Транзистор — полупроводниковый прибор, способный управлять большим выходным током с помощью небольшого входного сигнала. Данное свойство позволяет применять его в цепях переключения, усиления и генерирования электрических сигналов.
Изобретённый в середине прошлого века транзистор буквально совершил революцию в электронике: начало их 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 своей миниатюризации, в наши дни достигнувшей высокого уровня развития. Ведь сегодня пластина из полупроводникового материала площадью в несколько квадратных миллиметров может содержать в себе миллиарды таких элементов, способных быстро и эффективно решать сложнейшие вычислительные задачи.
Данная статья расскажет, как создавались транзисторы, познакомит с их функционалом и разновидностями, а также с основными схемами включения, базирующимися на них типовыми устройствами и каскадами.
Время чтения: 12 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.
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. Выдвигались и идеи управления им, а это в свою очередь сулило возможность усиления и генерации электрических сигналов. Собственно работоспособный p-n-переход был разработан, точнее сказать обнаружен, учёным-химиком Расселом Олом из Bell Labs.
Реакция на световое излучение и односторонняя проводимость пластин из кремния с различным типом проводимости 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 электротехнике, и начался очередной виток исследования полупроводников.
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.
Параллельно с Америкой, изыскания велись в Европе и СССР. Уже в 1948 году был налажен их массовый выпуск. В этом же году группа изобретателей распалась: Уильям Шокли и Джон Бардин покинули Bell Labs и основали свои производства транзисторов. Но в 1956 году они вновь стояли друг рядом с другом на вручении Нобелевской премии по физике за изобретение этого революционного прибора.
Основы функционирования
Разновидности
Перед тем рассказать, на чем основывается их работа, необходимо кратко представить главные виды транзисторов, а именно: биполярный (БТ) и полевой (униполярный — ПТ).
Биполярный транзистор
Это трёхэлектродный полупроводниковый прибор, 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 тока базы.
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 ними управляется электрическим полем (отсюда и произошло название полупроводников — «полевые»), создаваемым напряжением на его затворе.
Устройство и принцип работы
Биполярный транзистор
На рисунках показано, как устроены БТ структуры p-n-p и n-p-n. Их конструктив включает три области с разной проводимостью с двумя p-n-переходами, образованными на их границах. Кратко принцип работы БТ можно описать следующим образом:
- При подведении к эмиттеру и базе напряжения, между этими электродами возникает разность потенциалов и начинает протекать ток. В базе образуются носители заряда. Количество носителей заряда пропорционально разности потенциалов между электродами.
- Если его подвести к эмиттеру и коллектору, между ними также появляется разность потенциалов, сопровождаемая протеканием тока. Его величина прямо пропорциональна количеству образовавшихся в базе носителей заряда.
- При увеличении напряжения на базе растёт ток между эмиттером и коллектором, причём его малейший рост вызывает значительное повышение коллекторного тока.
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
На рисунках представлено устройство ПТ 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 ПТ. Вот как работает прибор:
В основную, регулируемую цепь ПТ включается истоком и стоком.
- К затвору подключается источник постоянного смещения, создающий на p-n-переходе обратное запирающее напряжение.
- Также подключается управляющее (усиливаемое) напряжение, с изменений 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, отбираемая от источника управляющего напряжения, крайне мала
Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом
Как видно из рисунка, конструктив состоит из канала, образуемого между истоком и стоком, изолированного затвора и подложки, на которой сформирован кристалл прибора. Упрощенно принцип их работы выглядит так:
- В цепь его включают истоком и стоком. Конструктивно канал показывает проводимость даже при отсутствии потенциала на затворе.
- К затвору подключается источник управляющего напряжения.
- Канальная проводимость может как увеличиваться (режим обогащения) до момента насыщения, так и уменьшаться (режим обеднения) до момента отсечки.
- Так как затвор электрически изолирован, то и мощность, отбираемая от источника, чрезвычайно мала, и расходуется только на перезаряд его электрической ёмкости.
Данный тип ПТ ввиду своей необычной конструкции не получил широкой востребованности, и используется лишь в специальной аналоговой аппаратуре.
Полевой транзистор с индуцированным каналом
Из рисунка становится понятно, что устройство ПТ аналогично радиокомпонентам с рассмотренной выше конфигурацией. Принцип работы у них следующий:
- В цепь прибор включается истоком и стоком. Конструктивно канал имеет крайне низкую проводимость.
- На затвор подаётся управляющее напряжение.
- Ввиду электроизоляции затвора мощность, которая отбирается от источника, чрезвычайно мала, а её расход осуществляет перезаряд его электрической ёмкости.
Основные схемы включения
В данном разделе будут рассмотрены распространенные способы подключения БТ и дано их сравнительное описание. Их полевые разновидности включаются в схемы аналогичным образом.
Она наиболее часто используемая в усилительных каскадах. Входной сигнал подается на базу относительно эмиттера, а нагрузка включена в цепь между коллектором и эмиттером. Выходной и входной сигналы имеют противоположные фазы. Она обеспечивает максимальное усиление мощности, так как усиливает и напряжение, и ток.
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 напряжения 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 сигнала совпадают.
В ней подача входного сигнала 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, однако усиление по напряжению очень высоко. Это наиболее термостабильная схема. Часто находит применение в цепях регулировки выходов линейных блоков питания.
Типовые схемы устройств и каскадов на основе транзистора
В данном разделе будут рассмотрены востребованные устройства, содержащие основу из БТ.
Используется в линейных блоках питания для регулировки выходного напряжения. 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.
Она является модифицированной версией регулятора напряжения и 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 пробоя стабилитрона при обратном включении не зависит от входного, а чётко задано при изготовлении этого полупроводникового прибора. Стабилитрон, задающий управляющее напряжение 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 с помощью цифрового сигнала высокого уровня. Uпит может быть до нескольких десятков вольт. Uупр = 5В. Диод D1 предназначен для гашения выбросов противоЭДС, образующейся на обмотке реле при запирании БТ. 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 усилитель низкой (звуковой) частоты, применяемый в абсолютном большинстве звуковоспроизводящей аппаратуры. Также такое подключение демонстрируют интегральные низкочастотные усилители. Здесь компонент 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 режим работы, а R2 — это нагрузка. Через конденсатор C2 снимается усиленный по напряжению и току выходной сигнал.
Это классический генератор прямоугольных импульсов на двухтранзисторной сборке. Резисторы и конденсаторы служат частотозадающими устройствами. При равенстве плеч (R1=R4, R2=R3, C1=C2) такой мультивибратор называется симметричным, и частота генерации выходного сигнала 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 может исчисляться миллиардами. Даже его изобретатели поначалу не верили в бесконечно большой потенциал своей разработки: однако транзисторы вытеснили радиолампы из всех сферах электротехники.
Именно их появление ускорило развитие вычислительной техники, которая без этого удивительного радиоэлемента так и осталась бы весьма габаритной и медлительной. Транзисторы 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.
