Транзистор: виды, применение и принципы работы

Транзисторы. Определение и история

 

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Принцип работы транзистора

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.

Виды транзисторов

Преобразователи широко применяются в производстве цифровых и аналоговых микросхем для обнуления статического потребительского тока и получения улучшенной линейности. Типы транзисторов различаются тем, что одни управляются изменением напряжения, вторые регулируются отклонением тока.

Полевые модули работают при повышенном сопротивлении постоянного тока, трансформация на высокой частоте не увеличивает энергетические затраты. Если говорить, что такое транзистор простыми словами, то это модуль с высокой границей усиления. Эта характеристика у полевых видов больше, чем у биполярных типов. У первых нет рассасывания носителей заряда , что ускоряет работу.

Полевые полупроводники применяются чаще из-за преимуществ перед биполярными видами:

• мощного сопротивления на входе при постоянном токе и высокой частоте, это уменьшает потери энергии на управление;
• отсутствия накопления неосновных электронов, из-за чего ускоряется работа транзистора;
• переноса подвижных частиц;
• стабильности при отклонениях температуры;
• небольших шумов из-за отсутствия инжекции;
• потребления малой мощности при работе.

Виды транзисторов и их свойства определяют назначение. Нагревание преобразователя биполярного типа увеличивает ток по пути от коллектора к эмиттеру. У них коэффициент сопротивления отрицательный, а подвижные носители текут к собирающему устройству от эмиттера. Тонкая база отделена p-n-переходами, а ток возникает только при накоплении подвижных частиц и их инжекции в базу. Некоторые носители заряда захватываются соседним p-n-переходом и ускоряются, так рассчитаны параметры транзисторов.

Полевые транзисторы имеют еще один вид преимущества, о котором нужно упомянуть для чайников. Их соединяют параллельно без выравнивания сопротивления. Резисторы для этой цели не применяются, так как показатель растет автоматически при изменении нагрузки. Для получения высокого значения коммутационного тока набирается комплекс модулей, что используется в инверторах или других устройствах.

Нельзя соединять параллельно биполярный транзистор, определение функциональных параметров ведет к тому, что выявляется тепловой пробой необратимого характера. Эти свойства связаны с техническими качествами простых p-n каналов. Модули соединяются параллельно с применением резисторов для выравнивания тока в эмиттерных цепях. В зависимости от функциональных черт и индивидуальной специфики в классификации транзисторов выделяют биполярные и полевые виды.

Биполярные транзисторы

Биполярные конструкции производятся в виде полупроводниковых приборов с тремя проводниками. В каждом из электродов предусмотрены слои с дырочной p-проводимостью или примесной n-проводимостью. Выбор комплектации слоев определяет выпуск p-n-p или n-p-n типов приборов. В момент включения устройства разнотипные заряды одновременно переносятся дырками и электронами, задействуется 2 вида частиц.

Носители движутся за счет механизма диффузии. Атомы и молекулы вещества проникают в межмолекулярную решетку соседнего материала, после чего их концентрация выравнивается по всему объему. Перенос совершается из областей с высоким уплотнением в места с низким содержанием.

Электроны распространяются и под действием силового поля вокруг частиц при неравномерном включении легирующих добавок в массе базы. Чтобы ускорить действие прибора, электрод, соединенный со средним слоем, делают тонким. Крайние проводники называют эмиттером и коллектором. Обратное напряжение, характерное для перехода, неважно.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор управляет сопротивлением с помощью электрического поперечного поля, возникающего от приложенного напряжения. Место, из которого электроны движутся в канал, называется истоком, а сток выглядит как конечная точка вхождения зарядов. Управляющее напряжение проходит по проводнику, именуемому затвором. Устройства делят на 2 вида:

• с управляющим p-n-переходом;
• транзисторы МДП с изолированным затвором.

Приборы первого типа содержат в конструкции полупроводниковую пластину, подключаемую в управляемую схему с помощью электродов на противоположных сторонах (сток и исток). Место с другим видом проводимости возникает после подсоединения пластины к затвору. Вставленный во входной контур источник постоянного смещения продуцирует на переходе запирающее напряжение.

Источник усиливаемого импульса также находится во входной цепи. После перемены напряжения на входе трансформируется соответствующий показатель на p-n-переходе. Модифицируется толщина слоя и площадь поперечного сечения канального перехода в кристалле, пропускающем поток заряженных электронов. Ширина канала зависит от пространства между обедненной областью (под затвором) и подложкой. Управляющий ток в начальной и конечной точках регулируется изменением ширины обедненной области.

Транзистор МДП характеризуется тем, что его затвор отделен изоляцией от канального слоя. В полупроводниковом кристалле, называемом подложкой, создаются легированные места с противоположным знаком. На них установлены проводники — сток и исток, между которыми на расстоянии меньше микрона расположен диэлектрик. На изоляторе нанесен электрод из металла — затвор. Из-за полученной структуры, содержащей металл, диэлектрический слой и полупроводник транзисторам присвоена аббревиатура МДП.

Комбинированные

Комбинированные элементы изобретаются для того, чтобы по применению одного дискретного состояния достичь требуемых электрических параметров. Они бывают:

• Биполярными с внедрёнными в их схему резисторами;
• Двумя триодами одной или нескольких структур строения в единой детали;
• Лямбда-диодами — сочетанием двух полевых управляющих триодов, создающих сопротивляемость со знаком «минус»;
• Элементы, в которых полевые составляющие управляют биполярными.

Комбинированный транзистор

Цветовая и цифровая маркировка

Транзисторы, как и другие радиокомпоненты, маркируют с помощью цветового кода. Цветовой код состоит из изображения геометрических фигур (треугольников, квадратов, прямоугольников и др.), цветных точек и латинских букв.

Код наносится на плоских частях, крышке и других местах транзистора. По нему можно узнать тип транзистора, месяц и год изготовления. Места маркировки и расшифровка цветовых кодов некоторых типов транзисторов приведены на рис. 2…3 и в табл. 1…4. Практикуется также маркировка некоторых типов транзисторов цифровым кодом (табл. 4).

Таблица 1. Цветовая и кодовая маркировки маломощных среднечастотных и высокочастотных транзисторов.

Тип транзистора		Группы транзисторов		Месяц выпуска		Год выпуска
Обозначение	Маркировка	Обозначение	Маркировка	Обозначение	Маркировка	Обозначение	Маркировка
				ян в.	бежевая
		А	розовая	фев.	синяя	1977	бежевая
		Б	желтая	март	зеленая	1978	еалатовая
		В	синяя	апр.	красная	1979	оранжевая
		Г	бежевая	май	еалатовая	1980	электрик
		Д	оранжевая	июнь	серая	1981	бирюзовая
КТ3107	голубая	Е	электрик	июль	коричневая	1982	белая
		Ж	еалатовая	авг.	оранжевая	1983	красная
		И	зеленая	сент.	электрик	1984	коричневая
		К	красная	окт.	белая	1985	зеленая
		Л	серая	ноябр.	желтая	1986	голубая
				декаб.	голубая

Таблица 2.  Цветовая маркировка транзистора КТ3107 .

Рис. 2. Места цветовой и кодовой маркировки маломощных среднечастотных и высокочастотных транзисторов в корпусе КТ-26 (ТО-92).

Рис. 3. Места цветовой маркировки транзистора КТ3107 в корпусе КТ-26 (ТО-92).

Рис. 4. Места кодовой маркировки транзисторов в корпусе КТ-27 (ТО-126).

Таблица 3.  Цветовая и кодовая маркировки транзисторов.

Код	Тип
4	КТ814
5	КТ815
6	КТ816
7	КТ817
8	КТ683
9	КТ9115
12	К.У112
40	КТ940

Год выпуска	Код	Месяц выпуска	Код
1986	и	Январь	1
1987	V	Февраль	2
1988	W	Март	3
1989	X	Апрель	4
1990	А	Май	5
1991	В	Июнь	6
1992	С	Июль	7
1993	D	Август	8
1994	Е	Сентябрь	9
1995	F	Октябрь	0
1996	Н	Ноябрь	N
1997	1	Декабрь	D
1998	К	—	—
1999	L	—	—
2000	М	—	—

Таблица 4. Кодовая маркировка мощных транзисторов.

Применение транзисторов в жизни

Транзисторы применяются в очень многих технических устройствах. Самые яркие примеры:

1. Усилительные схемы.
2. Генераторы сигналов.
3. Электронные ключи.

Во всех устройствах связи усиление сигнала необходимо. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, довольно часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала недостаточно для корректной работы устройства. Информация передаётся с помощью электрических сигналов. Чтобы доставка была гарантированной и качество информации высоким, 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 управления силой тока в цепи. В состав этих ключей входит множество транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов схем. На их основе работают компьютеры, телевизоры и другие электрические приборы, без которых в современной жизни не обойтись.

Схема подключения транзистора для чайников

Наиболее популярны следующие схемы подсоединения транзисторов в цепь: с общей базовой установкой, общими выводами инжекторного эмиттера и с общим коллекторным преобразователем для подачи напряженности.

Для усилителей с базой общего типа характерно следующее:

• Низкие параметры входного сопротивления, которое не достигает даже 100 Ом;
• Неплохая температура и частота триода;
• Допустимое напряжение весьма большое;
• Требуют два различных источника питания.

Схемы второго типа обладают:

• Высокими показателями усиления электротока и напряжения;
• Низкими показателями усиления мощностных характеристик;
• Инверсионной разницей между входным и выходным напряжением.

Важно! Схема транзистора с электродами общего коллекторного типа требует одного источника питания.

Подключение по типу общего коллектора может обеспечить:

• Низкие показатели электронапряжения по усилению;
• Большая и меньшая сопротивляемость входа и выхода соответственно.

Подключение транзистора для светодиода

Таким образом, транзистор — один из самых распространенных радиоэлементов в электронике. Он позволяет изменять параметры электрического тока и регулировать его для корректной работы электроприборов. Существует несколько видов транзисторов, как и способов их соединения. Различаются они строением и целями использования.

Читаем электрические схемы с транзистором

Управление мощностью с помощью транзистора

Итак, я буду делать схему регулятора мощности свечения лампочки накаливания с помощью советского транзистора КТ815Б. Она будет выглядеть следующим образом:

На схеме мы видим лампу накаливания, транзистор и два резистора. Один из них переменный. Итак, главное правило транзистора: меняя силу тока в цепи базы, мы тем самым меняем силу тока в цепи коллектора, а следовательно,  мощность свечения самой лампы.

Как в нашей схеме будет все это выглядеть? Здесь я показал две ветви. Одну синим цветом, другую красным.

Как вы видите, в синей ветке цепи последовательно друг за другом идут +12В—-R1—-R2—-база—-эмиттер—-минус питания. А как вы помните, если резисторы либо  различные потребители (нагрузки) цепи идут друг за другом последовательно, то через все эти нагрузки, потребители и резисторы протекает одна и та же сила тока. Правило делителя напряжения. То есть в данный момент для удобства объяснения, я назвал эту силу тока, как ток базы Iб . Все то же самое можно сказать и о красной ветви. Ток пойдет по такому пути: +12В—-лампочка—-коллектор—-эмиттер—-минус питания.  В ней будет протекать ток коллектора Iк.

Итак, для чего мы сейчас разобрали эти ветви цепи? Дело в том, что через базу и эмиттер протекает базовый ток Iб , который протекает также и через переменный резистор R1 и резистор R2. Через коллектор-эмиттер протекает ток коллектора Iк , который  также течет и через лампочку накаливания.

Ну и теперь самое интересное: коллекторный ток зависит от того, какая сила тока в данный момент течет через базу-эмиттер. То есть прибавив базовый ток, мы тем самым прибавляем и коллекторный ток. А раз коллекторный ток у нас стал больше, значит и через лампочку сила тока стала больше, и лампочка загорелась еще ярче. Управляя слабым током базы, мы можем управлять большим током коллектора. Это и есть принцип работы биполярного транзистора.

Как нам теперь регулировать силу тока через базу-эмиттер? Вспоминаем закон Ома: I=U/R. Следовательно, прибавляя или убавляя значение сопротивления в цепи базы, мы тем самым можем менять силу тока базы! Ну а она уже будет регулировать силу тока в цепи коллектора. Получается, меняя значение переменного резистора, мы тем самым меняем свечение лампочки

И еще один небольшой нюанс.

Как вы заметили в схеме есть резистор R2. Для чего он нужен? Дело все в том, что может случится пробой перехода база-эмиттер. Или, простым языком, он выгорит. Если бы его не было, то при изменении сопротивления на переменном резисторе R1 до нуля Ом, мы бы махом выжгли P-N переход базы-эмиттера. Поэтому, чтобы такого не было, мы должны  подобрать резистор, который бы при сопротивлении на R1 в ноль Ом, ограничивал бы силу тока на базу, чтобы ее не выжечь.

Получается, мы должны подобрать такую силу тока на базу, чтобы лампочка светилась на полную яркость, но при этом переход база-эмиттер был бы целым. Если сказать языком электроники –  мы должны подобрать такой резистор, который бы вогнал  транзистор в границу насыщения, но не более того.

Такой резистор я подбирал с помощью магазина сопротивления. Его также можно подобрать с помощью переменного резистора. Резистор в базе часто называют токоограничительным.

Регулятор свечения лампочки на транзисторе

Ну а теперь дело за практикой. Собираем схему в реале:

Кручу переменный резистор и добиваюсь того, чтобы лампочка горела на весь накал:

Кручу еще чуток и лампочка светит в пол накала:

Выкручиваю переменный резистор до упора и лампочка тухнет:

Вместо лампочки можно взять любую другую нагрузку, например, вентилятор от компьютера. В этом случае, меняя значение переменного резистора, я могу управлять частотой вращения вентилятора, тем самым убавляя или прибавляя силу потока воздуха.

Здесь вентилятор не крутится, так как я на переменном резисторе выставил большое сопротивление:

Ну а здесь, покрутив переменный резистор, я уже могу регулировать обороты вентилятора:

Можно сказать, что получилась готовая схема, чтобы обдувать себя жарким летним деньком ;-). Стало холодно – убавил обороты, стало слишком жарко – прибавил

Прошаренные чайники-электронщики могут сказать: “А зачем так сильно все было усложнять? Не проще ли было просто взять переменный резистор и соединить последовательно с нагрузкой?

Да, можно.

Но должны соблюдаться некоторые условия. Предположим у нас лампа накаливания большой мощности, а значит и сила тока в цепи тоже будет приличная. В этом случае переменный резистор должен быть большой мощности, так как при выкручивании до упора в сторону маленького сопротивления через него побежит большой ток. Вспоминаем формулу выделяемой мощности на нагрузке: P=I2R. Переменный резистор сгорит (проверено не раз на собственном опыте).

В схеме с транзистором весь груз ответственности, то бишь всю мощность рассеивания, транзистор берет на себя. В схеме с транзистором переменный резистор спалить уже будет невозможно, так как сила тока в цепи базы в десятки, а  то и в сотни раз меньше (в зависимости от беты транзистора), чем сила тока через нагрузку, в нашем случае через лампочку.

Греться по-максимуму транзистор будет только тогда, когда мы регулируем мощность нагрузки наполовину. В этом случае половина отсекаемой мощности в нагрузке будет рассеиваться на транзисторе. Поэтому, если вы регулируете мощную нагрузку, то для начала поинтересуйтесь таким параметром, как мощность рассеивания транзистора и при необходимости не забывайте ставить транзисторы на радиаторы.

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы.

Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Резюме

Главное предназначение транзистора – управление большой силой тока с помощью малой силы тока, то есть с помощью маленького базового тока мы можем регулировать приличный коллекторный ток.

Есть критического значение базового тока, которые нельзя превышать, иначе сгорит переход база-эмиттер. Такая сила тока через базу возникает, если потенциал на базе будет более 5 Вольт в прямом смещении. Но лучше даже близко не приближаться к такому значению. Также не забывайте, чтобы открыть транзистор, на базе должен быть потенциал больше, чем 0,6-0,7 Вольт для кремниевого транзистора.

Резистор в базе служит для ограничения протекающего  тока через базу-эмиттер. Его значение выбирают в зависимости от режима работы схемы. В основном это граница насыщения транзистора, при котором коллекторный ток начинает принимать свои максимальные значения.

При проектировании схемы не забываем, что лишняя мощность рассеивается на транзисторе. Самый щадящий режим – это режим отсечки и насыщения, то есть лампа либо вообще не горит, либо горит на всю мощность. Самая большая мощность будет выделяться на транзисторе в том случае, если лампа горит в пол накала.

Литература по электронике

Наука, которая изучает транзисторы и другие приборы, называется электроника. Целый ее раздел посвящён полупроводниковым приборам. Если вам интересно получить больше информации о работе транзисторов, можно почитать следующие книги по этой тематике:

1. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера — Дэвид М.
2. Операционные системы. Разработка и реализация — Эндрю Т.
3. Силовая электроника для любителей и профессионалов — Б. Ю. Семенов .

В этих книгах описываются различные средства программируемой электроники. Конечно же, в основе всех программируемых схем, лежат транзисторы. Благодаря этим книгам вы не только получите новые знания о транзисторах, но и навыки, которые, возможно, принесут вам доход.

Теперь вы знаете, как работают транзисторы, и где они применяются в жизни. Если вам интересна эта тема, продолжайте её изучать, ведь прогресс не стоит на месте, и все технические устройства постоянно совершенствуются. В этом деле очень важно идти в ногу со временем. Успехов вам!

Помогла вам статья?