Что такое «транзистор» и как он устроен?

14.11.16

[Домашняя]

 

Что такое "Транзистор" и как он устроен?

Отсюда и название структуры транзистора: p-n-p или n-p-n. На самом деле p-n переходы возникают, конечно, не в результате механического соединения кристаллов своими гранями. Для создания p-n переходов в кристалл чистого полупроводника вплавляют микрокапельки примесей – доноров или акцепторов. Так, для создания транзистора p-n-p структуры надо в кристалл Ge (германия) вплавить две капельки акцепторной примеси, создав две зоны с дырочной проводимостью р-типа. Реальное распределение примеси таково, что «прослойка» полупроводника n-типа оказывается очень тонкой – порядка нескольких микрон [1]. Эту тонкую прослойку исходного полупроводника называют «базой». Зоны с р-проводимостью называют «коллектор» [2] и «эмиттер» [3], причем зона эмиттера имеет меньший объём, а зона коллектора – больший. Соответственно, p-n переходы называются: между базой и коллектором – коллекторный, а между базой и эмиттером – эмиттерный. Каждый из них по своим электрическим свойствам аналогичен p-n переходам полупроводниковых диодов и также открывается при прямых напряжениях на них.  На рис. 2 показано упрощённое строение транзистора p-n-p структуры и его графическое обозначение на электрических схемах.

Транзистор когда-то называли «кристаллическим триодом» или «полупроводниковым триодом» не только потому, что он, как электронная лампа-триод имеет три вывода (катод-сетка-анод), но также может усиливать электрический сигнал. Но об этом немного позже.

Как работает транзистор?

Пусть на коллектор и на базу транзистора подано отрицательное напряжение относительно эмиттера — на базу меньшее Б1, на коллектор большее Б2 (рис. 3, а). Тогда электрическое поле между базой и эмиттером направлено слева направо и способствует движению дырок из эмиттера в базу, а электронов — наоборот, из базы в эмиттер. Поле между базой и коллектором направлено также направо и препятствует переходу дырок из коллектора в базу и электронов из базы в коллектор. Однако дырки, попавшие в базу из эмиттера, под действием этого поля свободно проходят в коллектор. Обычно базу делают достаточно тонкой, поэтому в коллектор переходят практически все дырки из эмиттера за счёт диффузии [4], и в коллекторной цепи течет достаточно большой ток. Иначе говоря, слабый ток базы управляет значительным током коллектора. Теперь предположим, что напряжение базы относительно эмиттера стало положительным Б1, а напряжение коллектора по-прежнему отрицательно Б2 (рис. 3, б). Тогда электрическое поле между эмиттером и базой направлено налево, а между базой и коллектором – направо. Таким образом, поле препятствует выходу электронов из базы в обе стороны, так же как и попаданию в нее дырок. Поэтому через контакты течет только ток, связанный с движением неосновных носителей – дырок в базе и электронов в эмиттере и коллекторе. Их количество пренебрежимо мало по сравнению с основными, следовательно, и ток в этом случае довольно мал. Значит, меняя напряжение между базой и эмиттером, можно влиять на изменение величины коллекторного тока от нулевого до максимального, то есть «открывать» и «закрывать» транзистор. На рис. 4. показана схема на транзисторе VT1 структуры n-p-n. Меняя ток базы с помощью R1 можно менять ток коллектора, в цепь которого включена лампочка EL1.

Естественно, яркость свечения лампочки также будет меняться, хотя напряжение батареи GB1 остаётся постоянным. С помощью современных технологий изготовить транзистор гораздо проще, чем электронную лампу-триод. Транзистор можно сделать очень маленьким, а значит, быстрым в работе и потребляющим малую мощность. Из-за этих преимуществ современные радиоэлектронные приборы и устройства создаются именно на полупроводниковых транзисторах (и не только!), а не на электронных лампах.  Рис. 5: полупроводниковые и вакуумные электронные триоды.

3. Два основных типа транзисторов
БИПОЛЯРНЫЕ транзисторы – именно о них рассказывалось выше. Такие транзисторы имеют «слоистую» структуру и бывают «прямой» проводимости (p-n-p см. рис. 2) и «обратной» (n-p-n см. рис. 6). Принципиальная разница между ними в строении кристалла.

Рис. 7: фото биполярных транзисторов

ПОЛЕВЫЕ транзисторы – в них управление рабочим током осуществляется не током во входной (базовой) цепи, как в биполярном транзисторе (см. рис. 4), а воздействием электрического поля на свободные носители заряда. Именно поэтому такие транзисторы получили название «полевые». У них в создании электрического тока участвуют носители заряда только одного типа (электроны или дырки).

Основой полевого транзистора служит пластина кремния с проводимостью n-типа, в которой имеется тонкая область с проводимостью р-типа (рис. 8). Пластину кремния называют затвором, а область проводимости р-типа в ней – каналом. С одной стороны канал заканчивается истоком, с другой – стоком, который также является областью проводимости р-типа, но с повышенной концентрацией дырок. Между затвором и каналом создаётся p-n переход. От затвора, стока и истока сделаны контактные выводы. Если к истоку подключить «+», а к стоку «-» батареи питания GB, то в канале появится ток, создающийся движением дырок от истока к стоку. Этот ток, который называют ток стока Ic, зависит не только от напряжения этой батареи GB, но и от напряжения между истоком и затвором – элемент G. Дело в том, что когда на затворе относительно истока действует положительное закрывающее напряжение, объединённая область p-n перехода расширяется (показано штриховыми линиями). От этого канал сужается, его сопротивление увеличивается, из-за чего Ic уменьшается. С уменьшением положительного напряжения на затворе объединённая область p-n перехода, наоборот, сужается, канал расширяется и Ic увеличивается. Если на затвор вместе с положительным напряжением смещения подавать низкочастотный или высокочастотный сигнал, то в цепи стока возникнет пульсирующий ток, а на нагрузке, включенной в эту цепь, – напряжение усиленного сигнала. Рис. 9: фото полевых транзисторов.

4. Транзистор – усилитель. Схема усилителя на транзисторе структуры n-p-n, который может быть как германиевым, так и кремниевым, и графики, поясняющие сущность его работы, показаны на рис. 10.

На коллектор n-p-n транзистора  относительно эмиттера через резистор Rн подают положительное напряжение источника питания Uпит напряжением 4,5...9 В. Участок эмиттер-коллектор, резистор Rн и источник питания Uпит образуют коллекторную цепь транзистора-усилителя.
Резистор Rн в этой цепи выполняет функцию нагрузки, на которой выделяется напряжение сигнала, усиленного транзистором. На базу транзистора через R*б подается положительное напряжение источника питания, называемое начальным напряжением смещения. При этом в цепи база-эмиттерный переход транзистора возникает ток, значение которого определяется (по закону Ома) напряжением источника питания и суммарным сопротивлением базового резистора R*б и эмиттерного p-n перехода. Подбором этого резистора (на схемах обозначают звездочкой *) на базе устанавливают такое напряжение смещения, при котором на коллекторе транзистора относительно эмиттера будет примерно половина напряжения источника питания. При этом транзистор открывается и в его коллекторной цепи возникает ток коллектора Iк, который во много раз больше тока в базовой цепи.  Для германиевых транзисторов, работающих в режиме усиления, начальное напряжение смещения должно быть 0,1...0,2 В, а для кремниевых — 0,6...0,7 В. Без начального напряжения смещения на базе транзистор искажает усиливаемый сигнал. Как работает такой усилитель? Сигнал Uвх, который надо усилить, подают на вход усилителя через связующий конденсатор Cсв, а усиленный им сигнал снимают с нагрузочного резистора Rн. Пока такого сигнала на входе усилителя нет, на базе транзистора действует только напряжение смещения, открывающее транзистор. В это время в коллекторной цепи течет ток покоя Iп (на графиках рис.10 — участки 0 - а). С появлением на входе усилителя сигнала Uвх напряжение на базе транзистора начинает изменяться: при положительных полупериодах входного сигнала оно становится более положительным, а при отрицательных — менее положительным. В результате соответственно изменяется и ток базы, текущий через эмиттерный переход транзистора, и в значительной степени — напряжение на коллекторе и ток в коллекторной цепи.
При этом на нагрузочном резисторе Rн выделяется переменное напряжение, которое во много раз больше напряжения входного сигнала. Этот сигнал через разделительный конденсатор Cраз, пропускающий только переменную составляющую, может быть подан на вход следующего каскада для дополнительного усиления. 

Точно так же работает и транзистор структуры p-n-p, например. Но в этом случае полярность включения источника питания должна быть обратной, чтобы на коллектор и базу транзистора относительно эмиттера подавалось отрицательное напряжение. Усилительные свойства транзистора оценивают статистическим коэффициентом передачи тока базы h21Э (читают так: аш-два-один-э) и выражают числом, показывающим, во сколько раз изменяется ток коллекторной цепи по сравнению с изменением тока в базовой цепи. Практически можно считать, что коэффициент h21Э равен частному от деления тока коллектора на ток базы, то есть: h21Э=IК/IБ. Если, например, ток IК равен 1 мА, а ток базы IБ — 0,02 мА (20 мкА), то коэффициент h21Э этого транзистора будет приблизительно 50. Чем больше численное значение коэффициента h21Э транзистора, тем, естественно, больше усиление сигнала, которое он может обеспечить. Схема реального транзисторного усилителя на рис. 11:

На рис. 12 представлена схема одного из простейших радиоприёмников (с сайта http://www.nauchebe.net), в котором транзистор  работает в качестве усилителя:

Транзистор может работать и как генератор электрических и электромагнитных колебаний. В настоящее время транзистор как дискретный  элемент используется в радиоэлектронных устройствах не часто. Все шире применяются интегральные схемы, в одном кристалле которых содержится громадное количество транзисторов.

Рис. 13 - часть платы с транзисторами, рис. 14 – часть платы с микросхемами.

Домашняя

Дата последнего изменения этого узла 14.11.2016