 1 схематически изображено строение биполярных триодов. Существуют ещё класс полевых транзисторов, о которых речь пойдёт ниже.

Базовый принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не протекает. Электрическому току препятствует сопротивление эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв. Для включения транзистора требуется подать незначительное напряжение на его базу.

На рисунке 2 показана схема, объясняющая принцип работы триода.

Рис. 2. Принцип работы

Управляя токами базы можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, то он изменит амплитуду выходных токов. При этом выходной сигнал точно повторит частоту колебаний на базовом электроде. Другими словами, произойдёт усиление поступившего на вход электрического сигнала.

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

Работу устройства в режиме электронного ключа можно понять из рисунка 3.

Рис. 3. Триод в режиме ключа

Обозначение на схемах

Общепринятое обозначение: «VT» или «Q», после которых указывается позиционный индекс. Например, VT 3. На более ранних схемах можно встретить вышедшие из употребления обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ». Транзистор изображается в виде символических линий обозначающих соответствующие электроды, обведённые кружком или без такового. Направление тока в эмиттере указывает стрелка.

На рисунке 4 показана схема УНЧ, на которой транзисторы обозначены новым способом, а на рисунке 5 – схематические изображения разных типов полевых транзисторов.

Рис. 4. Пример схемы УНЧ на триодах

Область применения и основной принципы функционирования

В состоянии покоя между коллекторами транзистора нет электрического тока. Его прохождению мешает сопротивляемость переходника, которая возникает из-за одновременной работы двух слоев транзистора. Включить элемент просто: необходимо подать любое напряжение на него. Управление базой и ее токами будет напрямую переключать режимы работы транзистора с «включенного» на «выключенный».

Если же направить сигнал от аналогового источника, то он будет взаимодействовать с выходными токами путем передачи им своей амплитуды. Иначе говоря, электрический сигнал, который поступил на выходы, будет усилен. Полупроводниковые управляющие триоды вполне могут активно работать как электронные ключи или усилители электронных сигналов входа.

Простейшие схемы подключения транзисторов

Функции транзисторов

Транзисторы выполняют следующие функции:

1. Позволяют усиливать электрические сигналы. Транзисторы усиливают любые электрические сигналы, как высокие так и низкие частоты.
2. Могут работать как ключ, включать и выключать поступление электрического тока. Благодаря этому простому включению и выключению работают все современные процессоры. Транзисторы – это основа всей современной цифровой техники.
3. Генерируют электрические сигналы за счет положительной обратной связи. На их основе можно сделать генераторы звука и сигналов.
4. Могут согласовывать сопротивления электрических цепях за счет различных схем включения и работают как ограничители тока. В блоках питания транзисторы могут ограничивать ток короткого замыкания, а также работать как предохранитель.

Чем транзисторы уступают лампам

Несмотря на неоспоримые преимущества транзисторов перед лампами, ламповые триоды по прежнему имеют ряд преимуществ., среди которых:

• Устойчивость к высоким электромагнитным наводкам и помехам. Это не значит, что полупроводниковая техника может выйти из строя от любых помех. Но если случится сильнейшая магнитная буря от Солнца (или мощный ЭМИ удар от ядерных бомб), то все p-n переходы в полупроводниковой технике могут выйти из строя из-за высоких токов наводки. Вакуумная техниках намного устойчивее к таким помехам.
• Ламповая техника намного лучше и стабильнее работает на высоких частотах. И это уже особенности конструкции. Так как в транзисторах есть p-n переходы, то у них тоже есть своя емкость. А паразитная емкость на высоких частотах негативно влияет на усиление сигнала. Появляются нелинейные искажения. А в вакуумной технике есть такие лампы, у которых по несколько экранирующих сеток, которые позволяют снизить эффект паразитных емкостей. Пример радиолампы — это клистрон.

Нельзя прямо сказать, что транзисторы полностью искоренили лампы. У каждой детали есть свои преимущества и недостатки в разных областях. Конечно, в цифровой технике транзисторам нет ровни среди ламп. Однако на сверхвысоких частотах транзисторы по-прежнему уступают лампам.

Post Views:
480

Устройство и принцип работы для начинающих

Технологии оперируют не только зарядом электричества, но и магнитным полем, световыми квантами и фотонами. Принцип действия транзистора заключается в состояниях, между которыми переключается устройство. Противоположный малый и большой сигнал, открытое и закрытое состояние – в этом заключается двойная работа приборов.

Вместе с полупроводниковым материалом в составе, используемого в виде монокристалла, легированного в некоторых местах, транзистор имеет в конструкции:

• выводы из металла;
• диэлектрические изоляторы;
• корпус транзисторов из стекла, металла, пластика, металлокерамики.

До изобретения биполярных или полярных устройств использовались электронные вакуумные лампы в виде активных элементов. Схемы, разработанные для них, после модификации применяются при производстве полупроводниковых устройств. Их можно было подключить как транзистор и применять, т. к. многие функциональные характеристики ламп годятся при описании работы полевых видов.

Преимущества и недостатки замены ламп транзисторами

Изобретение транзисторов является стимулирующим фактором для внедрения инновационных технологий в электронике. В сети используются современные полупроводниковые элементы, по сравнению со старыми ламповыми схемами такие разработки имеют преимущества:

небольшие габариты и малый вес, что важно для миниатюрной электроники;
возможность применить автоматизированные процессы в производстве приборов и сгруппировать этапы, что снижает себестоимость;
использование малогабаритных источников тока из-за потребности в низком напряжении;
мгновенное включение, разогревание катода не требуется;
повышенная энергетическая эффективность из-за снижения рассеиваемой мощности;
прочность и надежность;
слаженное взаимодействие с дополнительными элементами в сети;
стойкость к вибрации и ударам.

Недостатки проявляются в следующих положениях:

• кремниевые транзисторы не функционируют при напряжении больше 1 кВт, лампы эффективны при показателях свыше 1-2 кВт;
• при использовании транзисторов в мощных сетях радиовещания или передатчиках СВЧ требуется согласование маломощных усилителей, подключенных параллельно;
• уязвимость полупроводниковых элементов к воздействию электромагнитного сигнала;
• чувствительная реакция на космические лучи и радиацию, требующая разработки стойких в этом плане радиационных микросхем.

Схемы включения

Чтобы работать в единой цепи транзистору требуется 2 вывода на входе и выходе. Почти все виды полупроводниковых приборов имеют только 3 места подсоединения. Чтобы выйти из трудного положения, один из концов назначается общим. Отсюда вытекают 3 распространенные схемы подключения:

• для биполярного транзистора;
• полярного устройства;
• с открытым стоком (коллектором).

Биполярный модуль подключается с общим эмиттером для усиления как по напряжению, так и по току (ОЭ). В других случаях он согласовывает выводы цифровой микросхемы, когда существует большой вольтаж между внешним контуром и внутренним планом подключения. Так работает подсоединение с общим коллектором, и наблюдается только рост тока (ОК). Если нужно повышение напряжения, то элемент вводится с общей базой (ОБ). Вариант хорошо работает в составных каскадных схемах, но в однотранзисторных проектах ставится редко.

Полевые полупроводниковые приборы разновидностей МДП и с использованием p-n-перехода включаются в контур:

• с общим эмиттером (ОИ) – соединение, аналогичное ОЭ модуля биполярного типа
• с единым выходом (ОС) – план по типу ОК;
• с совместным затвором (ОЗ) – похожее описание ОБ.

В планах с открытым стоком транзистор включается с общим эмиттером в составе микросхемы. Коллекторный вывод не подсоединяется к другим деталям модуля, а нагрузка уходит на наружный разъем. Выбор интенсивности вольтажа и силы тока коллектора производится после монтажа проекта. Приборы с открытым стоком работают в контурах с мощными выходными каскадами, шинных драйверах, логических схемах ТТЛ.

Реальные биполярные транзисторы. Классификация, виды, типы.

Если бы БТ на самом деле был идеальным, то нужен был бы всего один тип транзистора — ПИБТ (просто идеальный биполярный транзистор). Его можно было бы применять во всех схемах. В реальности все не так хорошо. Причем улучшение одних параметров транзистора, обычно приводит к ухудшению других. Именно этим обусловлено наличие большого разнообразия типов и видов транзисторов, так как для различных схем важны некоторые определенные параметры, но не важны другие, ими можно пожертвовать.

Реальный биполярный транзистор обладает коэффициентом передачи тока, зависящим от самого тока, температуры, частоты и еще ряда внешних параметров. Значения коэффициента передачи тока могут быть от 8 до 1000 и более.

Реальный БТ обладает индуктивностью выводов (как будто последовательно с выводами подключили маленькие катушки индуктивности) и емкостью между коллектором и эмиттером, коллектором и базой, базой и эмиттером. Эти параметры влияют на применимость БТ в высокочастотных схемах. В зависимости от них различают низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные биполярные транзисторы

Реальный БТ обладает внутренним сопротивлением (как будто последовательно с выводами подключили маленькие резисторы), ограниченными возможностями по рассеиванию тепла, которое неизбежно выделяется при работе прибора, некоторым конечным напряжением насыщения коллектор — эмиттер (если напряжение на коллекторе меньше, то ток через коллектор не пойдет, даже если в цепи базы ток есть). Напряжение насыщения коллектор — эмиттер — очень важный параметр, так как он влияет на потери и нагрев, когда транзистор работает в ключевом режиме, ведь потери мощности в ключевом режиме, когда транзистор открыт, как раз равны току коллектора умножить на напряжение насыщения коллектор — эмиттер. Таким образом, биполярные транзисторы подразделяются на маломощные, средней мощности и мощные. Кроме того, выделяют биполярные транзисторы — ключи, специально предназначенные для работы в режиме ключа.

Реальный БТ имеет ограничения сверху по напряжению коллектор — эмиттер. Превышение этого напряжения чревато пробоем и разрушением элемента. В зависимости от максимального напряжения коллектор — эмиттер биполярные транзисторы разделяют на низковольтные и высоковольтные.

Еще выделяют малошумящие и термостабильные биполярные транзисторы.

Как считают транзисторы

Транзисторы соединены таким хитрым образом, что, когда на них подаётся ток в нужных местах, они выдают ток в других нужных местах. И всё вместе производит впечатление полезной для человека математической операции.

Пока что не будем думать, как именно соединены транзисторы. Просто посмотрим на принцип.

Допустим, нам надо сложить числа 4 и 7. Нам, людям, очевидно, что результат будет 11. Закодируем эти три числа в двоичной системе:

Десятичная	Двоичная
4	0100
7	0111
11	1011

Теперь представим, что мы собрали некую машину, которая получила точно такой же результат: мы с одной стороны подали ей ток на входы, которые соответствуют первому слагаемому; с другой стороны — подали ток на входы второго слагаемого; а на выходе подсветились выходы, которые соответствовали сумме.

Смотрите, что тут происходит: есть восемь входов и четыре выхода. На входы подается электричество. Это просто электричество, оно не знает, что оно обозначает числа. Но мы, люди, знаем, что мы в этом электричестве зашифровали числа.

Так же на выходе: электричество пришло на какие-то контакты. Мы как-то на них посмотрели и увидели, что эти контакты соответствуют какому-то числу. Мы делаем вывод, что эта простейшая машина сложила два числа. Хотя на самом деле она просто хитрым образом перемешала электричество.

Вот простейший пример компьютера, собранного на транзисторах. Он складывает два числа от 0 до 15 и состоит только из транзисторов, резисторов (чтобы не спалить) и всяких вспомогательных деталей типа батарейки, выключателей и лампочек. Можно сразу посмотреть концовку, как он работает:

Вот ровно это, только в миллиард раз сложнее, и происходит в наших компьютерах.

Что мы знаем на этом этапе:

1. Транзисторы — это просто «краны» для электричества.
2. Если их хитрым образом соединить, то они будут смешивать электричество полезным для человека образом.
3. Все компьютерные вычисления основаны на том, чтобы правильно соединить и очень плотно упаковать транзисторы.

В следующей части разберем, как именно соединены эти транзисторы и что им позволяет так интересно всё считать.

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

Использование полевых транзисторов благодаря их универсальным характеристикам позволило обойти другие виды транзисторов. Они широко применяются для интегральной схемы в качестве выключателя.

Достоинства:

• каскады детали расходуют малое количество энергии;
• показатели усиления превышают, значения других аналогичных устройств;
• достижение высокой помехоустойчивости осуществляется за счет того, что отсутствует ток в затворе;
• обладают более высокой скоростью включения и выключения, работают с недоступными для других транзисторов частотами.

Недостатки:

• менее устойчивы к высоким температурам, которые приводят к разрушению;
• на частотах более 1,5 ГГц, количество потребляемой энергии стремительно увеличивается;
• чувствительны к статическим видам электричества.

Благодаря характеристикам, которыми обладают полупроводниковые материалы, взятые в качестве основы для полевого транзистора, позволяют использовать устройство в бытовой и производственной сфере. Полевыми транзисторами оснащается различная бытовая техника, которая используется современным человеком.