Транзистор — полупроводниковый прибор, способный управлять большим выходным током с помощью небольшого входного сигнала. Данное свойство позволяет применять его в цепях переключения, усиления и генерирования.
Изобретённый в середине прошлого века, он буквально совершил революцию в электронике: начало его практического применения ознаменовало закат эры радиоэлектронных ламп. Крайне несовершенные и громоздкие электровакуумные приборы уступили место компактному экономичному электронному компоненту — транзистору и полупроводниковой технике в целом, которая в первых дней своего существования стала стремиться к повышению степени миниатюризации, в наши дни развитой очень сильно. Ведь сегодня пластина из ПП-материала площадью в несколько квадратных миллиметров содержит миллиарды таких элементов, способных быстро и эффективно решать сложнейшие вычислительные задачи.
В статье мы расскажем, как создавались транзисторы, познакомим с их функционалом и разновидностями, способами применения в современной электротехнике.
Время чтения: 15 минут
Транзистор? Это очень просто!
Открытие транзисторов
Полупроводниковая электроника — наукоёмкая отрасль, и изобретение такого несложного прибора как диод или транзистор потребовало колоссальных сил и тесного взаимодействия физиков-теоретиков, прикладной электротехники и химии. Учёные всех этих областей объединились вместе в научно-исследовательской компании Bell Labs (позже ставшей существующей и поныне фирмой AT&T), открытой ещё Александром Беллом – отцом-основателем телефонии. Современная физика полупроводников позволила значительно расширить область использования миниатюрных электронных компонентов.
Теоретические предпосылки существования некого переходного запирающего слоя на границе веществ с разной проводимостью, т. е. p-n-перехода, были выдвинуты ещё в 30-х годах XX века многими учёными из США, Европы и Советского Союза. Предлагались и идеи управления им, а это в свою очередь сулило возможность усиления и генерации электросигналов. Собственно работоспособный p-n-переход был разработан, точнее сказать обнаружен, учёным-химиком Расселом Олом из Bell Labs. Этот тип перехода стал основой для большинства активных элементов, применяемых в схемах с общим коллектором.
Реакция на световое излучение и односторонняя проводимость пластин из кремния с разнопроводимыми свойствами были зарегистрированы Олом и его коллегой Уолтером Браттейном в 1943 году. До конца Второй Мировой Войны информация держалась под строжайшим секретом. После её окончания военная промышленность требовала новых подходов к электротехнической отрасли, и начался очередной виток исследования полупроводников. На тот момент всё ещё оставался открытым вопрос: что это за явление, при котором изменяется проводимость под действием света и тока.
Первый в мире полупроводниковый триод — германиевый биполярный транзистор был изобретён в 1947 году американскими учёными Уильямом Шокли, Джоном Бардиным и Уолтером Браттейном. Этот прототранзистор, который еще был очень далёк от совершенства, уже показал огромное преимущество перед радиолампами: он мог усиливать и генерировать электрические колебания. Уже тогда стало ясно, зачем нужен такой прибор в системах усиления сигнала.
Параллельно с Америкой, изыскания велись в Европе и СССР. Уже в 1948 году был налажен их массовый выпуск. Тогда же группа изобретателей распалась: Уильям Шокли и Джон Бардин покинули Bell Labs и основали свои производства. Но в 1956 году они вновь стояли рядом на вручении Нобелевской премии по физике за разработку этого революционного прибора. Интересно, что данная разработка легла в основу простых транзисторных устройств, которые и сегодня находят применение в самых разных областях.
Основы функционирования
Разновидности
Перед тем рассказать, на чем основывается их работа, необходимо кратко представить главные виды, а именно: биполярный (БТ) и полевой (униполярный — ПТ).
Биполярный транзистор
Это трёхэлектродный полупроводник, который состоит из двух p-n-переходов. Подробно о p-n-переходе см. в статье «Что такое полупроводник?». Перенос электрического заряда производится двумя видами носителей: электронами (n) и дырками (p). Именно поэтому его называют «биполярным». Его электроды имеют следующие наименования: эмиттер, коллектор и база. Управление основным током между эмиттером и коллектором реализовано через незначительное изменение электротока базы. Устройство такого типа применяется в схемах с общим эмиттером, где он работает как усилитель. В отличие от полевого, биполярный транзистор требует ток для открытия и имеет более сложную структуру.
Полевой (униполярный) транзистор
Это также трёхэлектродный полупроводник, конструктивно состоящий из кремниевого канала n- или p-проводимости с, соответственно, электронным или дырочным типом, где носителем заряда выступают или электроны, либо дырки. Именно поэтому он называется «униполярным». Его электроды названы так: исток, сток и затвор. Ток между первыми управляется электрическим полем (поэтому их так и называют — «полевые»), создаваемым напряжением на последнем.
Устройство и принцип работы
Биполярный транзистор
На рисунках показано, как устроены БТ структуры p-n-p и n-p-n. Их конструктив включает три разнопроводимых области с двумя p-n-переходами, образованными на их границах. Кратко функционирование можно описать следующим образом:
- При подведении к эмиттеру и базе напряжения между ними возникает разность потенциалов и начинает протекать ток, а в пропорциональном его количеству в базе образуются носители заряда.
- Если его подвести к эмиттеру и коллектору, между ними также появляется разность потенциалов, сопровождаемая токопроводимостью. Её величина прямо пропорциональна количеству образовавшихся в базе носителей заряда.
- При увеличении потенциала на базе растёт электроток между электродами, причём его малейший рост вызывает значительное повышение коллекторного тока.
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
На рисунках изображены радиокомпоненты с p-n-переходом. Конструктивно они состоят из канала, образованного между истоком и стоком, одного управляющего p-n-перехода и подложки, на которой сформирован кристалл.
В основную, регулируемую цепь, он включается истоком и стоком:
- К затвору подключается источник постоянного смещения, создающий на переходе обратное запирающее напряжение.
- Также подключается управляющее (усиливаемое) напряжение (УН), с изменением которого меняется и запирающее, осуществляющее управление площадью поперечного сечения зоны канала — сквозь него протекают основные носители заряда.
- Так как обратный ток p-n-перехода невысок, то и мощность, которая отбирается от источника УН, крайне мала
ПT с изолированным затвором и встроенным каналом
Как видно из рисунка, конструктив состоит из канала между истоком–стоком, изолированного затвора и подложки с кристаллом прибора на ней. При этом работа полевого транзистора базируется на явлении модуляции проводимости под действием поля, создаваемого на затворе. Упрощенно принцип действия выглядит так:
- В цепь его включают аналогично. Конструктивно канал проводим даже при отсутствии потенциала на затворе, к которому затем подключается источник УН.
- Канальная проводимость может как увеличиваться (режим обогащения) до момента насыщения, так и уменьшаться (обеднения) до отсечки. В зависимости от режима, транзисторы данного типа могут выполнять как функцию ключа, так и усилителя.
- Ввиду затворной изоляции мощность, отбираемая от источника, минимальна, и расходуется только на перезаряд его электрической ёмкости. Это позволяет снизить тепловую нагрузку и повысить надёжность при длительной работе.
Данный тип ввиду своей необычной конструкции не получил широкой востребованности, и используется лишь в специальной аналоговой аппаратуре.
ПT с индуцированным каналом
Из изображения понятно, что устройство аналогично радиокомпонентам с рассмотренной выше конфигурацией и подключается так же. Принцип у них следующий:
- Прибор включается в цепь. Его канал имеет крайне низкую проводимость.
- На затвор подаётся УН.
- Ввиду электроизоляции мощность, которая отбирается от источника, чрезвычайно мала, а её расход перезаряжает его ёмкость.
Биполярный транзистор с изолированным затвором
Эксплуатация классического «биполярника» при высоком напряжении и силе тока сопряжена с рядом трудностей, одна из которых состоит в том, что при увеличении мощности пропорционально уменьшается его коэффициент усиления. Другими словами, требуется очень большой ток базы для его открытия. Ещё одной неприятной особенностью стал относительно медленный процесс закрытия и сопротивление в цепи коллектора, вызывающее нагрев. Эти недостатки серьезно ограничивают их использование в роли силовых ключей, где отлично себя показывают полевые транзисторы с индуцированным каналом. «Полевики», ввиду конструктивных особенностей, практически не имеют ограничения на максимально допустимый электроток, но серьезно ограничены максимумом рабочего напряжения. Такой тип устройств особенно важен в мощных блоках питания, где требуется стабильная передача электрических сигналов. При выборе конкретного полевого транзистора важно учитывать тип проводимости, чтобы точно определить параметры схемы.
С высоковольтной и высокотоковой коммутацией хорошо справляются тиристоры (смотри статью «Что такое полупроводник?»), но и здесь требуется компромиссное решение: ведь они имеют низкую энергоэффективность и не могут применяться в современных высокочастотных устройствах. Все эти ограничения потребовали создания новой разновидности устройства-полупроводника, который покажет эффективность при высоком вольтаже и ампераже. Им стал БТ с изолированным затвором, более известный под названием IGBT-транзистор (Insulated-gate bipolar transistor). Являясь наиболее молодой разновидностью ПП-радиокомпонентов, они стали самыми перспективными. IGBT транзисторы применяются в схемах инверторов, преобразователей и других сложных электронных устройств.
На рисунке представлено схематическое устройство IGBT-транзистора. Хорошо видно, что имеется силовой канал как у БТ, изолированный затвор и канал управления как у ПТ, а также многослойная структура как у тиристора. Такие транзисторы востребованы в промышленной электронике, где основная задача — обеспечить надёжное управление мощными нагрузками.
IGBT-транзисторы выпускаются в виде как отдельных компонентов, так и готовых сборок.
На текущий момент они выступают основой всей силовой электроники и применяются для коммутации и токопреобразования: электротранспорта, сварочных инверторов, частотных преобразователей и многого другого.
Основные схемы включения
Здесь мы рассмотрим распространенные способы подключения БТ и дадим их сравнительное описание. Их полевые разновидности включаются аналогичным образом.
Она наиболее часто используемая в усилительных каскадах. Входной сигнал подается на базу относительно эмиттера, а нагрузка включена в цепь между ним и коллектором. Выходной и входной импульсы имеют противоположные фазы. Она обеспечивает максимальное усиление мощности, так как сразу усиливает вольт-амперную характеристику.
Она также называется эмиттерный повторитель. Входной сигнал подают на базу относительно коллектора с включением нагрузки в цепь между ним и эмиттером. Такая схема характеризуется коэффициентом усиления по вольтажу близким к единице, т. е. его значение на входе и выходе аналогично (поэтому и называется она включения повторителем). Усиливается лишь ток. БТ здесь имеет высокое сопротивление входа при малом — выхода. Фазы выходного и входного электросигнала совпадают.
В ней подача входного импульса на эмиттер осуществляется относительно базы, в то время как нагрузка включается в цепь между ней и коллектором. Она имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, т.е. не усиливает его, в отличие от напряжения, которое усиливается очень высоко. Это наиболее термостабильная схема. Часто находит применение в цепях регулировки выходов линейных БП.
Типовые схемы устройств и каскадов на основе транзистора
В данном разделе будут рассмотрены востребованные приборы, содержащие основу из БТ.
Используется в трансформаторных БП для регулировки подаваемого электропитания. Таким же образом происходит его регулирование во всем известных линейных интегральных регуляторах типа LM317 и аналогичных. БТ включён по схеме с общей базой. Регулирующее напряжение подается через потенциометр R1. Его увеличение приводит к открытию транзистора и повышению выходных значений.
Это модифицированная версия регулятора, предназначена для стабилизации выходных параметров. Встречается в линейных источниках питания. Электричество подается через «делитель напряжения», образованный стабилитроном ZD1 и задающим его ток резистором R1. Напряжение его пробоя при обратном включении не зависит от входного, а чётко задано на этапе производства. Стабилитрон, задающий УН на базе, таким образом поддерживает выходные характеристики стабильным. Подробно о стабилитронах см. в статье «Что такое полупроводник?».
Здесь прибор применяется не в усилительном, а в ключевом режиме для включения электромагнитного реле K1 посредством цифрового сигнала высокого уровня. Uпит достигает нескольких десятков вольт. Uупр = 5В. Диод D1 предназначен для гашения выбросов противоЭДС, образующейся на обмотке реле при запирании. Без него возможен электрический пробой компонента. Подробно о диодах см. в статье «Что такое полупроводник?» Резистор R1 ограничивает силу тока в управляющей цепи.
Это типичный однокаскадный аудиоусилитель, применяемый в абсолютном большинстве звуковоспроизводящей аппаратуры. Также такое подключение демонстрируют интегральные низкочастотные усилители. Здесь он включён по схеме с общим эмиттером. Входной сигнал через конденсатор, препятствующий прохождению постоянного тока в цепи, поступает на базу. Подробно о нём см. в статье «Как выбрать конденсатор?».Резистор R1 задаёт рабочий режим, а R2 — это нагрузка. Через конденсатор C2 снимается усиленный по напряжению и току выходной электросигнал.
Это классический генератор прямоугольных импульсов на двухтранзисторной сборке. Резисторы и конденсаторы служат частотозадающими компонентами. При равенстве плеч (R1=R4, R2=R3, C1=C2) он называется симметричным, и частота генерации у него рассчитывается по несложной формуле:
Транзисторы, бесспорно, являются базовыми активными составляющими современной электроники. Они трудятся в преобразователях питания, коммутационных и усилительных каскадах как поодиночке, так и в составе микросхем, в которых их количество исчисляется миллиардами. Даже их создатели поначалу не верили в бесконечно большой потенциал своего детища: однако транзисторы вытеснили радиолампы из всех сферах электротехники.
Именно их появление ускорило развитие ЭВМ, которые без этого удивительного радиоэлемента так и остались бы весьма габаритными и медлительными. С ними летают в космос и опускаются на немыслимые глубины океанов, и продолжат это делать ещё многие десятилетия: альтернативы им попросту нет, а их возможности просто безграничные.
