El tranzistoru v elektrickém obvodu

Princip polovodičového řízení elektrického proudu byl znám již na počátku XNUMX. století. Navzdory skutečnosti, že inženýři pracující v oblasti radioelektroniky věděli, jak tranzistor funguje, pokračovali v navrhování zařízení na bázi elektronek. Důvodem takové nedůvěry k polovodičovým triodám byla nedokonalost tranzistorů prvního bodu. Rodina germaniových tranzistorů se nelišila stabilitou svých charakteristik a byla vysoce závislá na teplotních podmínkách.

Vážnou konkurenci elektronkám dělaly monolitické křemíkové tranzistory až na konci 50. let. Od té doby se elektronický průmysl začal rychle rozvíjet a kompaktní polovodičové triody aktivně nahradily energeticky náročné lampy z obvodů elektronických zařízení. S příchodem integrovaných obvodů, kde počet tranzistorů může dosáhnout miliard, získala polovodičová elektronika přesvědčivé vítězství v boji za miniaturizaci zařízení.

Co je to tranzistor?

V moderním smyslu je tranzistor polovodičový rádiový prvek určený ke změně parametrů elektrického proudu a jeho ovládání. Konvenční polovodičová trioda má tři výstupy: základnu, na kterou jsou přiváděny řídicí signály, emitor a kolektor. Existují také vysoce výkonné kompozitní tranzistory.

Nápadná je velikostní škála polovodičových součástek – od několika nanometrů (nezabalené prvky používané v mikroobvodech) až po centimetry v průměru výkonných tranzistorů určených pro elektrárny a průmyslová zařízení. Zpětná napětí průmyslových triod mohou dosáhnout až 1000 V.

Zařízení

Konstrukčně se trioda skládá z polovodičových vrstev uzavřených v pouzdře. Polovodiče jsou materiály na bázi křemíku, germania, arsenidu galia a dalších chemických prvků. Dnes se provádí výzkum, který připravuje některé typy polymerů, a dokonce i uhlíkové nanotrubice, pro roli polovodičových materiálů. Zřejmě se v blízké budoucnosti dozvíme o nových vlastnostech grafenových tranzistorů s efektem pole.

Dříve byly polovodičové krystaly umístěny v kovových pouzdrech ve formě klobouků se třemi nohami. Tato konstrukce byla typická pro bodové tranzistory.

Dnes jsou návrhy většiny plochých, včetně křemíkových, polovodičových součástek vyráběny na bázi jednoho krystalu dopovaného v určitých částech. Lisují se do plastových, sklo-kovových nebo keramicko-kovových pouzder. Některé z nich mají vyčnívající kovové desky pro odvod tepla, které jsou namontovány na radiátorech.

Elektrody moderních tranzistorů jsou uspořádány v jedné řadě. Toto uspořádání nohou je vhodné pro automatickou montáž desky. Svorky nejsou na krytech označeny. Typ elektrody je určen referenčními knihami nebo měřením.

Pro tranzistory se používají polovodičové krystaly s různou strukturou, např. pnp nebo npn. Liší se polaritou napětí na elektrodách.

Schematicky lze strukturu tranzistoru znázornit jako dvě polovodičové diody oddělené další vrstvou. (Viz obrázek 1). Právě přítomnost této vrstvy umožňuje řídit vodivost polovodičové triody.

Rýže. 1. Struktura tranzistorů

Obrázek 1 schematicky znázorňuje strukturu bipolárních triod. Existuje další třída tranzistorů s efektem pole, o kterých bude pojednáno níže.

Základní princip činnosti

V klidu neprotéká mezi kolektorem a emitorem bipolární triody žádný proud. Odpor přechodu emitoru, který vzniká v důsledku interakce vrstev, brání elektrickému proudu. Pro zapnutí tranzistoru je nutné přivést na jeho bázi mírné napětí.

Obrázek 2 ukazuje schéma vysvětlující, jak trioda funguje.

Rýže. 2. Princip činnosti

Ovládáním základních proudů můžete zařízení zapínat a vypínat. Pokud je na základnu přiveden analogový signál, změní se amplituda výstupních proudů. V tomto případě bude výstupní signál přesně opakovat kmitání na základní elektrodě. Jinými slovy, dojde k zesílení elektrického signálu přijatého na vstupu.

Polovodičové triody tedy mohou pracovat v režimu elektronických klíčů nebo v režimu zesilování vstupních signálů.

Činnost zařízení v režimu elektronického klíče lze pochopit z obrázku 3.

Rýže. 3. Trioda v režimu klíče

Označení na schématech

Běžný zápis: “VT” nebo “Q”následuje poziční index. Například VT 3. V dřívějších diagramech lze nalézt zastaralá označení: „T“, „PP“ nebo „PT“. Tranzistor je znázorněn jako symbolické čáry označující odpovídající elektrody, zakroužkované nebo ne. Směr proudu v emitoru je označen šipkou.

Obrázek 4 ukazuje obvod ULF, ve kterém jsou tranzistory označeny novým způsobem, a obrázek 5 ukazuje schematická znázornění různých typů tranzistorů s efektem pole.

Rýže. 4. Příklad ULF obvodu na triodách

Typy tranzistorů

Podle principu činnosti a struktury se rozlišují polovodičové triody:

• pole;
• bipolární;
• kombinované.

Tyto tranzistory plní stejné funkce, ale existují rozdíly v principu jejich činnosti.

Tento typ triody se také nazývá unipolární kvůli elektrickým vlastnostem – mají proud pouze jedné polarity. Podle struktury a typu ovládání jsou tato zařízení rozdělena do 3 typů:

1. Tranzistory s řídícím pn přechodem (obr. 6).
2. S izolovanou bránou (jsou s vestavěným nebo s indukovaným kanálem).
3. MDP, se strukturou: kov-dielektrikum-vodič.

Charakteristickým rysem izolované brány je přítomnost dielektrika mezi ní a kanálem.

Díly jsou velmi citlivé na statickou elektřinu.

Obvody polní triody jsou znázorněny na obrázku 5.

Rýže. 5. Tranzistory s efektem pole 6. Fotografie skutečné polní triody

Věnujte pozornost názvu elektrod: odtok, zdroj a brána.

FETy spotřebují velmi málo energie. Na malou baterii nebo akumulátor vydrží i přes rok. Proto našly široké uplatnění v moderních elektronických zařízeních, jako jsou dálkové ovladače, mobilní gadgety atd.

Bipolární

O tomto typu tranzistoru bylo již mnoho řečeno v podkapitole „Základní princip činnosti“. Poznamenáváme pouze, že zařízení dostalo název „Bipolární“ kvůli schopnosti přenášet náboje opačných znamének jedním kanálem. Jejich vlastností je nízká výstupní impedance.

Tranzistory zesilují signály a fungují jako spínací zařízení. Do kolektorového okruhu lze zařadit dostatečně výkonnou zátěž. Díky velkému kolektorovému proudu lze snížit zátěžový odpor.

Níže se budeme podrobněji zabývat strukturou a principem fungování.

kombinovaný

Aby bylo dosaženo určitých elektrických parametrů z použití jednoho diskrétního prvku, vynalezli vývojáři tranzistorů kombinované konstrukce. Mezi ně patří:

s vestavěnými odpory a jejich obvodem;
• kombinace dvou triod (stejné nebo různé struktury) v jednom případě;
• lambda diody – kombinace dvou polních triod tvořících sekci se záporným odporem;
• konstrukce, ve kterých trioda s izolovaným hradlovým polem řídí bipolární triodu (používá se k ovládání elektromotorů).

Kombinované tranzistory jsou ve skutečnosti elementární mikroobvod v jednom pouzdru.

Jak funguje bipolární tranzistor? Pokyny pro figuríny

Činnost bipolárních tranzistorů je založena na vlastnostech polovodičů a jejich kombinací. Pro pochopení principu činnosti triod se budeme zabývat chováním polovodičů v elektrických obvodech.

Polovodiče.

Některé krystaly, jako je křemík, germanium atd., jsou dielektrika. Mají ale jednu vlastnost – pokud přidáte určité nečistoty, stanou se z nich vodiče se speciálními vlastnostmi.

Některé přísady (donory) vedou ke vzniku volných elektronů, zatímco jiné (akceptory) tvoří „díry“.

Pokud je např. křemík dopován fosforem (donor), pak získáme polovodič s přebytkem elektronů (struktura n-Si). Po přidání boru (akceptoru) se dopovaný křemík stane děrově vodivým polovodičem (p-Si), to znamená, že v jeho struktuře budou převládat kladně nabité ionty.

Jednosměrné vedení.

Proveďme myšlenkový experiment: zapojme dva heterogenní polovodiče ke zdroji energie a přiveďte proud do našeho návrhu. Stane se něco nečekaného. Pokud záporný vodič připojíte ke krystalu typu n, obvod se uzavře. Když však přepólujeme, v obvodu nebude žádná elektřina. Proč se tohle děje?

V důsledku spojení krystalů s různými typy vodivosti mezi nimi vzniká oblast s pn přechodem. Část elektronů (nosičů náboje) z krystalu typu n bude proudit do krystalu s děrovou vodivostí a rekombinovat díry v kontaktní zóně.

V důsledku toho vznikají nekompenzované náboje: v oblasti typu n – od záporných iontů a v oblasti typu p od kladných. Rozdíl potenciálů dosahuje hodnoty 0,3 až 0,6 V.

Vztah mezi napětím a koncentrací nečistot lze vyjádřit vzorcem:

V_T – hodnota termodynamického napětí, N_n и N_p – koncentrace elektronů a děr, resp_i znamená soustředění.

Při připojení plusu k p-vodiči a mínusu k polovodiči typu n elektrické náboje překoná bariéru, protože jejich pohyb bude namířen proti elektrickému poli uvnitř pn přechodu. V tomto případě je přechod otevřený. Ale pokud jsou póly obráceny, přechod bude uzavřen. Z toho plyne závěr: pn přechod tvoří jednosměrné vedení. Této vlastnosti se využívá při návrhu diod.

Od diody k tranzistoru.

Pokusme se zkomplikovat. Přidejme ještě jednu vrstvu mezi dva polovodiče se stejnými strukturami. Například mezi křemíkové destičky typu p vložíme vodivou vrstvu (n-Si). Není těžké odhadnout, co se bude dít v kontaktních zónách. Analogicky s výše popsaným procesem se vytvářejí oblasti s pn přechody, které blokují pohyb elektrických nábojů mezi emitorem a kolektorem bez ohledu na polaritu proudu.

Nejzajímavější se stane, když na mezivrstvu (základnu) přivedeme mírné napětí. V našem případě aplikujeme proud se záporným znaménkem. Stejně jako v případě diody je vytvořen obvod emitor-báze, kterým bude protékat proud. Současně se vrstva začne nasycovat otvory, což povede k vedení otvorů mezi emitorem a kolektorem.

Podívejte se na obrázek 7. Ukazuje, že kladné ionty zaplnily celý prostor našeho podmíněného návrhu a nyní nic neruší vedení proudu. Získali jsme vizuální model bipolárního tranzistoru pnp.

Rýže. 7. Princip činnosti triody

Při odbuzení báze se tranzistor velmi rychle vrátí do původního stavu a uzavře se kolektorový přechod.

Zařízení může také pracovat v režimu zesílení.

Pokud změníte hodnotu řídicího proudu, změní se intenzita tvorby děr na základně, což bude mít za následek proporcionální změnu amplitudy výstupního napětí při zachování frekvence signálu. Tento princip se používá k zesílení signálů.

Přivedením slabých impulsů na bázi získáme na výstupu stejnou frekvenci zesílení, ale s mnohem větší amplitudou (nastavenou napětím přivedeným na obvod kolektor-emitor).

NPN tranzistory fungují podobným způsobem. Mění se pouze polarita napětí. Zařízení s npn strukturou mají přímé vedení. Tranzistory typu Pnp mají obrácenou vodivost.

Zbývá dodat, že polovodičový krystal reaguje podobně jako ultrafialové spektrum světla. Zapínáním a vypínáním fotonového toku nebo úpravou jeho intenzity lze ovládat činnost triody nebo měnit odpor polovodičového rezistoru.

Spínací obvody bipolárních tranzistorů

Technici obvodů používají tato schémata zapojení: se společnou bází, společnými emitorovými elektrodami a zapínání se společným kolektorem (obr. 8).

Rýže. 8. Schémata zapojení bipolárních tranzistorů

Pro zesilovače se společnou základnou je typické:

• nízká vstupní impedance, která nepřesahuje 100 ohmů;
• dobré teplotní vlastnosti a frekvenční charakteristiky triody;
• vysoké povolené napětí;
• vyžaduje dva různé zdroje napájení.

Obvody společných emitorů mají:

• vysoké proudové a napěťové zisky;
• nízký výkonový zisk;
• inverze výstupního napětí vzhledem ke vstupu.

Při tomto zapojení stačí jeden napájecí zdroj.

Schéma připojení podle principu “společného kolektoru” poskytuje:

• vysoká vstupní a nízká výstupní impedance;
• nízkonapěťové zesílení ( < 1).

Jak funguje tranzistor s efektem pole? Vysvětlení pro figuríny

Struktura tranzistoru s efektem pole se liší od bipolárního tranzistoru tím, že proud v něm neprochází zónami pn přechodu. Nálože se pohybují po nastavitelné oblasti zvané brána. Šířka pásma brány je regulována napětím.

Prostor pn zóny se působením elektrického pole zmenšuje nebo zvětšuje (viz obr. 9). V souladu s tím se mění počet volných nosičů náboje – od úplného zničení až po konečné nasycení. V důsledku takového dopadu na bránu se reguluje proud na drenážních elektrodách (kontaktech, které vydávají zpracovaný proud). Vstupní proud protéká přes kontakty zdroje.

Obrázek 9. FET s pn přechodem

Na podobném principu pracují polní triody s vestavěným a indukovaným kanálem. Jejich schémata jste viděli na obrázku 5.

FET spínací obvody

V praxi se schémata zapojení používají analogicky s bipolární triodou:

• se společným zdrojem – dává velké zesílení proudu a výkonu;
• obvody se společným hradlem poskytující nízkou vstupní impedanci a nízký zisk (s omezeným použitím);
• obvody se společným odběrem, které fungují stejným způsobem jako obvody se společným emitorem.

Obrázek 10 ukazuje různá schémata zapojení.

Rýže. 10. Obrázek schémat zapojení polních triod

Téměř každý obvod je schopen pracovat při velmi nízkém vstupním napětí.

Tranzistor – Jedná se o polovodičové zařízení určené k řízení elektrického proudu.

Jeho vlastnosti umožňují řešit problémy s vypínáním nebo zapínáním proudu v elektrickém obvodu desky plošných spojů, případně jeho řízení. Existuje mnoho typů tranzistorů. Níže se podíváme na několik hlavních typů.

Tranzistor s efektem pole [ ]

FET nazývané aktivní polovodičová zařízení, se třemi nebo čtyřmi svorkami, ve kterých je výstupní proud řízen pomocí elektrického pole, tj. Napětí.

• Vypouštěcí kontakt odchozího, zpracovávaného proudu, umístěný v zóně n;
• Hradlový kontakt umístěný v zóně p, změnou napětí, na kterém můžete upravit propustnost zařízení.
• Zdrojový kontakt příchozího elektrického proudu, umístěný v zóně n;

FET se dělí na: tranzistory s efektem pole s kanálem typu p a n. Kanál typu p má vodivost otvorů a kanál typu n má elektronickou vodivost. (Dírová vodivost (p-conductivity) – Vodivost polovodiče, ve kterém jsou hlavními nosiči náboje díry. Díra je prázdné místo s kladným nábojem, který vzniká v krystalové mřížce po uvolnění elektronu)

Princip činnosti tranzistoru s efektem pole [ ]

Zónou n protéká elektrický proud. Zóna p je překrývající se zóna, druh ventilu. Pokud na něj silně zatlačíte, zablokuje zónu pro průchod proudu a projde méně. Nebo, pokud tlak na snížení pomine více. Takový tlak se provádí zvýšením napětí na kontaktu hradla umístěného v zóně p.

Typ FET MOSFET [ ]

Mosfet- Je to izolovaný hradlový tranzistor s efektem pole.

Slouží především jako zesilovač signálu, případně jako usměrňovač pro snížení napětí na požadovanou hodnotu.

Princip činnosti: [ ]

Vezme zdroj signálu a bere ho jako elektromagnetické kmitání, díky napájení, které je k němu přiváděno (ze zdroje energie – zdroje) – zesiluje signál v napětí a výkonu. Nízkoenergetický zdroj signálu přivedený na bránu v tomto případě slouží jako vodič brány.

Bipolární tranzistor [ ]

Bipolární tranzistor – jedná se o polovodičový krystal (nejčastěji se používá křemík nebo germanium), rozdělený do tří zón s různou elektrickou vodivostí. Zóny se nazývají kolektor, báze a emitor.

Na kolektor je aplikováno vysoké napětí, které je řízeno. Přes základny pro odblokování velkého proudu se použije malý proud; základna ji zablokuje. Přes emitor proud teče z kolektoru a báze, když je tranzistor “on”.

Bipolární tranzistory se liší v propustném a zpětném vedení. Tranzistory Pnp se nazývají tranzistory s dopřednou kondukcí a tranzistory npn se nazývají tranzistory se zpětnou vodivostí.

Princip činnosti bipolárního tranzistoru [ ]

Základní princip fungování bipolárního tranzistoru spočívá v tom, že malý proud báze může řídit mnohem větší kolektorový proud – v rozsahu od téměř nuly do nějaké maximální možné hodnoty.