В чем измеряется транзистор

17

Транзистор

Транзи́стор (от англ.   transfer — переносить и resistor — сопротивление) — трёхэлектродный полупроводниковый электронный прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.). В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor). Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

Вся современная цифровая техника построена, в основном, на полевых МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторах (МОПТ), как более экономичных, по сравнению с БТ, элементах. Иногда их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- транзисторы. Международный термин — MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем памяти, процессора, логики и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 32 нм. На одном современном чипе (обычно размером 1—2 см²) размещаются несколько (пока единицы) миллиардов МОПТ. На протяжении 60 лет происходит уменьшение размеров (миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе (степень интеграции), в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе (см. Закон Мура). Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров. Каждую секунду сегодня в мире изготавливается полмиллиарда МОП-транзисторов.

Содержание

История [ править | править код ]

Первые патенты на принцип работы полевых транзисторов были зарегистрированы в Германии 1928 (в Канаде, в 1925 году в октябре 22) на имя австро-венгерского физика Юлия Эдгара Лилиенфельда. В 1934 немецкий физик Оскар Хейл запатентовал полевой транзистор. Полевые транзисторы (в частности, МОП-транзисторы) основаны на простом электростатическом эффекте поля, по физике они существенно проще биполярных транзисторов, и поэтому они придуманы и запатентованы задолго до биполярных транзисторов. Тем не менее, первый МОП-транзистор, составляющий основу современной компьютерной индустрии, был изготовлен позже биполярного транзистора в 1960 году. Только в 90-х годах 20 века МОП-технология стала доминировать над биполярной.

В 1947 Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, продемонстрированный 16 декабря. 23 декабря состоялось официальное представление изобретения и именно эта дата считается днём изобретения транзистора. По технологии изготовления он относился к классу точечных транзисторов. В 1956 году они были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Интересно, что Джон Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии во второй раз за создание теории сверхпроводимости.

Позднее транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, свершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров.

Bell нуждались в названии устройства. Предлагались названия «полупроводниковый триод» (semiconductor triode), «Solid Triode», «Surface States Triode», «кристаллический триод» (crystal triode) и «Iotatron», но слово «транзистор» (transistor), предложенное Джоном Пирсом (John R. Pierce), победило во внутреннем голосовании.

Первоначально название «транзистор» относилось к резисторам, управляемым напряжением. В самом деле, транзистор можно представить как некое сопротивление, регулируемое напряжением на одном электроде (в полевых транзисторах, для которых эта аналогия более точна — напряжением на затворе, в биполярных транзисторах — напряжением на базе или током базы).

Классификация транзисторов [ править | править код ]

• Комбинированные транзисторы

Принцип действия и способы применения транзисторов существенно зависят от их типа, поэтому подробная информация об этом отнесена в соответствующие статьи.

По типу используемого полупроводника транзисторы классифицируются на кремниевые, германиевые и арсенид-галлиевые. Другие материалы транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов — полупроводниковые полимеры. Также имеются отдельные сообщения о транзисторах на основе углеродных нанотрубок.

По мощности различают маломощные транзисторы (рассеиваемая мощность измеряется в мВт), транзисторы средней мощности (от 0,1 до 1 Вт рассеиваемой мощности) и мощные транзисторы (больше 1 Вт). На фотографии мощность транзисторов возрастает слева направо.

По исполнению различают дискретные транзисторы (корпусные и бескорпусные) и транзисторы в составе интегральных схем

ТРАНЗИСТОР

(от англ. transfer — перенос и resistor — сопротивление) — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, способный усиливать электрич. сигналы. Изобретён Дж. Бардином (J. Bardeen), У. Браттейном (W. Brattain) и У. Шокли (W. Shockley) в 1948 (Нобелевская премия по физике, 1956).

Ныне Т. называют 2 класса приборов, различных по физ. принципам, лежащим в основе их работы, но объединённых общим свойством усиливать электрич. сигналы. За изобретением Бардина, Браттейна и Шокли утвердилось название транзистор биполярный. Второй класс транзисторов составляют полевые транзисторы. Т. обоих классов являются осн. активными элементами совр. полупроводниковой электроники и элементной базой интегральных схем.

Лит. см. при статьях Полевой транзистор, Транзистор биполярный.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое «ТРАНЗИСТОР» в других словарях:

ТРАНЗИСТОР — (от англ. transfеr переносить и резистор) полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, выполненный на основе монокристаллического полупроводника (преимущественно Si или Ge), содержащего не менее… … Большой Энциклопедический словарь

ТРАНЗИСТОР — ТРАНЗИСТОР, ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ электронное устройство, способное усиливать электрические сигналы. В основное вещество КРЕМНИЙ или ГЕРМАНИЙ добавляется очень малое количество присадки МЫШЬЯКА или СУРЬМЫ, чтобы образовался материал типа п, в котором … Научно-технический энциклопедический словарь

транзистор — филдистор, радиоприемник Словарь русских синонимов. транзистор сущ., кол во синонимов: 8 • микротранзистор (1) • … Словарь синонимов

ТРАНЗИСТОР — ТРАНЗИСТОР, а, муж. 1. Полупроводниковый прибор, усиливающий, генерирующий и преобразующий электрические колебания. 2. Портативный радиоприёмник с такими приборами. | прил. транзисторный, ая, ое (к 1 знач.). Т. приёмник. Толковый словарь Ожегова … Толковый словарь Ожегова

транзистор — транзистор, мн. транзисторы, род. транзисторов (неправильно транзистора, транзисторов) … Словарь трудностей произношения и ударения в современном русском языке

транзистор — Электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три или более вывода, предназначенный для генерирования и преобразования электрических колебаний. [РД 01.120.00 КТН 228 06] Тематики магистральный нефтепроводный транспорт EN… … Справочник технического переводчика

ТРАНЗИСТОР — (1) полупроводниковый (см.), предназначенный для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических колебаний различных частот. Представляет собой монокристалл германия, кремния, арсенида галлия, фосфида галлия или др.… … Большая политехническая энциклопедия

ТРАНЗИСТОР — полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрического тока и управления им. Транзисторы выпускаются в виде дискретных компонентов в индивидуальных корпусах или в виде активных элементов т.н. интегральных схем, где их размеры не… … Энциклопедия Кольера

Транзистор — Дискретные транзисторы в различном конструктивном оформлении … Википедия

Транзистор — (от англ. transfer переносить и resistor сопротивление) электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или более) вывода, предназначенный для генерирования и преобразования электрических колебаний. Изобретён в… … Большая советская энциклопедия

Транзисторы

В группу этих полупроводниковых приборов входят два вида транзисторов биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как-то отличить от вторых, часто называют обычными транзисторами. Они являются транзисторами наи­более широкого применения. С них я и начну рассказ о транзисторах.

В упрощенном виде транзистор представляет собой пластинку полупро­водника с тремя, как в слоеном пироге, чередующимися областями разной электропроводности (рис. 89), которые образуют два р-п перехода. У каждой области свой контактный вывод. Две крайние области обладают проводи­мостью одного типа, средняя — проводимостью другого типа. Если в крайних областях преобладает дырочная проводимость, а в средней электронная (рис. 89, а), то такой прибор называют транзистором структуры р-п-р. У транзисто­ра структуры n-p-n наоборот, по краям расположены области с электронной проводимостью, а между ними — область с дырочной проводимостью (рис. 89, б).

Прикрой листком бумаги любую из крайних областей транзисторов, изо­браженных схематически на рис. 89. Что получилось? Оставшиеся две об­ласти есть не что иное, как плоскостной диод. Если прикрыть другую край­нюю область, то тоже получится диод. Значит, транзистор можно представить себе как два плоскостных диода с одной общей областью, включенных на­встречу друг другу. Общую (среднюю) область транзистора называют базой, одну крайнюю область (на рис. 89 — нижняя) — эмиттером, вторую край­нюю (на рис. 89 — верхняя) —коллектором. Это три электрода транзистора. Во время работы транзистора его эмиттер вводит (эмиттирует) в базу дырки (в транзисторе структуры р-п-р) или электроны (в транзисторе структуры п-р-п\ коллектор собирает эти электрические заряды, вводимые в базу эмиттером. Различие в обозначениях транзисторов разных структур заключается лишь в на­правлении стрелки эмиттера: в транзисторах р-п-р она обращена в сторону базы, а в транзисторах п-р-п — от базы.

* Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer- преобразователь и resistor — сопротивление.

Электронно-дырочные переходы в транзисторе могут быть получены так же, как в плоскостных диодах. Например, чтобы изготовить транзистор струк­туры р-п-р, берут тонкую пластинку германия с электронной проводимостью и наплавляют на ее поверхность кусочки индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в тело пластинки, образуя в ней две области p-типа — эмиттер я коллектор, а между ними получается очень тонкая (несколько микрон) про­слойка полупроводника n-типа — база. Транзисторы, изготовляемые по такой технологии, называют сплавными. Схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора показаны на рис. 90.

Прибор собран на металлическом диске диаметром менее 10 мм» Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу — ее наружный про­волочный вывод. Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к про­волочкам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выво­дами этих электродов. Цельнометаллический колпак защищает прибор от меха­нических повреждений и влияния свега. Так устроены наиболее распространенные маломощные низкочастотные транзисторы МП39, МП40, МП41, МП42 и их разновидности. Буква М в обозначении говорит о том, что корпус транзистора холодносварной, буква П — первоначальная буква слова «плоскостной», а цифры — порядковые заводские номера приборов. В конце обозначения могут быть буквы А, Б, В (например, МП39Б), указывающие раз­новидность транзистора данной группы.

Существуют другие способы изготовления транзисторов, например диф­фузионно-сплавной (рис. 91). Коллектором транзистора, изготовленного по такой технологии, служит пластинка исходного полупроводника. На поверхность пластинки наплавляют очень близко один от другого два малень­ких шарика примесных элементов. Во время нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластинку полу­проводника. При этом один шарик (на рис. 91 — правый) образует в коллекто­ре тонкую базовую область, а второй шарик (на рис. 91 — левый) создает в ней эмиттерную область.

Наряду с этой системой продолжает действовать и прежняя система обоз­начения транзисторов, например П27, П401, П213 и т. д. Объясняется это тем, что эти или подобные им транзисторы были разработаны ранее. Ос­новные параметры наиболее широко используемых радиолюбителями транзисто­ров ты найдешь в прилож. 4. А внешний вид некоторых из них и расположение выводов транзисторов ты видишь на рис. 92.

Рис. 92. Внешний вид некоторых транзисторов.

Маломощный низкочас­тотный транзистор ГТ109 (структуры р-п-р), показанный на этом рисунке, имеет в диаметре всего 3,4 мм, его масса 0,1 г. Транзисторы этого типа пред­назначены для миниатюрных радиовещательных приемников. Их используют также в электронных часах, в электронных медицинских приборах.

Диаметр транзисторов ГТ309 (р-п-р) 7,4 мм, масса 0,5 г. Такие транзисторы применяют в различных малогабаритных электронных устройствах для усиления и генерирования колебаний высокой частоты. Транзисторы КТ315 (п-р-п) вы­пускают в пластмассовых корпусах. Размеры корпуса 7x9x3 мм, масса 0,2 г. Эти маломощные транзисторы предназначены для усиления и генерирования колебаний высокой частоты.

Транзисторы МП39 — МП42 (р-п-р) — самые массовые среди маломощных низ­кочастотных транзисторов. Точно так выглядят и аналогичные им, но струк­туры п-р-п, транзисторы МП35 — МП38. Диаметр корпуса любого из этих тран­зисторов 11,5 мм, масса — не более 2 г. Наиболее широко их используют в усилителях колебаний звуковой частоты.

Транзисторы П401 — П403 (р-п-р) — маломощные высокочастотные транзис­торы. Диаметр корпуса 11,5 мм, масса — не более 2 г. Их очень широко используют для усиления высокочастотных сигналов как в промышленных, так и в любительских радиовещательных приемниках. Точно так же выглядят аналогичные нм маломощные высокочастотные транзисторы П416, П422, П423 структуры р-п-р.

Транзистор ГТ213 (р-п-р) — представитель мощных низкочастотных транзисто­ров, широко используемых в оконечных каскадах усилителей звуковой частоты. Диаметр этого, а также аналогичных ему транзисторов П214 — П216 и неко­торых других, 24 мм, масса — не более 20 г. Такие транзисторы крепят на шасси или панелях при помощи фланцев. Так как эти транзисторы во время ра­боты нагреваются, их часто ставят еще на специальные ребристые теплоот­воды с увеличенными поверхностями охлаждения.

Как же работает транзистор?

Рассмотри хорошенько рис. 93. Слева на этом рисунке ты видишь упро­щенную схему усилителя на транзисторе структуры р-п-р и иллюстрации, пояс­

няющие сущность работы этого усилителя. Здесь, как и на предыдущих ри­сунках, дырки областей р-типа условно изображены кружками, а электроны области n-типа — черными шариками таких же размеров. Запомни наименования р-п переходов: между коллектором и базой — коллекторный, между эмит­тером и базой — эмиттерный.

Между коллектором и эмиттером включена батарея Бк (коллекторная), создающая на коллекторе по отношению к эмиттеру отрицательное напряжение порядка нескольких вольт. В эту же цепь, именуемую коллекторной, включена нагрузка Rн которой может быть телефон или иной прибор — в зависимости от назначения усилителя.

Если база ни с чем не будет соединена, в коллекторной цепи появится очень слабый ток (десятые доли миллиампера), так как при такой полярности включения батареи Бк сопротивление коллекторного р-п перехода окажется очень большим; для коллекторного перехода это будет обратный ток. Ток коллек­торной цепи Iк резко возрастает, если между базой и эмиттером включить элемент смещения Бс, подав на базу по отношению к эмиттеру небольшое, хотя бы десятую долю вольта, отрицательное напряжение. Вот что при этом произойдет. При таком включении элемента Бс (имеется в виду, что зажимы для подключения источника усиливаемого сигнала, обозначенного на схеме знаком — синусоидой, соединены накоротко) в этой новой цепи, называемой цепью базы, пойдет некоторый прямой ток Iб; как и в диоде, дырки в эмит­тере и электроны в базе будут двигаться встречно и нейтрализоваться, обусловливая ток через эмиттерный переход.

Но судьба большей части дырок, вводимых из эмиттера в базу, иная, нежели исчезнуть при встрече с электронами. Дело в том, что при изготовлении транзисторов структуры р-п-р насыщенность дырок в эмиттере (и коллекторе) делают всегда большей, чем насыщенность электронов в базе. Благодаря этому только небольшая часть дырок (меньше 10%), встретившись с электронами, исчезает. Основная же масса дырок свободно проходит в базу, попадает под более высокое отрицательное напряжение на коллекторе, входит в коллектор и в общем потоке с его дырками перемещается к его отрицательному контакту. Здесь они нейтрализуются встречными электронами, вводимыми в коллектор отрицательным полюсом батареи Бк. В результате сопротивление всей коллек­торной цепи уменьшается и в ней течет ток, во много раз превышающий об­ратный ток коллекторного перехода. Чем больше отрицательное напряжение на базе, тем больше дырок вводится из эмиттера в базу, тем значительнее ток коллекторной цепи. И, наоборот, чем меньше отрицательное напряжение на базе, тем меньше и ток коллекторной цепи транзистора.

А если в цепь базы последовательно с источником постоянного напря­жения, питающего эту цепь, вводить переменный электрический сигнал? Тран­зистор усилит его.

Процесс усиления в общих чертах происходит следующим образом. При отсутствии напряжения сигнала в цепях базы и коллектора текут токи не­которой величины (участка Оа на графиках на рис. 93), определяемые напря­жениями батарей и свойствами транзистора. Как только в цепи базы появ­ляется сигнал, соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзисто­ра: во время отрицательных полупериодов, когда суммарное отрицательное на­пряжение на базе возрастает, токи цепей увеличиваются, а во время положитель­ных полупериодов, когда напряжения сигнала и элемента Бс противоположны и, следовательно, отрицательное напряжение на базе уменьшается, токи в обеих цепях тоже уменьшаются. Происходит усиление по напряжению и току.

Если во входную цепь, т. е. в цепь базы, подан электрический сигнал звуковой частоты, а нагрузкой выходной — коллекторной — цепи будет телефон, он преобразует усиленный сигнал в звук. Если нагрузкой будет резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепъ второго транзистора для дополни­тельного усиления. Один транзистор м^жет усилить сигнал в 30 — 50 раз.

Точно так же работают и транзисторы структуры п-р-п, только в них основными носителями тока являются не дырки, а электроны. В связи с этим полярность включения элементов и батарей, питающих цепи базы и коллек­торов п-р-п транзисторов, должна быть не такой, как у р-п-р транзисторов, а обратной.

Запомни очень важное обстоятельство: на базу транзистора (относительно эмиттера) вместе с напряжением усиливаемого сигнала обязательно должно подаваться постоянное напряжение, называемое напряжением смещения, откры­вающее транзистор.

В усилителе по схеме на рис. 93 роль источника напряжения смещения выполняет элемент Бс. Для германиевого транзистора структуры р-п-р оно должно быть отрицательным и составлять 0,1—0,2 В, а для транзистора структуры п-р-п — положительным. Для кремниевых транзисторов напряжение смещения со­ставляет 0,5 — 0,7 В. Без начального напряжения смещения эмиттерный р-п пе­реход «срежет», подобно диоду, положительные (р-п-р транзистор) или отрица­тельные (п-р-п транзистор) полуволны сигнала, отчего усиление будет сопровож­даться искажениями. Напряжение смещения на базу не подают лишь в тех слу­чаях, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования высокочастотного модулированного сигнала.

Обязательно ли для подачи на базу начального напряжения смещения нужен специальный элемент или батарея? Нет, конечно. Для этой цели обычно ис­пользуют напряжение коллекторной батареи, соединяя базу с этим источником питания через резистор. Сопротивление такого резистора чаше подбирают опытным путем, так как оно зависит от свойств данного транзистора.

В начале этой части беседы я сказал, что биполярный транзистор можно представить себе как два включенных встречно плоскостных диода, совмещенных в одной пластинке полупроводника и имеющих один общий катод, роль ко­торого выполняет база транзистора. В этом нетрудно убедиться на опытах, Для которых тебе потребуется любой бывший в употреблении, но не испор­ченный германиевый низкочастотный транзистор структуры р-п-р, например МП39 или подобные ему транзисторы МП40 — МП42. Между коллектором и

базой транзистора включи последовательно соединенные батарею 3336Л и лам­почку от карманного фонаря, рассчитанную на напряжение 2,5 В и ток 0,075 или 0,15 А. Если плюс батареи окажется соединенным (через лампочку) с коллекто­ром, а минус — с базой (рис. 94, а), то лампочка будет гореть. При другой полярности включения батареи (рис. 94,6) лампочка гореть не должна.

Рис. 94. Опыты с транзистором.

Как объяснить эти явления? Сначала на коллекторный р-п переход ты подавал прямое, т. е. пропускное напряжение. В этом случае коллекторный пе­реход открыт, его сопротивление мало и через него течет прямой ток коллек­тора /к. Значение этого тока в данном случае определяется в основном со­противлением нити лампочки и внутренним сопротивлением батареи. При втором включении батареи ее напряжение подавалось на коллекторный переход в об­ратном, непропускном направлении. В этом случае переход закрыт, его сопро­тивление велико и через него течет лишь небольшой обратный ток коллектора. У исправного маломощного низкочастотного транзистора обратный ток коллек­тора IКБо не превышает 30 мкА. Такой ток, естественно, не мог накалить нить лампочки, поэтому она и не горела.

Проведи аналогичный опыт с эмиттерным переходом. Результат будет таким же: при обратном напряжении переход будет закрыт — лампочка не горит, а при прямом напряжении он будет открыт — лампочка горит.

Следующий опыт, иллюстрирующий один из режимов работы транзистора, проводи по схеме, показанной на рис. 95, д. Между эмиттером и коллекто­ром того же транзистора включи последовательно соединенные батарею 3336Л и лампочку накаливания. Положительный полюс батареи должен соединяться с эмиттером, а отрицательный — с коллектором (через нить накала лампочки). Горит лампочка? Нет, не горит. Соедини проволочной перемычкой базу с Эмиттером, как показано на схеме штриховой линией. Лампочка, включенная в кол­лекторную цепь транзистора, тоже не будет гореть. Удали перемычку и вместо нее подключи к этим электродам последовательно соединенные резистор Rq сопротивлением 200 — 300 Ом и один гальванический элемент Эб, например типа 332, но так, чтобы минус элемента был на базе, а плюс — на эмиттере. Теперь лампочка должна гореть. Поменяй местами полярность подключения элемента к этим электродам транзистора. В этом случае лампочка гореть не будет. Повтори несколько раз этот опыт и ты убедишься в том, что лампочка в коллекторной цепи будет гореть только тогда, когда на базе транзистора относительно эмиттера действует отрицательное напряжение.

Разберемся в этих опытах. В первом из них, когда ты, соединив пере­мычкой базу с эмиттером, замкнул накоротко эмиттерный переход, транзистор стал просто диодом, на который подавалось обратное, закрывающее тран­зистор напряжение. Через транзистор шел лишь незначительный обратный ток коллекторного перехода, который не мог накалить нить лампочки. В это время транзистор находился в закрытом состоянии. Затем, удалив перемычку, ты восста­новил эмиттерный переход. Первым включением элемента между базой и эмиттером ты подал па эмиттерный переход прямое напряжение.

Рис. 95. Опыты, иллюстрирующие работу транзистора в режиме переключения (а) и в режиме усиления (б).

Эмиттерный переход открылся, через него пошел прямой ток, который открыл второй переход транзистора — коллекторный. Транзистор оказался открытым и по цепи эмит­тер — база — коллектор пошел ток транзистора, который во много раз больше тока цепи эмиттер — база. Он-то и накалил нить лампочки. Когда же ты изме­нил полярность включения элемента на обратную, то его напряжение закрыло эмиттерный переход, а вместе с тем закрылся и коллекторный переход. При этом ток транзистора почти прекратился (шел только обратный ток коллектора) и лампочка не горела.

В этих опытах транзистор был в одном из двух состояний: открытом или закрытом. Переключение транзистора из одного состояния в другое про­исходило под действием напряжения на базе С/Б. Такой режим работы тран­зистора, проиллюстрированный графиками на рис. 95, я, называют режимом переключения или, что то же самое, ключевым режимом. Такой режим работы транзисторов используют в основном в аппаратуре электронной автоматики.

Какова в этих опытах роль резистора Rб? В принципе этого резистора может и не быть. Я же рекомендовал включить его исключительно для того, чтобы ограничить ток в базовой цепи. Иначе через эмиттерный переход пой­дет слишком большой прямой ток, в результате чего может произойти теп­ловой пробой перехода и транзистор выйдет из строя.

Если бы при проведении этих опытов в базовую и коллекторную цепи были включены измерительные приборы, то при закрытом транзисторе токов в его цепях почти не было бы. При открытом же транзисторе ток базы Iб был бы не более 2 — 3 мА, а ток коллектора Iк составлял 60 — 75 мА. Это означает, что транзистор может быть усилителем тока.

В приемниках и усилителях звуковой частоты транзисторы работают в режиме усиления. Этот режим отличается от режима переключения тем, что, используя малые токи в базовой цепи, мы можем управлять значительно большими токами в коллекторной цепи транзистора.

Иллюстрировать работу транзистора в режиме усиления можно таким опы­том (рис. 95,6). В коллекторную цепь транзистора Т включи электромагнит­ный телефон Тф, а между базой и минусом источника питания Б— резистор Rб сопротивлением 200 —250 кОм. Второй телефон Тф1 включи между базой и эмиттером через конденсатор связи С8 емкостью 0,1 —0,5 мкФ. У тебя получится простейший усилитель, который может выполнять, например, роль односторон­него телефонного аппарата. Если твой приятель будет негромко говорить перед телефоном, включенным на вход усилителя, его разговор ты будешь слышать в телефонах, включенных на выходе усилителя.

Какова роль резистора R6 в этом усилителе? Через него на базу тран­зистора от батареи питания Б подается небольшое начальное напряжение смещения, открывающее транзистор и тем самым обеспечивающее ему работу в режиме усиления. На вход усилителя вместо телефона Тф1 можно включить звукосниматель и проиграть грампластинку. Тогда в телефонах Тф2 будут хорошо слышны звуки мелодии или голос певца, записанные на грампластинку.

В этом опыте на вход усилителя подавалось переменное напряжение зву­ковой частоты, источником которого был телефон, преобразующий, как мик­рофон, звуковые колебания в электрические, или звукосниматель, преобразую­щий механические колебания его иглы в электрические колебания. Это напряжение создавало в цепи эмиттер — база слабый переменный ток, управляющий значи­тельно большим током в коллекторной цепи; при отрицательных полуперио­дах на базе коллекторный ток увеличивался, а при положительных — умень­шался (см. графики на рис. 95,6). Происходило усиление сигнала, а усиленный транзистором сигнал преобразовывался телефоном, включенным в цепь коллек­тора, в звуковые колебания. Транзистор работал в режиме усиления.

Аналогичные опыты ты можешь провести и с транзистором структуры п-р-п, например типа МП35. В этом случае надо только изменить полярность включения источника питания транзистора: с эмиттером должен соединяться минус, а с коллектором (через телефон) — плюс батареи.

Коротко об электрических параметрах биполярных транзисторов. Качество и усилительные свойства биполярных транзисторов оценивают по нескольким параметрам, которые измеряют с помощью специальных приборов. Тебя же, с практической точки зрения, в первую очередь должны интересовать три ос­новных параметра: обратный ток коллектора Iкбо — статический коэффициент передачи тока h21э (читают так: аш два один э) и граничная частота коэффициента передачи тока fгр.

Обратный ток коллектора Iкбо — это неуправляемый ток через коллектор­ный р-п переход, создающийся неосновными носителями тока транзистора. Параметр Iкбо характеризует качество транзистора: чем он меньше, тем выше качество транзистора. У маломощных низкочастотных транзисторов, например типов МП39 — МП42, IКБО не должен превышать 30 мкА, а у маломощных высокочастотных транзисторов — не более 5 мкА. Транзисторы с большими зна­чениями IКБО в работе неустойчивы.

Статический коэффициент передачи тока h21Э характеризует усилительные свойства транзистора. Статическим его называют потому, что этот параметр измеряют при неизменных напряжениях на его электродах и неизменных токах в его цепях. Большая (заглавная) буква «Э» в этом выражении указывает на то, что при измерении транзистор включают по схеме с общим эмиттером (о схемах включения транзистора я расскажу в следующей беседе). Коэффициент

h21э характеризуется отношением постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных постоянном обратном напряжении коллектор — эмит­тер и токе эмиттера. Чем больше численное значение коэффициента h21э» тем большее усиление сигнала может обеспечить данный транзнстор.

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр, выраженная в килогерцах или мегагерцах, позволяет судить о возможности использования транзистора для усиления колебаний тех или иных частот. Граничная частота fгр транзис­торов МП39, например, 500 кГц, а транзисторов П401 — П403 — больше 30 МГц. Практически транзисторы используют для усиления частот значительно меньше граничных, так как с повышением частоты коэффициент передачи тока h21Э транзистора уменьшается.

В практической работе надо учитывать и такие параметры, как мак­симально допустимое напряжение коллектор — эмиттер, максимально допустимый ток коллектора, а также максимально допустимую рассеиваемую мощность коллектора Транзистора — мощность, превращающуюся внутри транзистора в тепло.

Основные сведения о маломощных транзисторах массового применения ты найдешь в прилож. 4.

Теперь поговорим о полевом транзисторе.

Рис. 96. Схематическое устройство, графическое изображение и конструкция полевого транзистора с каналом p-типа.

В этом полупроводниковом приборе управление рабочим током осуществля­ется не током во входной (базовой) цепи, как в биполярном транзисторе, а воздействием на носители тока электрического поля. Отсюда и наз­вание транзистора «полевой».

Схема устройства и конструкции полевого транзистора с р-п переходом показаны на рис. 96. Основой такого транзистора является пластинка кремния с электропроводностью n-типа, в которой имеется тонкая область с электро­проводностью p-типа. Пластинку прибора называют затвором, а область p-типа в ней — каналом. С обеих сторон канал заканчивается истоком и стоком — тоже областями p-типа, но с повышенной концентрацией дырок. Между затвором и каналом создается р-п переход. От затвора, истока и стока сделаны контактные выводы.

* В популярной радиотехнической литературе выпуска предыдущих лет усилительные свойства транзисторов оценивались статическим коэффициентом усиления Вст. Численно коэффициент Вст равен коэффициенту h21э.

Если к истоку подключить положительный, а к стоку — отрицательный полюсы батареи (на рис. 96 — батарея Б), то в канале возникнет электрический ток, создающийся движением дырок от истока к стоку. Ток, называемый током стока Iс, зависит не только от напряжения этой батареи, но и от напряжения, действующего между источиком и затвором (на рис. 96 — элемент Э). И вот почему. Когда на затворе относительно истока действует положи­тельное закрывающее напряжение, обедненная область р-п перехода расширяется (на рис. 96 показано штриховыми линиями). От этого канал сужается, его со­противление увеличивается, а ток стока уменьшается. С уменьшением положитель­ного напряжения на затворе обедненная область р-п перехода, наоборот, су­жается, канал расширяется, а ток снова увеличивается. Если на затвор вместе с положительным напряжением смещения подавать низкочастотный или высо­кочастотный сигнал, в цепи стока возникнет пульсирующий ток, а на нагрузке, включенной в эту цепь, — напряжение усиленного сигнала.

Так (изложено в упрощенном виде) устроены и работают полевые тран­зисторы с каналом р-типа, например транзисторы КП102, КП103 (буквы К и П означают «кремниевый полевой»).

Принципиально так же устроен и работает полевой транзистор с каналом n-типа. Затвор транзистора такой структуры обладает дырочной электропро­водностью, поэтому на него относительно истока должно подаваться отрицатель­ное напряжение смещения, а на сток (тоже относительно истока) — положитель­ное напряжение источника питания цепи истока.

На условном графическом изображении полевого транзистора с каналом л-типа стрелка на линии затвора направлена в сторону истока (а не от истока, как в обозначении транзистора с каналом p-типа).

Усилительные свойства полевого транзистора характеризуют крутизной ха­рактеристики S — отношением изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком. Численное значение параметра S измеряется в миллиамперах на вольт; для различных транзисторов оно может составлять от 0,1—0,2 до 10 —15 и больше. Чем больше значение этого параметра, тем большее усиление сигнала может дать транзистор.

Другой параметр полевого транзистора — напряжение отсечки UЗИотс. Это обратное напряжение на р-п переходе затвор — канал, при котором ток через этот период уменьшается до нуля. Для транзисторов различных типов напряже­ние отсечки может быть 0,5 — 10 В.

Эти параметры, а также предельно допустимые режимы работы некоторых полевых транзисторов широкого применения сведены в табл. 5 (в конце книги).

Немного о транзисторах.

Пожалуй, сегодня сложно представить себе современный мир без транзисторов, практически в любой электронике, начиная от радиоприёмников и телевизоров, заканчивая автомобилями, телефонами и компьютерами, так или иначе, они используются.

Различают два вида транзисторов: биполярные и полевые. Биполярные транзисторы управляются током, а не напряжением. Бывают мощные и маломощные, высокочастотные и низкочастотные, p-n-p и n-p-n структуры. Транзисторы выпускаются в разных корпусах и бывают разных размеров, начиная от чип SMD (на самом деле есть намного меньше чем чип) которые предназначены для поверхностного монтажа, заканчивая очень мощными транзисторами. По рассеиваемой мощности различают маломощные до 100 мВт, средней мощности от 0,1 до 1 Вт и мощные транзисторы больше 1 Вт.

Когда говорят о транзисторах, то обычно имеют в виду биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы изготавливаются из кремния или германия. Биполярными они названы потому, что их работа основана на использовании в качестве носителей заряда как электронов, так и дырок. Транзисторы на схемах обозначаются следующим образом:

Одну из крайних областей транзисторной структуры называют эмиттером. Промежуточную область называют базой, а другую крайнюю — коллектором. Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором — коллекторный, а между базой и эмиттером — эмиттерный. Как и обычный выключатель, транзистор может находиться в двух состояниях — во «включенном» и «выключенном». Но это не значит, что они имеют движущиеся или механические части, переключаются они из выключенного состояния во включенное и обратно с помощью электрических сигналов.

Транзисторы предназначены для усиления, преобразования и генерирования электрических колебаний. Работу транзистора можно представить на примере водопроводной системы. Представьте смеситель в ванной, один электрод транзистора — это труба до краника (смесителя), другой (второй) – труба после краника, там где у нас вытекает вода, а третий управляющий электрод – это как раз краник, которым мы будем включать воду.
Транзистор можно представить как два последовательно соединенных диода, в случае NPN аноды соединяются вместе, а в случае PNP – соединяются катоды.

Различают транзисторы типов PNP и NPN, PNP транзисторы открываются напряжением отрицательной полярности, NPN — положительной. В NPN транзисторах основные носители заряда — электроны, а в PNP — дырки, которые менее мобильны, соответственно NPN транзисторы быстрее переключаются.

Uкэ = напряжение коллектор-эмиттер
Uбэ = напряжение база-эмиттер
Ic = ток коллектора
Iб = ток базы

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях: 1) открытом 2) закрытом. Различают четыре режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором коллекторный переход находится в закрытом состоянии, а эмиттерный – в открытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах. Помимо активного, выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный — открыт, режим насыщения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором оба перехода закрыты.

При работе транзистора с сигналами высокой частоты время протекания основных процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. В результате способность транзистора усиливать электрические сигналы с ростом частоты ухудшается.

Некоторые параметры биполярных транзисторов

Постоянное/импульсное напряжение коллектор – эмиттер.
Постоянное напряжение коллектор – база.
Постоянное напряжение эмиттер – база.
Предельная частота коэффициента передачи тока базы
Постоянный/импульсный ток коллектора.
Коэффициент передачи по току
Максимально допустимый ток
Входное сопротивление
Рассеиваемая мощность.
Температура p-n перехода.
Температура окружающей среды и пр…

Граничное напряжение Uкэо гр. является максимально допустимым напряжение между коллектором и эмиттером, при разомкнутой цепи базы и токе коллектора. Напряжение на коллекторе, меньше Uкэо гр. свойственны импульсным режимам работы транзистора при токах базы, отличных от нуля и соответствующих им токах базы (для n-p-n транзисторы ток базы >0, а для p-n-p наоборот, Iб<0).

К биполярным транзисторам могут быть отнесены однопереходные транзисторы, таковым является например КТ117. Такой транзистор представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор с одним р-n переходом. Однопереходный транзистор состоит из двух баз и эмиттера.

В последнее время в схемах часто стали применять составные транзисторы, называют их парой или транзисторами Дарлингтона, они обладают очень высоким коэффициентом передачи тока, состоят они из двух или более биполярных транзисторов, но выпускаются и готовые транзисторы в одном корпусе, таким является например TIP140. Включаются они с общим коллектором, если соединить два транзистора, то они будут работать как один, включение показано на рисунке ниже. Применение нагрузочного резистора R1 позволяет улучшить некоторые характеристики составного транзистора.

Некоторые недостатки составного транзистора: низкое быстродействие, особенно перехода из открытого состояния в закрытое. Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер почти в два раза больше чем в обычном транзисторе. Ну и само собой, потребуется больше места на плате.

Проверка биполярных транзисторов

Поскольку транзистор состоит из двух переходов, причем каждый из них представляет собой полупроводниковый диод, проверить транзистор можно так же, как проверяют диод. Проверка транзистора обычно осуществляется омметром, проверяют оба p-n перехода транзистора: коллектор – база и эмиттер – база. Для проверки прямого сопротивления переходов p-n-p транзистора минусовой вывод омметра подключается к базе, а плюсовой вывод омметра – поочередно к коллектору и эмиттеру. Для проверки обратного сопротивления переходов к базе подключается плюсовой вывод омметра. При проверке n-p-n транзисторов подключение производится наоборот: прямое сопротивление измеряется при соединении с базой плюсового вывода омметра, а обратное сопротивление – при соединении с базой минусового вывода. Транзисторы так же можно прозванивать цифровым мультиметром в режиме прозвонки диодов. Для NPN красный щуп прибора «+» присоединяем к базе транзистора, и поочередно прикасаемся черным щупом «-» к коллектору и эмиттеру. Прибор должен показывать некоторое сопротивление, примерно от 600 до 1200. Затем меняем полярность подключения щупов, в этом случае прибор ничего не должен показывать. Для структуры PNP порядок проверки будет обратным.

MOSFET транзисторы

Несколько слов хочу сказать про MOSFET транзисторы (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor), (Метал Оксид Полупроводник (МОП)) – это полевые транзисторы, не путать с обычными полевиками! У полевых транзисторов три вывода: G — затвор, D — сток, S – исток. Различают N канальный и Р, в обозначении данных транзисторов имеется диод Шоттки, он пропускает ток от истока к стоку, и ограничивает напряжение сток – исток.

Применяются они в основном для коммутации больших токов, управляются они не током, как биполярные транзисторы, а напряжением, и как правило, имеет очень малое сопротивление открытого канала, сопротивление канала величина постоянная и не зависит от тока. MOSFET транзисторы специально разработаны для ключевых схем, можно сказать как замена реле, но в некоторых случаях можно и усиливать, применяются в мощных усилителях НЧ.

Плюсы у данных транзисторов следующие:
Минимальная мощность управления и большой коэффициент усиления по току
Лучшие характеристики, например большая скорость переключения.
Устойчивость к большим импульсам напряжения.
Схемы, где применяются такие транзисторы, обычно более простые.

Минусы:
Стоят дороже, чем биполярные транзисторы.
Боятся статического электричества.
Наиболее часто для коммутации силовых цепей применяют MOSFET с N-каналом. Напряжение управления должно превышать порог 4 В, вообще, необходимо 10-12 В для надежного включения MOSFET. Напряжение управления — это напряжение, приложенное между затвором и истоком для включения MOSFET транзистора.

Рекомендации по эксплуатации транзисторов

Значения большинства параметров транзисторов зависят от реального режима работы и температуры, причем с увеличением температуры параметры транзисторов могут меняться. В справочнике приведены, как правило, типовые (усредненные) зависимости параметров транзисторов от тока, напряжения, температуры, частоты и т. п.

Для обеспечения надежной работы транзисторов необходимо принимать меры, исключающие длительные электрические нагрузки, близкие к предельно допустимым, например заменять транзистор на аналогичный но меньшей мощности не стоит, это касается не только мощностей, но и других параметров транзистора. В некоторых случаях для увеличения мощности транзисторы можно включать параллельно, когда эмиттер соединяется с эмиттером, коллектор с коллектором и база – с базой. Перегрузки могут быть вызваны разными причинами, например от перенапряжения, для защиты от перенапряжения часто применяют быстродействующие диоды.

Что касается нагрева и перегрева транзисторов, температурный режим транзисторов не только оказывает влияние на значение параметров, но и определяет надежность их эксплуатации. Следует стремиться к тому, чтобы транзистор при работе не перегревался, в выходных каскадах усилителей транзисторы обязательно нужно ставить на большие радиаторы. Защиту транзисторов от перегрева нужно обеспечивать не только во время эксплуатации, но и во время пайки. При лужении и пайке следует принимать меры, исключающие перегрев транзистора, транзисторы во время пайки желательно держать пинцетом, для защиты от перегрева.

Адвансед Опубликована: 2012 г. 0 2
Вознаградить Я собрал 0 4