Что такое транзистор: что делает, где применяется, режимы работы биополярного транзистора

что делает, где применяется, режимы работы биополярного транзистора

Электроника окружает нас всюду. Но практически никто не задумывается о том, как вся эта штука работает. На самом деле все довольно просто. Именно это мы и постараемся сегодня показать. А начнем с такого важного элемента, как транзистор. Расскажем, что это такое, что делает, и как работает транзистор.

Что такое транзистор?

Транзистор – полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электрическим током.

Где применяются транзисторы? Да везде! Без транзисторов не обходится практически ни одна современная электрическая схема. Они повсеместно используются при производстве вычислительной техники, аудио- и видео-аппаратуры.

Времена, когда советские микросхемы были самыми большими в мире, прошли, и размер современных транзисторов очень мал. Так, самые маленькие из устройств имеют размер порядка нанометра!

Приставка

нано- обозначает величину порядка десять в минус девятой степени.

Однако существуют и гигантские экземпляры, использующиеся преимущественно в областях энергетики и промышленности.

Транзисторы

Существуют разные типы транзисторов: биполярные и полярные, прямой и обратной проводимости. Тем не менее, в основе работы этих приборов лежит один и тот же принцип. Транзистор — прибор полупроводниковый. Как известно, в полупроводнике носителями заряда являются электроны или дырки.

Область с избытком электронов обозначается буквой n (negative), а область с дырочной проводимостью  – p (positive).

Как работает транзистор?

Чтобы все было предельно ясно, рассмотрим работу

биполярного транзистора (самый популярный вид).

Биполярный транзистор (далее – просто транзистор) представляет собой кристалл полупроводника (чаще всего используется кремний или германий), разделенный на три зоны с разной электропроводностью. Зоны называются соответственно коллектором, базой и эмиттером. Устройство транзистора и его схематическое изображение показаны на рисунке ни же

Биполярный транзистор

Разделяют транзисторы прямой и обратной проводимости.  Транзисторы p-n-p называются транзисторами с прямой проводимостью, а транзисторы n-p-n – с обратной.

Транзисторы

Теперь о том, какие есть два режима работы транзисторов. Сама работа транзистора похожа на работу водопроводного крана или вентиля. Только вместо воды – электрический ток. Возможны два состояния транзистора – рабочее (транзистор открыт) и состояние покоя (транзистор закрыт).

Что это значит? Когда транзистор закрыт, через него не течет ток. В открытом состоянии, когда на базу подается малый управляющий ток, транзистор открывается, и большой ток начинает течь через эмиттер-коллектор.

Физические процессы в транзисторе

А теперь подробнее о том, почему все происходит именно так, то есть почему транзистор открывается и закрывается. Возьмем биполярный транзистор. Пусть это будет

n-p-n транзистор.

Если подключить источник питания между коллектором и эмиттером, электроны коллектора начнут притягиваться к плюсу, однако тока между коллектором и эмиттером не будет. Этому мешает прослойка базы и сам слой эмиттера.

 

Транзистор закрыт

Если же подключить дополнительный источник между базой и эмиттером, электроны из n области эмиттера начнут проникать в область баз. В результате область базы обогатиться свободными электронами, часть из которых рекомбинирует с дырками, часть потечет к плюсу базы, а часть (большая часть) направится к коллектору.

Таким образом, транзистор получается открыт, и в нем течет ток эмиттер коллектор. Если напряжение на базе увеличить, увеличится и ток коллектор эмиттер. Причем, при малом изменении управляющего напряжения наблюдается значительный рост тока через коллектор-эмиттер. Именно на этом эффекте и основана работа транзисторов в усилителях.

Транзистор открыт

Вот вкратце и вся суть работы транзисторов. Нужно рассчитать усилитель мощности на биполярных транзисторах за одну ночь, или выполнить лабораторную работу по исследованию работы транзистора? Это не проблема даже для новичка, если воспользоваться помощью специалистов нашего студенческого сервиса.

Не стесняйтесь обращаться за профессиональной помощью в таких важных вопросах, как учеба! А теперь, когда у вас уже есть представление о транзисторах, предлагаем расслабиться и посмотреть клип группы Korn “Twisted transistor”! Например, вы решили купить отчет по практике, обращайтесь в Заочник.

 

ЧТО ТАКОЕ ТРАНЗИСТОР

   Транзистор — главный компонент в любой электрической схеме. Эта статья именно о них и написана для начинающих радиолюбителей. Транзистор — своего рода усилительный ключ, принцип работы похож на тиристора. Без транзисторов в электронике никак не обойтись, на них собирают буквально все — простейшие мигалки, транзисторные усилители мощности низкой частоты, радиоприемники и передатчики, телевизионная и видео аппаратура и многие другие устройства. Транзисторами можно увеличить или снизить первоначальное напряжения источника питания, если они используются в схемах преобразователей. 

   Сам транзистор — полупроводниковый прибор, в основном кристалл транзистора делают из кремния или германия. Транзисторы бывают двух видов — однополярные и двухполярные, соответственно полевые и биполярные. По проводимости тоже бывают двух видов — транзисторы прямой проводимости (п — н — п) и транзисторы обратной проводимости (н — п — н). Н -П — от латыни негатив и позитив. На схемах легко можно отличить какой проводимости транзистор использован — если стрелка эмиттера входит в транзистор, значит он прямой проводимости, если же выходит из транзистора, значит транзистор имеет обратную проводимость тока. 

   Для работы транзистора на базу подают маленький ток, впоследствии которого транзистор открывается и может пропустить более большой ток через эмиттер — коллектор, то есть подавая сравнительно маленький ток на базу мы можем управлять более большим токам. Иными словами, прилагая лёгкое усилие поворачивая водопроводный кран, мы управляем мощным потоком воды. Транзистор может находится в двух состояниях, он открыт — когда на базу подано напряжение (рабочее состояние транзистора) и закрыт, когда ток не течет на базу (состояние покоя транзистора).

   По рабочей частоте часто всего используют низкочастотные и высокочастотные транзисторы. Низкочастотные транзисторы применяют для силовых цепей преобразователей напряжения, усилителей мощности в блоках питания и так далее. Низкочастотные транзисторы как правило бывают большей мощности. Высокочастотные транзисторы работающие на частотах в несколько гигагерц тоже применяются очень часто. В основном они нашли широкое применения в радиоприёмной и передающей аппаратуре, в усилителях высокой частоты и во многих других приборах. Такие транзисторы имеют сравнительно маленькую мощность, они незаменимы в области радиоприема и передачи.

   Транзисторы бывают самых разных форм и размеров — от невидимого для человеческих глаз чип элементов для поверхностного монтажа, до мегамощных транзисторов размером с дом.

   Последние могут иметь мощность до сотни мегаватт, их в основном используют в электростанциях и на заводах. Для лучшей проводимости тока по контактам транзистора высокой частоты часто наносят тонкий слой золота или серебра, но в последнее время такие транзисторы встречаются очень редко, в основном такие транзисторы использовались в радиоаппаратуре времен советского союза. Новичкам уверен данный материал помог разобраться что к чему и прояснить вопросы по транзисторам — Артур Касьян (АКА).

   Форум по теории

   Форум по обсуждению материала ЧТО ТАКОЕ ТРАНЗИСТОР

Транзисторы: принцип работы,​ схема подключения, отличие биполярного от полевого

Автор Даниил Леонидович На чтение 9 мин. Просмотров 46.7k. Опубликовано 18 ноября Обновлено 18 ноября

В свое время за открытие транзистора его создатели удостоились Нобелевской премии. Этот маленький прибор изменил человечество навсегда: начиная с простых радиоприемников и заканчивая процессорами, в которых их число достигает нескольких миллиардов. Между тем, чтобы узнать, как он работает, не нужно быть золотым медалистом или лауреатом «нобелевки».

Что такое транзистор

Транзистор – это прибор, изготовленный из полупроводниковых материалов. Выглядит как маленькая металлическая пластинка с тремя контактами. Назначений у него два: усиливать поступающий сигнал и участвовать в управлении компонентами электроприборов.

Принцип действия

Полупроводники занимают промежуточное состояние между проводниками и диэлектриками. В обычном состоянии они не проводят электрический ток, но их сопротивление падает с ростом температуры. Чем она выше, тем больше энергии, которую получает вещество.

В атомах полупроводника электроны отрываются от «родительского» атома и улетают к другому, чтобы заполнить там «дырку», которую оставил такой же электрон. Получается, что внутри такого материала одновременно происходят два процесса: полет электронов (n-проводимость, от слова negative – отрицательный), и образование «дырок» (p-проводимость от слова positive – положительный). В обычном куске кремния эти процессы уравновешены: количество дырок равно количеству свободных электронов.

Однако с помощью специальных веществ можно нарушить это равновесие, добавив «лишние» электроны (вещества – доноры) или «лишние» «дырки» (вещества акцепторы). Таким образом можно получить кристалл полупроводника с преобладающей n-проводимостью, либо p-проводимостью.

Если два таких материала приложить друг к другу, то в месте их соприкосновения образуется так называемый p-n переход. Дырки и электроны проходят через него, насыщая соседа. То есть там, где был избыток дырок, идет их заполнение электронами и наоборот.

В какой-то момент в месте соприкосновения не останется свободных носителей заряда и наступит равновесие. Это своего рода барьер, который невозможно преодолеть, этакая пустыня. Этот слой принято называть обедненным слоем.

Теперь, если приложить к такому материалу напряжение, то оно поведет себя интересным образом: при прямой его направленности обедненный слой истончится и через него пойдет электроток, а при обратном – наоборот, расширится.

Как говорится, если для чайников, то p-n переход обладает способностью пропускать ток только в одном направлении. Это своего рода «обратный клапан» для электрической сети. На этом их свойстве основана работа всех полупроводниковых приборов.

Существует две основные разновидности транзисторов: полевые (иногда их называют униполярными) и биполярными. Различаются они по устройству и принципу действия.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор обладает двумя переходами: p-n-p или n-p-n. Принципиальное различие между ними – направление течения тока.

Коллектор и эмиттер, обладающие одинаковой проводимостью (в n-p-n транзисторе n-проводимостью), разделены базой, которая обладает p-проводимостью. Если даже эмиттер подключен к источнику питания, ему не пробиться напрямую в коллектор. Для этого необходимо подать ток на базу.

В таком случае электроны из эмиттера заполняют «дырки» последней. Но так как база слабо легирована, то и дырок в ней мало. Поэтому большая часть электронов переходит в коллектор и они начинают свое движение по цепи. Ток коллектора практически равен току эмиттера, ведь на базу приходится очень маленькое его значение.

Чтобы нагляднее себе это представить, можно воспользоваться аналогией с водопроводной трубой. Для управления количеством воды нужен вентиль (транзистор). Если приложить к нему небольшое усилие, он увеличит свое проходное сечение трубы и через него начнет проходить больше воды.

Полевой транзистор

Если в биполярном транзисторе управление происходило с помощью тока, то в полевом – с помощью напряжения. Состоит он из пластинки полупроводника, которую называют каналом. С одной стороны к ней подключен исток – через него в канал входят носители электрического тока, а с другой сток – через него они покидают канал.

Сам канал как бы «зажат» между затвором, который обладает обратной проводимостью, то есть если канал имеет n-проводимость, то затвор – p-проводимость. Затвор электрически отделен от канала. Изменяя напряжение на затворе, можно регулировать зону p-n перехода. Чем она больше, тем меньше электрической энергии проходит через канал. Существует значение напряжения, при котором затвор полностью перекроет канал и ток между истоком и стоком прекратится.

Наиболее наглядная иллюстрация в этом случае – садовый шланг, который проходит через камеру небольшого колеса. В таком случае, даже когда в него подается небольшое давление воздуха (напряжение затвор-исток), оно значительно увеличивается в размерах и начинает пережимать шланг, перекрывается просвет шланга и прекращается подача воды (увеличивается зона p-n перехода и через канал перестает идти электроток).

Описанный выше тип полупроводникового прибора является классическим и называется транзистором с управляющим p-n переходом. Часто можно встретить аббревиатуру JFET – Junction FET, что просто перевод русского названия на английский.

Другой тип полевого триода имеет небольшое различие в конструкции затвора. На слое кремния с помощью окисления образуется слой диэлектрика оксида кремния. Уже на него методом напыления металла наносят затвор. Получаются чередующиеся слои Металл -Диэлектрик – Полупроводник или МДП-затвор.

Такой полевой транзистор с изолированным затвором обозначается латинскими буквами MOSFET.

Существует два вида МДП-затвора:

1. МДП-затвор с индуцированным (или инверсным) каналом в обычном состоянии закрыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал не проходит. Для того, чтобы открыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.
2. МДП-затвор со встроенным (или собственным) каналом в обычном состоянии открыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал проходит. Для того, чтобы закрыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.

Основные характеристики

Основная особенностью всех видов транзисторов является способность управлять мощным током с помощью небольшого по силе. Их отношение показывает насколько эффективен полупроводниковый прибор.

В биполярных транзисторах этот показатель называется статическим коэффициентом передачи тока базы. Он характеризует, во сколько раз основной коллекторный ток больше вызвавшего его тока базы. Этот параметр имеет очень широкое значение и может достигать 800.

Хотя на первый взгляд кажется, что здесь важен принцип «чем больше, тем лучше», но в действительности это не так. Скорее, тут применимо изречение «лучше меньше, да лучше». В среднем биполярные транзисторы имеют коэффициент передачи тока базы в пределах 10 – 50.

Для полевых транзисторов схожий по типу параметр называется крутизной входной характеристики или проводимостью прямой передачи тока. Если вкратце, он показывает, на сколько изменится напряжение, проходящее через канал, если изменить напряжение затвора на 1 В.

Если на транзистор подать сигнал с определенной частотой, то он многократно усилит его. Это свойство полупроводниковых приборов применяется в радиоэлектронике. Однако существует предел усиления частоты, за которым триод уже не в состоянии усилить сигнал.

Поэтому оптимальным считается максимальная рабочая частота сигнала, в 10-20 раз ниже предельного усиления частоты транзистора.

Еще одной показательной характеристикой транзистора является максимальная допустимая рассеиваемая мощность. Дело в том, что при работе любого электрического прибора вырабатывается тепло. Оно тем больше, чем выше значения силы тока и напряжения в цепи.

Отводится оно несколькими способами: с помощью специальных радиаторов, принудительного обдува воздухом и другими. Таким образом, существует некий предел количества теплоты для любого триода (для каждого он разный), который он может рассеять в пространство. Поэтому при выборе прибора исходят из характеристик электрической цепи, на который предстоит установить транзистор.

Типы подключений

Основная задача транзистора – усиливать поступающий сигнал. Проблема в том, что у любого триода имеются только три контакта, в то время как сам усилитель имеет четыре полюса – два для входящего сигнала и два для выходящего, то есть усиленного. Выход из положения – использовать один из контактов транзистора дважды: и как вход, и как выход.

По этому принципу различают три вида подключения. Стоит отметить, что не имеет принципиальной разницы, какой тип прибора используется – полевой или биполярный.

1. Подключение с общим эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ). Эта схема подключения имеет наибольшие значения усиления мощности по току и напряжению. Однако из-за эффекта Миллера его частотные характеристики значительно хуже. Борются с этим негативным явлением несколькими способами: используют подключение с общей базой, применяют каскодное подключение двух транзисторов (подключённому по общему эмиттеру добавляется второй, подключенный по общей базе).
2. Подключение с общей базой (ОБ) или общим затвором (ОЗ). Здесь полностью исключено влияние эффекта Миллера. Однако за это приходиться платить: в этой схеме усиления тока практически не происходит, зато имеется широкий диапазон для изменения частоты сигнала.
3. Подключение с общим коллектором (ОК) или общим стоком (ОС). Такой тип подключения часто называют эмиттерным или истоковым повторителем. Это «золотая середина» между двумя предыдущими видами схем: частотные характеристики и мощность усиления по току и напряжению находятся где-то посередине между двумя первыми.

Все три описанных выше типа подключения применяются в зависимости от того, какие цели преследуют конструкторы.

Виды транзисторов

В первых транзисторах применялся германий, который работал не совсем стабильно. Со временем от него отказалось в пользу других материалов: кремния (самый распространённый) и арсенида галлия. Но все это традиционные полупроводники.

В настоящее время начинают набирать популярность триоды на основе органических материалов и даже веществ биологического происхождения: протеинов, пептидов, молекул хлорофилла и целых вирусов. Биотранзисторы используются в медицине и биотехнике.

Другие классификации транзисторов:

1. По мощности подразделяются на маломощные (до 0,1 Вт), средней мощности (от 0,1 до 1 Вт) и просто мощные (свыше 1 Вт).
2. Также разделяются по материалу корпуса (металл или пластмасса), типу исполнения (в корпусе, бескорпусные, в составе интегральных схем).
3. Нередко их объединяют друг с другом для улучшения характеристик. Такие транзисторы называются составными или комбинированными и могут состоять из двух и более полупроводниковых приборов. Строение и у них простое: эмиттер первого является базой для второго и так далее до необходимого количества триодов. Бывает нескольких типов: Дарлинга (все составляющие с одинаковым типом проводимости), Шиклаи (тип проводимости разный), каскодный усилитель (два прибора, работающие как один с подключением по схеме с общим эмиттером).
4. К составным относится также и IGBT-транзистор, представляющий собой биполярный, который управляется при помощи полярного триода с изолированным затвором. Такой тип полупроводниковых приборов применяется в основном там, где нужно управлять большим током (сварочные аппараты, городские электросети) или электромеханическими приводами (электротранспорт).
5. В качестве управления может применяться не ток, а другое электромагнитное воздействие. К примеру, в фототранзисторах в качестве базы используется чувствительный фотоэлемент, а в магнитотранзисторах – материал, индуцирующий ток при воздействии на него магнитного поля.

Технологический предел для транзисторов еще не достигнут. Их размеры уменьшаются с каждым голом, а различные научно-исследовательские институты ведут поиск новых материалов для использования в качестве полупроводника. Можно сказать, что эти полупроводниковые приборы еще не сказали миру своего последнего слова.

Что такое транзисторы. Обучающее видео

Смотрите также обзоры и статьи:

Привет!

В своих обучающих роликах мы уже прошли пассивные компоненты и немного затронули активную часть электроники. Прошлый выпуск был о диодах — советуем посмотреть, если вы еще не видели. А сегодняшний выпуск будет о короле всей микропроцессорной техники, совершившем революцию в приборостроении — транзисторе. Предлагаем присоединиться к изучению.

Транзистор — наверное, самый важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.

Работа транзистора похожа на работу водопроводного крана. Только вместо воды – электрический ток. Возможны три состояния транзистора – рабочее (транзистор открыт), состояние покоя (транзистор закрыт) и полуоткрытое состояние — в нем транзистор работает в усилительном режиме. Приоткрывая или призакрывая кран, мы регулируем мощность потока воды. Другими словами: это электронная кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения.

Бывают как большие, таки и очень маленькие транзисторы. Например, центральные процессоры компьютеров или телефонов внутри состоят из взаимодействующих между собой транзисторов размером с десяток нанометров. Популярный в мобильных устройствах процессор Snapdragon 835 скрывает в себе 3 миллиарда транзисторов размерами в 10 нм каждый! (для сравнения — размеры бактерий в среднем составляют 50-500 нм).

Существуют биполярные и полевые транзисторы. Разберем, в чем между ними разница.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы имеют три контакта:

• Коллектор — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
• База — через неё подаётся небольшой ток, чтобы разблокировать большой, то есть открыть «кран»
• Эмиттер — через него проходит ток с коллектора и базы, когда транзистор «открыт»

Чтобы транзистор пропускал через себя ток, ему на базу ПОСТОЯННО должен подаваться небольшой сигнал. Как только сигнал прекратится, транзистор закроется.

Основная характеристика биполярного транзистора — показатель усиления hfe, или gain. Он показывает, во сколько раз пропускаемый через транзистор ток может быть больше, чем маленький ток, идущий через базу.

Например, Если hfe = 100, и к базе проходит ток 1 мА, то транзистор пропустит через себя максимум в сто раз больший ток — 100 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент, который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас». Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только ограниченные 10 мА. На этом принципе можно сделать стабилизацию тока в схеме.

Также транзисторы имеют максимально допустимые напряжения и токи на контактах. Превышение этих величин грозит чрезмерным нагревом и разрушением транзистора.

NPN и PNP типы

Описанный ранее транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. То есть внутри транзистора получаются два P-N перехода, такие же, как в диодах. NPN-транзистор пропускает через себя ток, когда ему на базу подаются положительные заряды.

PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток свободно протекает, если базу подключить к минусу питания, то есть заземлить. Когда через базу идёт ток, сам транзистор закрывается.

На схемах такие транзисторы отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N.

P-N переход внутри транзистора — это диод, который обладает свойственным падением напряжения, около 0.5 Вольта. То есть после транзистора напряжение будет немного меньше, чем до него. Этого недостатка лишены полевые транзисторы.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (транзисторы с изолированным затвором).

Полевые транзисторы тоже обладают тремя контактами:

• Сток (drain) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
• Затвор (gate) — на него подаётся напряжение, чтобы разрешить течение тока; затвор заземляется, чтобы заблокировать ток.
• Исток (source) — через него проходит ток со стока, когда транзистор «открыт»

От биполярных транзисторов они отличаются двумя особенностями: управление «краном» осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов, не идёт.

Так происходит, потому что затвор вместе со стоком образует конденсатор. После того, как мы подали на затвор сигнал и конденсатор зарядился, ему больше не нужно постоянное поддержание сигнала. Если отключить сигнал и просто оставить такой полевой транзистор как есть, он может быть открытым сам по себе еще очень долгое время.

Полевым транзистор называется, потому что тот самый внутренний конденсатор создает электрическое поле, позволяющее электронам свободно проходить через непроводящую в обычном состоянии пластинку. Решающее значение здесь имеет, до какого напряжения зарядится конденсатор. Чем сильнее будет поле, тем легче электронам будет пройти по нему. Если же поле будет слишком слабым — электроны вообще не смогут пролететь через транзистор.

В этом минус полевого транзистора: необходимое напряжение для его открытия практически в десять раз больше, чем у биполярного. А плюс в том, что на пути электронов нет никакого перехода, поэтому отсутствует падение напряжения и можно добиться очень маленького сопротивления внутри транзистора. Это позволяет оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах.

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены. P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

IGBT

Существуют еще IGBT транзисторы — это совмещенные в одном корпусе маломощный полевой транзистор, и мощный биполярный. Такая конструкция сглаживает минусы обеих типов и используется в основном в промышленных установках для работы с очень большими мощностями.

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Одной из типичных задач транзистора является включение и выключение определённого компонента схемы. Например, мощные моторы или сверхъяркие лампочки могут потреблять десятки ампер и больше. При подключении таких нагрузок напрямую через маломощную кнопку, она быстро выйдет из строя. Но если использовать транзисторы, можно легко управлять любой нагрузкой.

Соберем на макетной плате самую простую схему с использованием транзистора в режиме ключа. Включим через него светодиодную ленту. Берем стандартный NPN-транзистор. К его второй ножке — базе — подключаем маломощную кнопку. На кнопку с плюса питания подадим сигнал через резистор, который будет ограничивать силу тока базы. Первую ножку транзистора — эмиттер — подсоединим к минусу, поскольку именно минус питания будет пропускаться через транзистор. Третья ножка транзистора — коллектор — подключится к минусовому контакту светодиодной ленты.

Два контакта вставляем в линию питания, на них мы подадим 12 В с лабораторного блока. К светодиодной ленте плюс питания подключаем напрямую, а минус берем с выхода транзистора.

Готово. При нажатии на кнопку транзистор открывается и лента светится. При отпускании — лента гаснет. Таким способом через маленькую кнопку можно включить даже очень мощные устройства, главное подобрать нужный по характеристикам транзистор.

Если вам пришла в голову ошеломительная идея, как улучшить какое-то свое устройство – пожалуйста, у нас в магазине вы можете подобрать множество транзисторов под свою задачу! Все компоненты, которые мы использовали, можно купить в магазине.

Поделиться в соцсетях

его виды, назначение и принципы работы

Что такое транзистор? Наверняка каждый человек хотя бы раз в жизни слышал это слово. Однако далеко не каждый знаком с его значением, а тем более с устройством и назначением транзистора. Это понятие подробно изучают студенты технических ВУЗов. При этом довольно часто технические знания пригождаются в жизни людям, не имеющим ничего общего с инженерной деятельностью. В этой статье мы рассмотрим в каких областях они применяются.

Принцип работы прибора

Транзистор — полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрического сигнала. Благодаря особому строению кристаллических решёток и полупроводниковым свойствам, этот прибор способен увеличивать амплитуду протекающего тока.

Полупроводники — вещества, которые способны проводить ток, а также препятствовать его прохождению. Самыми яркими их представителями являются кремний и германий. Существует два вида полупроводников:

1. Электронные.
2. Дырочные.

В полупроводниках электрический ток возникает из-за недостатка или переизбытка свободных электронов. Например, кристаллическая решётка атома состоит из трёх электронов. Однако если ввести в это вещество атом, состоящий из четырёх электронов, один будет лишним. Он является свободным электроном. Соответственно, чем больше таких электронов, тем ближе это вещество по своим свойствам к металлу. А значит, и проводимость тока больше. Такие полупроводники называются электронными.

Теперь поговорим о дырочных. Для их создания в вещество вводятся атомы другого вещества, кристаллическая решётка которого содержит больше атомов. Соответственно, в нашем полупроводнике становится меньше электронов. Образуются вакантные места для электронов. Валентные связи будут разрушаться, так как электроны будут стремиться занять эти вакантные места. Далее, мы будем называть их дырками.

Электроны постоянно стремятся занять дырку и, начиная движение, образуют новую дырку. Таким поведением обладают абсолютно все электроны. В полупроводнике происходит их движение, а значит, начинает проводиться ток. Такие полупроводники называются дырочными.

Таким образом, вводя недостаток или избыток электронов в кремний или германий, мы способствуем их движению. Получается ток. Транзисторы состоят из соединений этих полупроводников по определённому принципу. С их помощью можно управлять протекающими токами и другими параметрами электрических сигналов.

Виды транзисторов

Существует несколько видов транзисторов. Их около четырёх. Однако основные из них это:

• Полевые.
• Биполярные.

Остальные виды собираются из полевых и биполярных. Рассмотрим более подробно каждый вид.

Полевые

Суть этого прибора заключается в управлении параметрами электрического сигнала с помощью электрического поля. Оно появляется при подаче напряжения к какому-либо из выводов:

1. Затвор нужен для регулирования параметров сигнала, благодаря подаче напряжения на него.
2. Сток — вывод, через который из канала уходят носители заряда (дырки и электроны).
3. Исток — вывод, через который в канал приходят электроны и дырки.

Такой транзистор состоит из полупроводника с определённой проводимостью и двух областей, помещённых в него с противоположной проводимостью. При подаче напряжения на затвор между этими двумя областями появляется пространство, через которое протекает ток. Это пространство называется каналом. Ширина этого канала регулируется напряжением, которое мы подаём на затвор. Соответственно, можно увеличивать и уменьшать ширину канала и управлять протекающим током.

Теперь поговорим о приборе с изолированным затвором. Разница в том, что в первом случае этот переход есть всегда, даже когда на затвор не подавалось напряжение. А при его подаче, переход и токопроводящий канал менялись в зависимости от полярности и амплитуды напряжения. Металлический затвор в таких транзисторах изолирован диэлектриком от полупроводниковой области. Их входное сопротивление гораздо больше.

Существует два вида приборов с изолированным затвором:

• Со встроенным каналом.
• С индуцированным каналом.

Встроенный канал позволяет протекать электрическому току с определённой амплитудой. При подаче напряжения с определённой амплитудой и полярностью мы можем менять ширину канала и его проводимость. Этот канал встраивается в транзисторы на производственных предприятиях.

Индуцированный канал появляется между двумя областями, о которых мы говорили выше, только при подаче напряжения определённой полярности на затвор. То есть, когда на затвор напряжение не подаётся, ток в нем не протекает.

Все виды полевых транзисторов отличаются друг от друга по следующим параметрам:

1. Входное сопротивление.
2. Амплитуда напряжения, которое необходимо подать на затвор.
3. Полярность.

Каждый из этих видов полевых транзисторов необходим для сборки определённых электрических и логических схем. Так как для реализации двух разных устройств необходимо разные электрические параметры.

Биполярные

Слово «биполярные» означает две полярности. То есть, такие приборы имеют две полярности, благодаря особенностям своего строения. Особенность их строения заключается в том, что они состоят из трёх полупроводниковых областей. Типы проводимости бывают следующими:

1. Электронная, далее n.
2. Дырочная, далее p.

Соответственно, можно сделать вывод, что существует два вида биполярных транзисторов:

Разница между ними заключается в том, что для корректной работы необходимо подавать напряжение разной полярности. К каждой из трёх полупроводниковых областей подключено по одному выводу. Всего их три:

1. База — центральный слой. Он является самым тонким. На выводе базы находится управляющий ток с небольшой амплитудой.
2. Коллектор — один из крайних слоёв. Он является самым широким. На него подаётся ток с большой амплитудой.
3. Эмиттер — вывод, на который подаётся ток с коллектора. На его выходе амплитуда тока немного больше, чем на входе.

Существует три схемы подключения биполярных транзисторов:

1. С общим эмиттером — входной сигнал подаётся на базу, а выходной снимается с коллектора.
2. С общим коллектором — входной сигнал подаётся на базу, а снимается с эмиттера.
3. С общей базой — входной сигнал подаётся на эмиттер, а снимается с коллектора.

Благодаря нескольким электронно-дырочным переходам, образующимся в биполярном транзисторе, можно управлять параметрами электрического сигнала. Полярность и амплитуда подаваемого напряжения зависят от типа биполярного транзистора.

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.

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!

Что такое транзисторы и как они работают

Рубрика: Статьи про радиодетали Опубликовано 09.06.2020   ·   Комментарии: 0   ·   На чтение: 7 мин   ·   Просмотры:

Post Views: 293

Транзисторы – это основа всей цифровой электроники 21 века. Они выполняют самые разнообразные функции. Это правопреемники и наследники радиоламп, так называемых вакуумных триодов. В этой статье мы на простом примере рассмотрим концепцию, принцип работы и применение транзисторов в электронике.

Концепция транзисторов

Что такое концепция? Это общее представление об объекте или процессе. Например, концепция автомобиля – это четыре колеса, руль, корпус, двигатель и коробка передач. Концепция одна, а выпускаются автомобили с разной конструкцией, устройством и предназначением.

У транзисторов, как и у вакуумных триодов, очень простая концепция и принцип работы.

Триод – это та деталь, у которой три контакта.

Давайте представим бак с водой, в центре которого установлена задвижка.

Что мы можем сделать с потоком воды? Мы можем управлять им за счет задвижки.

Например, если в баке течет вода, и задвижки нет в нем, то вода проходит без препятствия.

В тоже время, если мы полностью перекроем путь задвижкой, то и вода не будет поступать во вторую условную часть бака и поток прекратится.

А еще мы можем полностью управлять потоком воды при помощи регулировки задвижки.

Получается, что при помощи небольшой задвижки можно контролировать огромный поток воды.
Небольшие колебания (перемещения) задвижки позволяют с такой же частотой пропускать большой поток воды.

И именно в этом суть транзисторов и вакуумных триодов. С их помощью можно управлять электрическим током больших значений применяя небольшие усилия.

Но в тоже время транзисторы могут быть по разному устроены.

Полевые транзисторы

Описанный выше пример – это полевой транзистор. У самого простого полевого транзистора есть сток, исток и затвор.

Транзисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов. Поэтому, у них есть второе название — полупроводниковые триоды.

При помощи полупроводников можно изготовить p-n переход.

Любой транзистор состоит из p-n переходов, которые пропускают электрический ток в одном направлении. И этот переход позволят управлять электрическим током как задвижкой.

Полевые транзисторы управляются при помощи напряжения, которое подается на затвор.

Так выглядит состав полевого транзистора с каналом p – типа.

А вот так с n – типом.

Канал транзистора – это область между истоком и стоком.

Почему транзисторы бывают разными по проводимости? Транзистор с n типом управляется при помощи положительного потенциала, а с p типом наоборот, отрицательным потенциалом. Это позволяет усиливать сигналы с разными потенциалами.

Затворов у полевых транзисторов на самом деле два, но их выводы объединены в один, так как функция у них одинакова. Зачем нужно два затвора? Так транзистором проще управлять.

Подавая напряжение на затвор, мы можем регулировать электрический ток проходящий от истока к стоку.

А самое главное не это. Самое главное, что мы можем таким образом не просто включить или выключить электрический ток по цепи, но и управлять его движением.

Например, можно подать на затвор полевого транзистора переменный сигнал 5 мкВ. И он будет модулировать электрический ток, который проходит через исток и сток транзистора. Так можно получить усиленный сигнал.

Также полевые транзисторы имеют разные схемы включения, которые позволяют согласовывать сопротивления и регулировать усилительные функции.

Обозначение (УГО) полевого транзистора с каналом n типа на принципиальных схемах:

Биполярные транзисторы

Это другой тип транзисторов. Такие транзисторы управляются при помощи электрического тока. И они состоят из чередующихся p-n переходов.

Как и у полевого транзистора, у биполярного тоже три контакта. Это эмиттер, база и коллектор. База всегда по типу противоположна эмиттеру и коллектору.

А также размеры базы транзистора намного меньше, чем у коллектора или эмиттера. База только открывает транзистор. И так как через нее протекает ток, она не должна быть большой, чтобы на нее не тратилось много энергии.

Эмиттер — это большой источник основных носителей заряда. А коллектор — это самый большой контакт из этой троицы. С коллектора снимается усиленный сигнал в классической схеме, чтобы получить максимальную мощность. В транзисторах большой мощности коллектор припаян напрямую к корпусу, чтобы рассеивать тепло.

Бывают биполярные транзисторы n-p-n типа.

и p-n-p типа.

Обозначение (УГО) биполярного n-p-n транзистора на принципиальных схемах:

Отличие биполярных транзисторов от полевых

Полевые транзисторы управляются при помощи электрического поля и благодаря этому они очень энергоэффективны. Именно по этой причине они используются при производстве процессоров.

С другой стороны, у полевых транзисторов есть слабое место. Это их тонкий p-n переход. Он очень чувствителен к статическому электричеству. Кстати, именно из-за статического электричества перестают работать флешки и карты памяти, если вы их вытащили из устройства во время работы.

Схемы защиты от статического электричества не успевают сработать, и статика разрушает полевые транзисторы.

А вот биполярные транзисторы наоборот, лучше переносят статику. Но в тоже время, они потребляют больше мощности, так как для их открытия нужен электрический ток.

Схемы включения

Так как у транзисторов три контакта, то можно чередовать вход и выход. Что это даст? У каждого контакта свои особенности. Например, если мы подадим сигнал на базу и эмиттер биполярного транзистора, а снимать итоговый сигнал будем с эмиттера и коллектора, то такая схема будет называются с общим эмиттером.

Этот тип включения позволяет передать максимум мощности в нагрузку.

Прочитать подробнее про работу схемы с общим эмиттером можно в этой статье.

Аналогичным образом можно подключить схему с общим коллектором и с общей базой. По сути, общий контакт — это такой контакт, который работает и на входе и на выходе одновременно с разными контактами.

Все тоже самое справедливо и для полевых транзисторов. Есть схемы с общим стоком, истоком и затвором.

Другие типы транзисторов

А еще бывают однопереходные, комплементарные и КМОП, МДП (MOSFET) и множество других транзисторов. Они разные по своим характеристикам, выполняют разные задачи и предназначены для конкретных целей. Но в целом, принцип работы у всех одинаков. Это управление электрическим током.

Характеристики

Так как полупроводниковые триоды (транзисторы) выполнены из полупроводника, то и на их работу влияет окружающая среда. Например, при изменении температуры окружающей среды, транзистор может вносить нелинейные искажения в выходной сигнал. С этим борются при помощи термпостабидизционных схем, которые позволяют стабилизировать работу транзистора на высоких температурах.

Также у транзисторов есть ВАХ (вольт-амперные характеристики), которые в отличие от вакуумной техники, быстро переходят в насыщение.

У всех транзисторов есть следующие параметры:

• Коэффициент усиления по току;
• Коэффициент усиления по напряжению;
• Коэффициент усиления по току;
• Коэффициент обратной связи;
• Коэффициент передачи по току;
• Входное сопротивление;
• Выходное сопротивление;
• Время включения;
• Максимально допустимый ток и др.

У биполярных:

• Обратный ток коллектор-эмиттер;
• Частота коэффициента передачи тока базы;
• Обратный ток коллектора;
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером и др.

Режимы работы

В целом, можно выделить несколько режимов работы:

• Номинальный режим;
• Инверсный;
• Насыщения;
• Отсечка;
• Барьерный.

Функции транзисторов

Транзисторы выполняют следующие функции:

1. Позволяют усиливать электрические сигналы. Транзисторы усиливают любые электрические сигналы, как высокие так и низкие частоты.
2. Могут работать как ключ, включать и выключать поступление электрического тока. Благодаря этому простому включению и выключению работают все современные процессоры. Транзисторы – это основа всей современной цифровой техники.
3. Генерируют электрические сигналы за счет положительной обратной связи. На их основе можно сделать генераторы звука и сигналов.
4. Могут согласовывать сопротивления электрических цепях за счет различных схем включения и работают как ограничители тока. В блоках питания транзисторы могут ограничивать ток короткого замыкания, а также работать как предохранитель.

Чем транзисторы уступают лампам

Несмотря на неоспоримые преимущества транзисторов перед лампами, ламповые триоды по прежнему имеют ряд преимуществ., среди которых:

• Устойчивость к высоким электромагнитным наводкам и помехам. Это не значит, что полупроводниковая техника может выйти из строя от любых помех. Но если случится сильнейшая магнитная буря от Солнца (или мощный ЭМИ удар от ядерных бомб), то все p-n переходы в полупроводниковой технике могут выйти из строя из-за высоких токов наводки. Вакуумная техниках намного устойчивее к таким помехам.
• Ламповая техника намного лучше и стабильнее работает на высоких частотах. И это уже особенности конструкции. Так как в транзисторах есть p-n переходы, то у них тоже есть своя емкость. А паразитная емкость на высоких частотах негативно влияет на усиление сигнала. Появляются нелинейные искажения. А в вакуумной технике есть такие лампы, у которых по несколько экранирующих сеток, которые позволяют снизить эффект паразитных емкостей. Пример радиолампы — это клистрон.

Нельзя прямо сказать, что транзисторы полностью искоренили лампы. У каждой детали есть свои преимущества и недостатки в разных областях. Конечно, в цифровой технике транзисторам нет ровни среди ламп. Однако на сверхвысоких частотах транзисторы по-прежнему уступают лампам.

Post Views: 293

Как это устроено: транзисторы

Про­цес­со­ры в ком­пью­те­рах, теле­фо­нах и любой элек­тро­ни­ке состо­ят из тран­зи­сто­ров. В про­цес­со­ре Apple A13 Bionic, кото­рый сто­ит внут­ри один­на­дца­то­го айфо­на, 8,5 мил­ли­ар­да тран­зи­сто­ров, а в Core i7 4790, кото­рый сто­ял внут­ри мно­гих настоль­ных ком­пью­те­ров в 2014 году, — в 6 раз меньше.

Имен­но тран­зи­сто­ры выпол­ня­ют всю ком­пью­тер­ную рабо­ту: счи­та­ют, запус­ка­ют про­грам­мы, управ­ля­ют дат­чи­ка­ми и отве­ча­ют за рабо­ту устрой­ства в целом.

При этом сам тран­зи­стор — про­стей­ший при­бор, кото­рый по сути похож на кран или элек­три­че­ские воро­та. Через тран­зи­стор идёт какой-то один ток, а дру­гим током этот поток мож­но либо про­пу­стить, либо забло­ки­ро­вать. И всё.

Вот при­мер­ная схе­ма. В жиз­ни нож­ки тран­зи­сто­ра могут быть рас­по­ло­же­ны не так, как на схе­ме, но для нагляд­но­сти нам надо имен­но так:

Ток пыта­ет­ся прой­ти сквозь тран­зи­стор, но тран­зи­стор «закрыт»: на его управ­ля­ю­щую ногу не подан дру­гой ток.

А теперь мы пода­ли на управ­ля­ю­щую ногу немно­го тока, и теперь тран­зи­стор «открыл­ся» и про­пус­ка­ет через себя основ­ной ток.

Из мил­ли­ар­дов таких про­стей­ших кра­нов и состо­ит любая совре­мен­ная вычис­ли­тель­ная маши­на: от чай­ни­ка с элек­трон­ным управ­ле­ни­ем до супер­ком­пью­те­ра в под­ва­лах Пен­та­го­на. И до чипа в вашем смартфоне.

В сере­дине XX века тран­зи­сто­ры были боль­ши­ми: сот­ней тран­зи­сто­ров мож­но было набить кар­ман, их про­да­ва­ли в радио­тех­ни­че­ских мага­зи­нах, у них были проч­ные кор­пу­са и метал­ли­че­ские нож­ки, кото­рые нуж­но было паять на пла­те. Такие тран­зи­сто­ры до сих пор про­да­ют­ся и про­из­во­дят­ся, но в мик­ро­элек­тро­ни­ке они не исполь­зу­ют­ся — слиш­ком большие.

Это один из вари­ан­тов испол­не­ния тран­зи­сто­ра: пла­сти­ко­вый кор­пус и три ноги для соеди­не­ния с платой. 

Совре­мен­ный тран­зи­стор умень­шен в мил­ли­о­ны раз, у него нет кор­пу­са, а про­цесс его мон­та­жа мож­но срав­нить ско­рее с про­цес­сом лазер­ной печа­ти. Тран­зи­сто­ры раз­ме­ром несколь­ко нано­мет­ров в бук­валь­ном смыс­ле печа­та­ют поверх пла­стин, из кото­рых потом полу­ча­ют­ся наши про­цес­со­ры и память. Такие пла­сти­ны назы­ва­ют ваф­ля­ми, и если смот­реть на них без мик­ро­ско­па, это будут про­сто такие радуж­ные поверх­но­сти. Радуж­ные они пото­му, что состо­ят из мил­ли­ар­дов малень­ких выемок — тран­зи­сто­ров, рези­сто­ров и про­чих микрокомпонентов:

Ваф­ля из мил­ли­ар­дов тран­зи­сто­ров. Если её раз­ре­зать в пра­виль­ных местах, полу­чат­ся наши микропроцессоры. 

Что внутри транзистора

Если бы мы мог­ли раз­ре­зать один тран­зи­стор в мик­ро­про­цес­со­ре, мы бы уви­де­ли что-то вро­де этого:

Сле­ва — про­вод­ник, по кото­ро­му бежит ток, спра­ва — про­сто про­вод­ник, пока без тока. Меж­ду ними нахо­дит­ся про­во­дя­щий канал — те самые «воро­та». Когда воро­та откры­ты, ток из лево­го про­вод­ни­ка посту­па­ет в пра­вый. Когда закры­ты — пра­вый оста­ёт­ся без тока. Что­бы воро­та откры­лись, на них нуж­но подать ток откуда-то ещё. Если тока нет, то воро­та закрыты.

Теперь, если гра­мот­но посо­еди­нять тыся­чу тран­зи­сто­ров, мы полу­чим про­стей­шую вычис­ли­тель­ную маши­ну. А если посо­еди­нять мил­ли­ард тран­зи­сто­ров, полу­чим ваш процессор.

Почему все так полюбили транзисторы

До тран­зи­сто­ров у учё­ных уже было некое подо­бие вычис­ли­тель­ных машин. Напри­мер, счё­ты: там опе­ра­тор управ­лял пере­ме­ще­ни­ем бусин в реги­страх и скла­ды­вал таким обра­зом чис­ла. Но опе­ра­тор мед­лен­ный и может оши­бать­ся, поэто­му систе­ма была несовершенной.

Были меха­ни­че­ские счёт­ные маши­ны, кото­рые уме­ли скла­ды­вать и умно­жать чис­ла за счёт слож­ных шестер­ней, бочон­ков и пру­жин, — напри­мер, ариф­мо­метр. Они рабо­та­ли мед­лен­но и были слиш­ком доро­ги­ми для масштабирования.

Были вычис­ли­тель­ные маши­ны на базе меха­ни­че­ских пере­клю­ча­те­лей — реле. Они были очень боль­ши­ми — те самые «залы, напол­нен­ные одним ком­пью­те­ром». Их мог­ли застать наши роди­те­ли, бабуш­ки и дедушки.

Поз­же при­ду­ма­ли элек­трон­ные лам­пы: там управ­лять током уже мож­но было с помо­щью дру­го­го тока. Но лам­пы пере­гре­ва­лись, лома­лись, на них мог при­ле­теть мотылёк.

И толь­ко в кон­це соро­ко­вых учё­ные изоб­ре­ли твер­до­тель­ные тран­зи­сто­ры: вся кух­ня с вклю­че­ни­ем и выклю­че­ни­ем тока про­хо­ди­ла внут­ри чего-то твёр­до­го, устой­чи­во­го и без­опас­но­го, не при­вле­ка­ю­ще­го вни­ма­ния мотыль­ков. За осно­ву взя­ли гер­ма­ний и крем­ний и ста­ли раз­ви­вать эту технологию.

Кайф твер­до­тель­ных тран­зи­сто­ров в том, что вза­и­мо­дей­ствия там про­ис­хо­дят на ско­ро­стях, близ­ких к ско­ро­сти све­та. Чем мень­ше сам тран­зи­стор, тем быст­рее по нему про­бе­га­ют элек­тро­ны, тем мень­ше вре­ме­ни нуж­но на вычис­ле­ния. Ну и сло­мать твер­до­тель­ный тран­зи­стор в хоро­шем проч­ном кор­пу­се намно­го слож­нее, чем хруп­кую стек­лян­ную лам­пу или меха­ни­че­ское реле.

Как считают транзисторы

Тран­зи­сто­ры соеди­не­ны таким хит­рым обра­зом, что, когда на них пода­ёт­ся ток в нуж­ных местах, они выда­ют ток в дру­гих нуж­ных местах. И всё вме­сте про­из­во­дит впе­чат­ле­ние полез­ной для чело­ве­ка мате­ма­ти­че­ской операции.

Пока что не будем думать, как имен­но соеди­не­ны тран­зи­сто­ры. Про­сто посмот­рим на принцип.

Допу­стим, нам надо сло­жить чис­ла 4 и 7. Нам, людям, оче­вид­но, что резуль­тат будет 11. Зако­ди­ру­ем эти три чис­ла в дво­ич­ной системе:

Деся­тич­ная	Дво­ич­ная
4	0100
7	0111
11	1011

Теперь пред­ста­вим, что мы собра­ли некую маши­ну, кото­рая полу­чи­ла точ­но такой же резуль­тат: мы с одной сто­ро­ны пода­ли ей ток на вхо­ды, кото­рые соот­вет­ству­ют пер­во­му сла­га­е­мо­му; с дру­гой сто­ро­ны — пода­ли ток на вхо­ды вто­ро­го сла­га­е­мо­го; а на выхо­де под­све­ти­лись выхо­ды, кото­рые соот­вет­ство­ва­ли сумме.

Смот­ри­те, что тут про­ис­хо­дит: есть восемь вхо­дов и четы­ре выхо­да. На вхо­ды пода­ет­ся элек­три­че­ство. Это про­сто элек­три­че­ство, оно не зна­ет, что оно обо­зна­ча­ет чис­ла. Но мы, люди, зна­ем, что мы в этом элек­три­че­стве зашиф­ро­ва­ли числа.

Так же на выхо­де: элек­три­че­ство при­шло на какие-то кон­так­ты. Мы как-то на них посмот­ре­ли и уви­де­ли, что эти кон­так­ты соот­вет­ству­ют какому-то чис­лу. Мы дела­ем вывод, что эта про­стей­шая маши­на сло­жи­ла два чис­ла. Хотя на самом деле она про­сто хит­рым обра­зом пере­ме­ша­ла электричество.

Вот про­стей­ший при­мер ком­пью­те­ра, собран­но­го на тран­зи­сто­рах. Он скла­ды­ва­ет два чис­ла от 0 до 15 и состо­ит толь­ко из тран­зи­сто­ров, рези­сто­ров (что­бы не спа­лить) и вся­ких вспо­мо­га­тель­ных дета­лей типа бата­рей­ки, выклю­ча­те­лей и лам­по­чек. Мож­но сра­зу посмот­реть кон­цов­ку, как он работает:

Вот ров­но это, толь­ко в мил­ли­ард раз слож­нее, и про­ис­хо­дит в наших компьютерах.

Что мы зна­ем на этом этапе:

1. Тран­зи­сто­ры — это про­сто «кра­ны» для электричества.
2. Если их хит­рым обра­зом соеди­нить, то они будут сме­ши­вать элек­три­че­ство полез­ным для чело­ве­ка образом.
3. Все ком­пью­тер­ные вычис­ле­ния осно­ва­ны на том, что­бы пра­виль­но соеди­нить и очень плот­но упа­ко­вать транзисторы.

В сле­ду­ю­щей части раз­бе­рем, как имен­но соеди­не­ны эти тран­зи­сто­ры и что им поз­во­ля­ет так инте­рес­но всё считать.

Как работают транзисторы? — Объясни, что это за штука

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 21 сентября 2020 г.

Ваш мозг содержит около 100 миллиардов клеток, называемых нейронами, — крошечных переключателей, которые позволяют вам думать и запоминать вещи. Компьютеры содержат миллиарды миниатюрных «клеток мозга». Их называют транзисторами и они сделаны из кремния, химического элемента, обычно встречающегося в песке. Транзисторы произвели революцию в электронике с момента их появления изобретен более полувека назад Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильям Шокли.Но что это такое и как они работают?

Фото: Насекомое с тремя ногами? Нет, типичный транзистор на электронной плате. Хотя простые схемы содержат отдельные транзисторы, подобные этой, сложные схемы внутри компьютеров также содержат микрочипы, каждый из которых может иметь тысячи, миллионы или сотни миллионов транзисторов, упакованных внутри. (Технически, если вас интересуют более интересные элементы, это кремниевый транзистор усилителя PNP 5401B. Я объясню, что все это означает сейчас.)

Что на самом деле делает транзистор?

Фото: Компактные слуховые аппараты были одними из первых применений транзисторов, а этот датируется концом 1950-х или 1960-х годов. Он был размером с колоду игральных карт, поэтому его можно было носить в кармане пиджака или на нем. С другой стороны корпуса есть микрофон, который улавливает окружающие звуки. Вы можете ясно видеть четыре маленьких черных транзистора внутри, усиливающих эти звуки, а затем выстреливающих их в маленький громкоговоритель, который находится у вас в ухе.

Транзистор действительно прост — и действительно сложен. Давайте начнем с простая часть. Транзистор — это миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две разные работы. Может работать как усилитель или как переключатель:

• Когда работает как усилитель, нужно в крошечном электрическом токе на одном конце ( входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной ток) на другом. Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это входит действительно полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, одна из первых вещей люди использовали транзисторы для.В слуховом аппарате есть крошечный микрофон. который улавливает звуки из окружающего вас мира и превращает их в колеблющиеся электрические токи. Они подаются на транзистор, который усиливает их и приводит в действие крошечный громкоговоритель, так что вы слышите гораздо более громкую версию окружающих вас звуков. Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более подробном виде. юмористический способ: «Если взять тюк сена и привязать его к хвост мула, а затем чиркнуть спичкой и поджечь тюк сена, и если вы затем сравните энергию, израсходованную вскоре после этого, мул с энергией, затраченной вами на зажигание спички, вы поймете концепцию усиления.«
Транзисторы
• также могут работать как переключатели. А крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может значительно увеличить ток течет через другую его часть. Другими словами, маленький ток переключается на больший. По сути, так работают все компьютерные микросхемы. Для например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых можно включать или выключать индивидуально. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух различных состояниях, он может хранить два разных числа, ноль и единицу.С миллиардами транзисторов микросхема может хранить миллиарды нулей и единиц, и почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.

Самое замечательное в машинах старого образца было то, что вы могли их отдельно, чтобы понять, как они работают. Это никогда не было слишком сложно, с немного толкать и тыкать, чтобы узнать, какой бит сделал что и как один вещь привела к другому. Но электроника совсем другая. Это все об использовании электронов для управления электричеством.Электрон — это минута частица внутри атома. Он такой маленький, весит чуть меньше 0.000000000000000000000000000001 кг! Самые современные транзисторы работают контролируя движения отдельных электронов, чтобы вы могли представьте, насколько они маленькие. В современном компьютерном чипе размер ноготь, вы, вероятно, найдете от 500 миллионов и два миллиарда отдельных транзисторов. Нет шанса разобрать транзистор, чтобы узнать, как он работает, поэтому мы должны понять это с помощью теории и воображения.Во-первых, это помогает, если мы знаем, из чего сделан транзистор.

Как делается транзистор?

Фото: Кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Транзисторы изготовлены из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит электричество (оно не позволяет электронам легко проходить через него). Кремний — это полупроводник, а это значит, что он ни на самом деле проводник (что-то вроде металла, пропускающий электричество), ни изолятор (что-то вроде пластика, не пропускающего электричество).Если мы обрабатываем кремний примесями (процесс, известный как легирование), мы можем заставить его вести себя по-другому способ. Если мы добавим в кремний химические элементы мышьяк, фосфор, или сурьмы, кремний получает дополнительные «свободные» электроны — те, которые может проводить электрический ток, поэтому электроны будут вытекать об этом более естественно. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, кремний обработанный таким образом, называется n-типом (отрицательный тип). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор, галлий и алюминий.Кремний, обработанный таким образом, имеет меньше «свободные» электроны, поэтому электроны в соседних материалах будут стремиться втекать в него. Мы называем этот кремний p-типом (положительным типом).

Вкратце, мимоходом, важно отметить, что ни кремний n-типа, ни p-типа на самом деле не имеет заряда сам по себе : оба электрически нейтральны. Это правда, что кремний n-типа имеет дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как кремний p-типа имеет меньше этих свободных электронов, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом.В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) атомов примесей к кремнию, что изначально было нейтральным — и мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Для более подробного объяснения мне потребуется представить идею под названием ленточная теория, что немного выходит за рамки данной статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «лишние электроны» означают лишние свободных электронов — те, которые могут свободно перемещаться и помогать переносить электрический ток.

Кремниевые бутерброды

Теперь у нас есть два разных типа кремния. Если мы сложим их вместе слоями, делая бутерброды из материала p-типа и n-типа, мы можем сделать различные виды электронных компонентов, которые работают во всех видах способами.

Предположим, мы присоединяем кусок кремния n-типа к куску p-типа. кремний и поместите электрические контакты с обеих сторон. Увлекательно и полезно вещи начинают происходить на стыке двух материалы. Если мы обратимся от тока, мы можем заставить электроны течь через переход от сторона n-типа к стороне p-типа и наружу через цепь.Этот происходит из-за отсутствия электронов на стороне p-типа переход притягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но если мы меняем направление тока, электроны вообще не текут. Что мы сделанное здесь называется диодом (или выпрямителем). Это электронный компонент, который позволяет току течь через него только в одном направлении. Это полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в постоянный (односторонний) ток. Диоды тоже можно сделать так, чтобы они испускали светится, когда через них проходит электричество.Вы могли видеть эти светодиоды на карманных калькуляторах и электронных дисплеи на стереооборудовании Hi-Fi.

Как работает переходной транзистор

Фотография: Типичный кремниевый PNP-транзистор (A1048, разработанный как усилитель звуковой частоты).

Теперь предположим, что мы используем три слоя кремния в нашем сэндвиче вместо из двух. Мы можем сделать бутерброд p-n-p (с ломтиком n-типа кремний в качестве заполнения между двумя пластинами p-типа) или n-p-n сэндвич (с p-типом между двумя плитами n-типа).Если мы присоединить электрические контакты ко всем трем слоям сэндвича, мы можем сделать компонент, который будет либо усиливать ток, либо включать его, либо выключен — другими словами, транзистор. Посмотрим, как это работает в случае n-p-n транзистор.

Итак, мы знаем, о чем говорим, давайте дадим имена трем электрические контакты. Мы назовем два контакта, соединенных с двумя кусочки кремния n-типа эмиттер и коллектор, и контакт соединенный с кремнием p-типа, который мы будем называть базой.Когда нет ток протекает в транзисторе, мы знаем, что кремний p-типа не хватает электроны (показаны здесь маленькими знаками плюс, обозначающими положительные зарядов) и два куска кремния n-типа имеют лишние электроны (показаны маленькими знаками минус, обозначающими отрицательные заряды).

Другой способ взглянуть на это — сказать, что в то время как n-тип имеет избыток электронов, p-тип имеет дырки, где электроны должно быть. Обычно отверстия в основании действуют как барьер, предотвращающий любые значительный ток от эмиттера к коллектору при транзистор находится в выключенном состоянии.

Транзистор работает, когда электроны и дырки начинают двигаться через два перехода между кремнием n-типа и p-типа.

Давай подключить транзистор к некоторой мощности. Допустим, мы прикрепляем небольшой положительное напряжение на базу, сделать эмиттер отрицательно заряженным и сделать коллектор положительно заряженным. Электроны вытягиваются из эмиттер в базу, а затем из базы в коллектор. А также транзистор переходит в состояние «включено»:

Малый ток, который мы включаем на базе, создает большой ток. поток между эмиттером и коллектором.Повернув небольшой вход ток в большой выходной ток, транзистор действует как усилитель. Но в то же время он действует как переключатель. Когда нет тока база, ток между коллектором и эмиттер. Включите базовый ток, и течет большой ток. Итак, база ток включает и выключает весь транзистор. Технически это тип транзистора называется биполярным, потому что два разных вида (или «полярностей») электрического заряда (отрицательные электроны и положительные отверстия) участвуют в протекании тока.

Мы также можем понять транзистор, представив его как пару диодов. С база положительная, а эмиттер отрицательная, переход база-эмиттер похож на прямое смещение диод, с электронами, движущимися в одном направлении через переход (слева направо в диаграмму) и отверстия, идущие в противоположную сторону (справа налево). База-коллектор переход похож на диод с обратным смещением. Положительное напряжение коллектора тянет большая часть электронов проходит через внешнюю цепь (хотя некоторые электроны рекомбинируют с дырками в основании).

Как работает полевой транзистор (FET)

Все транзисторы работают, управляя движением электронов, но не все из них делают это одинаково. Подобно переходному транзистору, полевой транзистор (полевой транзистор) имеет три разных вывода, но они иметь названия источник (аналог эмиттера), сток (аналогично коллектор), и затвор (аналог цоколя). В полевом транзисторе слои Кремний n-типа и p-типа устроен несколько иначе и покрытый слоями металла и оксида.Это дает нам устройство под названием MOSFET (Металлооксидное полупроводниковое поле) Эффектный транзистор).

Хотя в истоке и стоке n-типа есть лишние электроны, они не могут перетекать от одного к другому из-за дыр в ворота p-типа между ними. Однако если приложить положительный напряжение на затвор, там создается электрическое поле, позволяющее электроны перетекают по тонкому каналу от истока к стоку. Этот «полевой эффект» позволяет току течь и включает транзистор:

Для полноты картины отметим, что полевой МОП-транзистор является однополярным. транзистор потому что только один («полярность») электрического заряда участвует в его работе.

Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?

На практике вам не нужно ничего знать об этом электроны и дыры, если вы не собираетесь разрабатывать компьютерные чипы для заработка! Все, что вам нужно знать, это то, что транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток включить более крупный. Но есть еще одна вещь, которую стоит знать: как все это помогает компьютерам хранить информацию и принимать решения?

Мы можем соединить несколько транзисторных ключей, чтобы что-то сделать. называется логическим вентилем, который сравнивает несколько входные токи и в результате дает другой выход.Логические ворота позволяют компьютерам создавать очень простые решения с использованием математической техники, называемой булевой алгеброй. Точно так же и ваш мозг принимает решения. Например, используя «входные данные» (то, что вы знаете) о погоде и о том, что у вас в коридоре, вы можете принять такое решение: «Если идет дождь И я есть зонтик, я пойду в магазины «. Это пример булевой алгебры, в которой используется так называемое И «оператор» (слово «оператор» — это всего лишь небольшой математический жаргон, заставляют вещи казаться более сложными, чем они есть на самом деле).Ты можешь сделать аналогичные решения с другими операторами. «Если ветрено ИЛИ идет снег, тогда я надену пальто «- это пример использования оператора ИЛИ. Или как насчет «Если идет дождь, И я есть зонтик ИЛИ у меня есть пальто, тогда можно выйти на улицу «. Используя AND, ИЛИ и другие операторы, вызываемые Компьютеры NOR, XOR, NOT и NAND могут складывать или сравнивать двоичные числа. Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логическая серия инструкций, которые заставляют компьютеры действовать.

Обычно переходной транзистор выключен, когда нет базы. ток и переключается в положение «включено», когда течет базовый ток.Это значит требует электрического тока для включения или выключения транзистора. Но такие транзисторы можно подключить к логическим элементам, чтобы их выход соединения возвращаются на свои входы. Транзистор затем остается включенным, даже если базовый ток отключен. Каждый раз новый база ток течет, транзистор «щелкает» или выключается. Остается в одном из эти стабильные состояния (включены или выключены) до тех пор, пока не появится другой ток приходит и переворачивает его в другую сторону. Такая аранжировка известен как триггер, и это превращает транзистор в простой запоминающее устройство, в котором хранится ноль (когда он выключен) или один (когда он на).Шлепанцы — это основная технология, лежащая в основе компьютерных микросхем памяти.

Кто изобрел транзистор?

Изображение: Оригинальный дизайн точечного транзистора, как изложено в Патент Джона Бардина и Уолтера Браттейна в США (2 524 035), поданный в июне 1948 г. (примерно через шесть месяцев после оригинальное открытие) и награжден 3 октября 1950 года. Это простой PN-транзистор с тонкий верхний слой германия P-типа (желтый) на нижнем слое германия N-типа (оранжевый).Три контакта: эмиттер (E, красный), коллектор (C, синий) и база (G, зеленый). Вы можете прочитать больше в оригинальном патентном документе, который указан в ссылках ниже. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

транзисторов были изобретены в Bell Laboratories в Нью-Джерси в 1947 году. трех блестящих физиков США: Джона Бардина (1908–1991), Уолтера Браттейн (1902–1987) и Уильям Шокли (1910–1989).

Команда, возглавляемая Шокли, пыталась разработать новый усилитель для телефонной системы США — но что собственно изобретенные они оказались гораздо более распространенными Приложения.Бардин и Браттейн создали первый практический транзистор (известный как точечный транзистор) во вторник, 16 декабря 1947 года. Хотя Шокли сыграл большую роль в этом проекте, он был разъяренный и взволнованный из-за того, что его оставили в стороне. Вскоре после этого во время остановиться в отеле на конференции по физике, единолично выяснил он теория переходного транзистора — устройство гораздо лучше, чем точечный транзистор.

В то время как Бардин ушел из Bell Labs, чтобы стать академиком (он продолжил пользуются еще большим успехом при изучении сверхпроводников в Университете Иллинойса), Браттейн остался на некоторое время, прежде чем уйти на пенсию, чтобы стать учителем.Шокли основал собственную компанию по производству транзисторов и помог вдохновить современный феномен «Силиконовая долина» (процветающий район вокруг Пало-Альто, Калифорния, где корпорации электроники собраны). Двое его сотрудников, Роберт Нойс и Гордон Мур, ушли чтобы основать Intel, крупнейшего в мире производителя микрочипов.

Бардин, Браттейн и Шокли ненадолго воссоединились несколько лет спустя, когда они поделились лучшими научными достижениями мира награда, Нобелевская премия по физике 1956 г., за их открытие.Их история захватывающий рассказ о интеллектуальный талант борется с мелкой ревностью, и это хорошо стоит прочтения больше о. Вы можете найти отличные отчеты об этом среди книг и веб-сайты, перечисленные ниже.

Как работают транзисторы? — Объясни, что это за штука

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 21 сентября 2020 г.

Ваш мозг содержит около 100 миллиардов клеток, называемых нейронами, — крошечных переключателей, которые позволяют вам думать и запоминать вещи. Компьютеры содержат миллиарды миниатюрных «клеток мозга».Их называют транзисторами и они сделаны из кремния, химического элемента, обычно встречающегося в песке. Транзисторы произвели революцию в электронике с момента их появления изобретен более полувека назад Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильям Шокли. Но что это такое и как они работают?

Фото: Насекомое с тремя ногами? Нет, типичный транзистор на электронной плате. Хотя простые схемы содержат отдельные транзисторы, подобные этой, сложные схемы внутри компьютеров также содержат микрочипы, каждый из которых может иметь тысячи, миллионы или сотни миллионов транзисторов, упакованных внутри.(Технически, если вас интересуют более интересные вещи, это кремниевый транзистор усилителя PNP 5401B. Я объясню, что все это означает сейчас.)

Что на самом деле делает транзистор?

Фото: Компактные слуховые аппараты были одними из первых применений транзисторов, а этот датируется концом 1950-х или 1960-х годов. Он был размером с колоду игральных карт, поэтому его можно было носить в кармане пиджака или на нем. С другой стороны корпуса есть микрофон, который улавливает окружающие звуки.Вы можете ясно видеть четыре маленьких черных транзистора внутри, усиливающих эти звуки, а затем выстреливающих их в маленький громкоговоритель, который находится у вас в ухе.

Транзистор действительно прост — и действительно сложен. Давайте начнем с простая часть. Транзистор — это миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две разные работы. Может работать как усилитель или как переключатель:

• Когда работает как усилитель, нужно в крошечном электрическом токе на одном конце ( входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной ток) на другом.Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это входит действительно полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, одна из первых вещей люди использовали транзисторы для. В слуховом аппарате есть крошечный микрофон. который улавливает звуки из окружающего вас мира и превращает их в колеблющиеся электрические токи. Они подаются на транзистор, который усиливает их и приводит в действие крошечный громкоговоритель, так что вы слышите гораздо более громкую версию окружающих вас звуков. Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более подробном виде. юмористический способ: «Если взять тюк сена и привязать его к хвост мула, а затем чиркнуть спичкой и поджечь тюк сена, и если вы затем сравните энергию, израсходованную вскоре после этого, мул с энергией, затраченной вами на зажигание спички, вы поймете концепцию усиления.«
Транзисторы
• также могут работать как переключатели. А крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может значительно увеличить ток течет через другую его часть. Другими словами, маленький ток переключается на больший. По сути, так работают все компьютерные микросхемы. Для например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых можно включать или выключать индивидуально. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух различных состояниях, он может хранить два разных числа, ноль и единицу.С миллиардами транзисторов микросхема может хранить миллиарды нулей и единиц, и почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.

Самое замечательное в машинах старого образца было то, что вы могли их отдельно, чтобы понять, как они работают. Это никогда не было слишком сложно, с немного толкать и тыкать, чтобы узнать, какой бит сделал что и как один вещь привела к другому. Но электроника совсем другая. Это все об использовании электронов для управления электричеством.Электрон — это минута частица внутри атома. Он такой маленький, весит чуть меньше 0.000000000000000000000000000001 кг! Самые современные транзисторы работают контролируя движения отдельных электронов, чтобы вы могли представьте, насколько они маленькие. В современном компьютерном чипе размер ноготь, вы, вероятно, найдете от 500 миллионов и два миллиарда отдельных транзисторов. Нет шанса разобрать транзистор, чтобы узнать, как он работает, поэтому мы должны понять это с помощью теории и воображения.Во-первых, это помогает, если мы знаем, из чего сделан транзистор.

Как делается транзистор?

Фото: Кремниевая пластина. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Транзисторы изготовлены из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит электричество (оно не позволяет электронам легко проходить через него). Кремний — это полупроводник, а это значит, что он ни на самом деле проводник (что-то вроде металла, пропускающий электричество), ни изолятор (что-то вроде пластика, не пропускающего электричество).Если мы обрабатываем кремний примесями (процесс, известный как легирование), мы можем заставить его вести себя по-другому способ. Если мы добавим в кремний химические элементы мышьяк, фосфор, или сурьмы, кремний получает дополнительные «свободные» электроны — те, которые может проводить электрический ток, поэтому электроны будут вытекать об этом более естественно. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, кремний обработанный таким образом, называется n-типом (отрицательный тип). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор, галлий и алюминий.Кремний, обработанный таким образом, имеет меньше «свободные» электроны, поэтому электроны в соседних материалах будут стремиться втекать в него. Мы называем этот кремний p-типом (положительным типом).

Вкратце, мимоходом, важно отметить, что ни кремний n-типа, ни p-типа на самом деле не имеет заряда сам по себе : оба электрически нейтральны. Это правда, что кремний n-типа имеет дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как кремний p-типа имеет меньше этих свободных электронов, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом.В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) атомов примесей к кремнию, что изначально было нейтральным — и мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Для более подробного объяснения мне потребуется представить идею под названием ленточная теория, что немного выходит за рамки данной статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «лишние электроны» означают лишние свободных электронов — те, которые могут свободно перемещаться и помогать переносить электрический ток.

Кремниевые бутерброды

Теперь у нас есть два разных типа кремния. Если мы сложим их вместе слоями, делая бутерброды из материала p-типа и n-типа, мы можем сделать различные виды электронных компонентов, которые работают во всех видах способами.

Предположим, мы присоединяем кусок кремния n-типа к куску p-типа. кремний и поместите электрические контакты с обеих сторон. Увлекательно и полезно вещи начинают происходить на стыке двух материалы. Если мы обратимся от тока, мы можем заставить электроны течь через переход от сторона n-типа к стороне p-типа и наружу через цепь.Этот происходит из-за отсутствия электронов на стороне p-типа переход притягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но если мы меняем направление тока, электроны вообще не текут. Что мы сделанное здесь называется диодом (или выпрямителем). Это электронный компонент, который позволяет току течь через него только в одном направлении. Это полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в постоянный (односторонний) ток. Диоды тоже можно сделать так, чтобы они испускали светится, когда через них проходит электричество.Вы могли видеть эти светодиоды на карманных калькуляторах и электронных дисплеи на стереооборудовании Hi-Fi.

Как работает переходной транзистор

Фотография: Типичный кремниевый PNP-транзистор (A1048, разработанный как усилитель звуковой частоты).

Теперь предположим, что мы используем три слоя кремния в нашем сэндвиче вместо из двух. Мы можем сделать бутерброд p-n-p (с ломтиком n-типа кремний в качестве заполнения между двумя пластинами p-типа) или n-p-n сэндвич (с p-типом между двумя плитами n-типа).Если мы присоединить электрические контакты ко всем трем слоям сэндвича, мы можем сделать компонент, который будет либо усиливать ток, либо включать его, либо выключен — другими словами, транзистор. Посмотрим, как это работает в случае n-p-n транзистор.

Итак, мы знаем, о чем говорим, давайте дадим имена трем электрические контакты. Мы назовем два контакта, соединенных с двумя кусочки кремния n-типа эмиттер и коллектор, и контакт соединенный с кремнием p-типа, который мы будем называть базой.Когда нет ток протекает в транзисторе, мы знаем, что кремний p-типа не хватает электроны (показаны здесь маленькими знаками плюс, обозначающими положительные зарядов) и два куска кремния n-типа имеют лишние электроны (показаны маленькими знаками минус, обозначающими отрицательные заряды).

Другой способ взглянуть на это — сказать, что в то время как n-тип имеет избыток электронов, p-тип имеет дырки, где электроны должно быть. Обычно отверстия в основании действуют как барьер, предотвращающий любые значительный ток от эмиттера к коллектору при транзистор находится в выключенном состоянии.

Транзистор работает, когда электроны и дырки начинают двигаться через два перехода между кремнием n-типа и p-типа.

Давай подключить транзистор к некоторой мощности. Допустим, мы прикрепляем небольшой положительное напряжение на базу, сделать эмиттер отрицательно заряженным и сделать коллектор положительно заряженным. Электроны вытягиваются из эмиттер в базу, а затем из базы в коллектор. А также транзистор переходит в состояние «включено»:

Малый ток, который мы включаем на базе, создает большой ток. поток между эмиттером и коллектором.Повернув небольшой вход ток в большой выходной ток, транзистор действует как усилитель. Но в то же время он действует как переключатель. Когда нет тока база, ток между коллектором и эмиттер. Включите базовый ток, и течет большой ток. Итак, база ток включает и выключает весь транзистор. Технически это тип транзистора называется биполярным, потому что два разных вида (или «полярностей») электрического заряда (отрицательные электроны и положительные отверстия) участвуют в протекании тока.

Мы также можем понять транзистор, представив его как пару диодов. С база положительная, а эмиттер отрицательная, переход база-эмиттер похож на прямое смещение диод, с электронами, движущимися в одном направлении через переход (слева направо в диаграмму) и отверстия, идущие в противоположную сторону (справа налево). База-коллектор переход похож на диод с обратным смещением. Положительное напряжение коллектора тянет большая часть электронов проходит через внешнюю цепь (хотя некоторые электроны рекомбинируют с дырками в основании).

Как работает полевой транзистор (FET)

Все транзисторы работают, управляя движением электронов, но не все из них делают это одинаково. Подобно переходному транзистору, полевой транзистор (полевой транзистор) имеет три разных вывода, но они иметь названия источник (аналог эмиттера), сток (аналогично коллектор), и затвор (аналог цоколя). В полевом транзисторе слои Кремний n-типа и p-типа устроен несколько иначе и покрытый слоями металла и оксида.Это дает нам устройство под названием MOSFET (Металлооксидное полупроводниковое поле) Эффектный транзистор).

Хотя в истоке и стоке n-типа есть лишние электроны, они не могут перетекать от одного к другому из-за дыр в ворота p-типа между ними. Однако если приложить положительный напряжение на затвор, там создается электрическое поле, позволяющее электроны перетекают по тонкому каналу от истока к стоку. Этот «полевой эффект» позволяет току течь и включает транзистор:

Для полноты картины отметим, что полевой МОП-транзистор является однополярным. транзистор потому что только один («полярность») электрического заряда участвует в его работе.

Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?

На практике вам не нужно ничего знать об этом электроны и дыры, если вы не собираетесь разрабатывать компьютерные чипы для заработка! Все, что вам нужно знать, это то, что транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток включить более крупный. Но есть еще одна вещь, которую стоит знать: как все это помогает компьютерам хранить информацию и принимать решения?

Мы можем соединить несколько транзисторных ключей, чтобы что-то сделать. называется логическим вентилем, который сравнивает несколько входные токи и в результате дает другой выход.Логические ворота позволяют компьютерам создавать очень простые решения с использованием математической техники, называемой булевой алгеброй. Точно так же и ваш мозг принимает решения. Например, используя «входные данные» (то, что вы знаете) о погоде и о том, что у вас в коридоре, вы можете принять такое решение: «Если идет дождь И я есть зонтик, я пойду в магазины «. Это пример булевой алгебры, в которой используется так называемое И «оператор» (слово «оператор» — это всего лишь небольшой математический жаргон, заставляют вещи казаться более сложными, чем они есть на самом деле).Ты можешь сделать аналогичные решения с другими операторами. «Если ветрено ИЛИ идет снег, тогда я надену пальто «- это пример использования оператора ИЛИ. Или как насчет «Если идет дождь, И я есть зонтик ИЛИ у меня есть пальто, тогда можно выйти на улицу «. Используя AND, ИЛИ и другие операторы, вызываемые Компьютеры NOR, XOR, NOT и NAND могут складывать или сравнивать двоичные числа. Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логическая серия инструкций, которые заставляют компьютеры действовать.

Обычно переходной транзистор выключен, когда нет базы. ток и переключается в положение «включено», когда течет базовый ток.Это значит требует электрического тока для включения или выключения транзистора. Но такие транзисторы можно подключить к логическим элементам, чтобы их выход соединения возвращаются на свои входы. Транзистор затем остается включенным, даже если базовый ток отключен. Каждый раз новый база ток течет, транзистор «щелкает» или выключается. Остается в одном из эти стабильные состояния (включены или выключены) до тех пор, пока не появится другой ток приходит и переворачивает его в другую сторону. Такая аранжировка известен как триггер, и это превращает транзистор в простой запоминающее устройство, в котором хранится ноль (когда он выключен) или один (когда он на).Шлепанцы — это основная технология, лежащая в основе компьютерных микросхем памяти.

Кто изобрел транзистор?

Изображение: Оригинальный дизайн точечного транзистора, как изложено в Патент Джона Бардина и Уолтера Браттейна в США (2 524 035), поданный в июне 1948 г. (примерно через шесть месяцев после оригинальное открытие) и награжден 3 октября 1950 года. Это простой PN-транзистор с тонкий верхний слой германия P-типа (желтый) на нижнем слое германия N-типа (оранжевый).Три контакта: эмиттер (E, красный), коллектор (C, синий) и база (G, зеленый). Вы можете прочитать больше в оригинальном патентном документе, который указан в ссылках ниже. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

транзисторов были изобретены в Bell Laboratories в Нью-Джерси в 1947 году. трех блестящих физиков США: Джона Бардина (1908–1991), Уолтера Браттейн (1902–1987) и Уильям Шокли (1910–1989).

Команда, возглавляемая Шокли, пыталась разработать новый усилитель для телефонной системы США — но что собственно изобретенные они оказались гораздо более распространенными Приложения.Бардин и Браттейн создали первый практический транзистор (известный как точечный транзистор) во вторник, 16 декабря 1947 года. Хотя Шокли сыграл большую роль в этом проекте, он был разъяренный и взволнованный из-за того, что его оставили в стороне. Вскоре после этого во время остановиться в отеле на конференции по физике, единолично выяснил он теория переходного транзистора — устройство гораздо лучше, чем точечный транзистор.

В то время как Бардин ушел из Bell Labs, чтобы стать академиком (он продолжил пользуются еще большим успехом при изучении сверхпроводников в Университете Иллинойса), Браттейн остался на некоторое время, прежде чем уйти на пенсию, чтобы стать учителем.Шокли основал собственную компанию по производству транзисторов и помог вдохновить современный феномен «Силиконовая долина» (процветающий район вокруг Пало-Альто, Калифорния, где корпорации электроники собраны). Двое его сотрудников, Роберт Нойс и Гордон Мур, ушли чтобы основать Intel, крупнейшего в мире производителя микрочипов.

Бардин, Браттейн и Шокли ненадолго воссоединились несколько лет спустя, когда они поделились лучшими научными достижениями мира награда, Нобелевская премия по физике 1956 г., за их открытие.Их история захватывающий рассказ о интеллектуальный талант борется с мелкой ревностью, и это хорошо стоит прочтения больше о. Вы можете найти отличные отчеты об этом среди книг и веб-сайты, перечисленные ниже.

Что такое транзистор?

Транзисторы — это устройства, управляющие движением электронов и, следовательно, электричества. Они работают как водопроводный кран — они не только запускают и останавливают течение тока, но также контролируют его величину.С помощью электричества транзисторы могут переключать или усиливать электронные сигналы, позволяя с точностью управлять током, протекающим через печатную плату.

Транзисторы, изготовленные в Bell Labs, изначально были изготовлены из германия. Ученые знали, что чистый германий — хороший изолятор. Но добавление примесей (процесс, называемый легированием ) превратило германий в слабый проводник или полупроводник . Полупроводники — это материалы, которые обладают промежуточными свойствами между изоляторами и проводниками, обеспечивая электрическую проводимость в различной степени.

Момент изобретения транзисторов был выбран не случайно. Для правильной работы транзисторам требуются чистые полупроводниковые материалы. Так уж получилось, что сразу после Второй мировой войны улучшения в очистке германия, а также достижения в области легирования сделали германий пригодным для применения в полупроводниках.

В зависимости от элемента, используемого для легирования, полученный слой германия был либо отрицательного типа (N-тип), либо положительного типа (P-тип). В слое N-типа легирующий элемент добавлял электроны к германию, облегчая выброс электронов.Напротив, в слое P-типа определенные легирующие элементы заставляли германий терять электроны, таким образом, электроны из соседних материалов текли к нему.

Поместите N-тип и P-тип рядом друг с другом, и вы получите P-N диод . Этот диод пропускает электрический ток, но только в одном направлении, что является полезным свойством при построении электронных схем.

Следующим шагом были полноценные транзисторы. Для создания транзисторов инженеры наложили легированный германий слоями, чтобы сделать два слоя вплотную друг к другу, в конфигурации P-N-P или N-P-N.Точка контакта была названа переходом, отсюда и название переходного транзистора .

При подаче электрического тока на центральный слой (называемый базой) электроны будут перемещаться со стороны N-типа на сторону P-типа. Первоначальная небольшая струйка действует как переключатель, позволяющий протекать гораздо большему току. В электрической цепи это означает, что транзисторы действуют как переключатель и как усилитель.

В наши дни вместо германия в коммерческой электронике используются полупроводники на основе кремния, которые более надежны и доступны по цене, чем транзисторы на основе германия.Но как только технология стала популярной, германиевые транзисторы широко использовались более 20 лет.

Что такое транзистор? — Определение с сайта WhatIs.com

От

Транзистор — это устройство, которое регулирует ток или напряжение и действует как переключатель или затвор для электронных сигналов. Транзисторы состоят из трех слоев полупроводникового материала, каждый из которых может пропускать ток.

Транзистор был изобретен тремя учеными из Bell Laboratories в 1947 году, и он быстро заменил вакуумную лампу в качестве электронного регулятора сигнала.Транзистор регулирует ток или напряжение и действует как переключатель или затвор для электронных сигналов. Транзистор состоит из трех слоев полупроводникового материала, каждый из которых может проводить ток. Полупроводник — это такой материал, как германий и кремний, который проводит электричество «полуинтузиазмом». Это что-то среднее между настоящим проводником, таким как медь, и изолятором (например, пластиком, обернутым вокруг проводов).

Полупроводниковому материалу придаются особые свойства с помощью химического процесса, называемого легированием .Легирование приводит к получению материала, который либо добавляет дополнительные электроны к материалу (который затем называется N-типа для дополнительных отрицательных носителей заряда), либо создает «дыры» в кристаллической структуре материала (который затем называется P-типа. , потому что это приводит к увеличению количества носителей положительного заряда). Трехслойная структура транзистора содержит полупроводниковый слой N-типа, зажатый между слоями P-типа (конфигурация PNP) или слой P-типа между слоями N-типа (конфигурация NPN).

Небольшое изменение тока или напряжения на внутреннем полупроводниковом слое (который действует как управляющий электрод) вызывает большое и быстрое изменение тока, проходящего через весь компонент. Таким образом, компонент может действовать как переключатель, открывая и закрывая электронные ворота много раз в секунду. В современных компьютерах используются схемы, изготовленные с использованием технологии комплементарных металлооксидных полупроводников (CMOS). CMOS использует два дополнительных транзистора на затвор (один из материала N-типа, другой из материала P-типа).Когда один транзистор поддерживает логическое состояние, он почти не требует питания.

Транзисторы — это базовые элементы в интегральных схемах (ИС), которые состоят из очень большого количества транзисторов, связанных между собой схемами и запеченных в единую кремниевую микросхему.

Последнее обновление: октябрь 2015 г.

Продолжить чтение о транзисторе

Определение транзистора | PCMag

В аналоговом мире непрерывно меняющихся сигналов транзистор — это устройство, используемое для усиления входного электрического сигнала.В цифровом мире транзистор — это двоичный ключ и фундаментальный строительный блок компьютерной схемы. Подобно выключателю на стене, транзистор либо предотвращает, либо пропускает ток. Один современный ЦП может иметь сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов.

Изготовлен из полупроводникового материала
Активная часть транзистора сделана из кремния или другого полупроводникового материала, который может изменять свое электрическое состояние при подаче импульсов. В нормальном состоянии материал может быть непроводящим или проводящим, препятствуя или пропуская ток.Когда на затвор подается напряжение, транзистор меняет свое состояние. Чтобы узнать больше о транзисторе, см. Понятие транзистора и микросхему. См. Активную область, фототранзистор и High-K / Metal Gate.

От транзисторов к системам

Транзисторы соединены схемами, составляющими логические вентили. Гейты составляют схемы, а схемы составляют электронные системы (подробности см. В разделе «Булевская логика и логические элементы»).

Концептуальный вид транзистора

В цифровой схеме транзистор представляет собой двухпозиционный переключатель, который является проводящим при подаче электрического импульса.Транзисторы также используются в качестве усилителей, передавая низкое напряжение на базе высокому напряжению на коллекторе. В аудиоусилителях таким образом используются транзисторы.

Построение транзистора

Посредством нескольких этапов маскирования, травления и диффузии создаются подслои на кристалле. На заключительном этапе располагается верхний металлический слой (обычно алюминий), который соединяет транзисторы друг с другом и с внешним миром.

24 Большинство создается одновременно в то же время.Такая 300-миллиметровая пластина может содержать сотни и тысячи кристаллов (чипов), а это означает, что миллиарды и триллионы транзисторов производятся одновременно. Смотрите вафлю. (Изображение любезно предоставлено Intel Corporation.)

Первый кремниевый транзистор

В 1954 году компания Texas Instruments первой начала производство дискретных транзисторов в промышленных масштабах. Сегодня это пространство размером примерно четверть дюйма может вместить триллионы транзисторов. См. Концепцию транзистора. (Изображение любезно предоставлено Texas Instruments, Inc.)

IBM «Solid Logic»

Вместо одного транзистора в корпусе передовые инженерные разработки IBM разместили три транзистора в одном модуле для своего семейства System / 360 в 1964 году При снятой крышке все трое хорошо видны. См. Активную область. (Изображение любезно предоставлено IBM.)

Что такое транзистор? Типы, использование, принцип работы

Транзистор определяется как полупроводниковое устройство, которое в основном состоит из трех выводов для усиления или переключения электронных сигналов и электрических целей.Эти устройства, обычно классифицируемые на биполярные переходные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET), позволяют использовать радиоприемники, компьютеры, калькуляторы и т. Д., Которые вы используете сегодня.

Что ж, учитывая, что современные транзисторы, такие как BC547, 2n2222, 2n3904 и т. Д., Используются в микроконтроллерах (например, Arduino) или в приложениях для построения электрических схем, важно, чтобы мы более подробно рассмотрели транзисторы в сегодняшнем блоге.

Типы транзисторов и условные обозначения их схем

Ранее мы упоминали, что существует два типа транзисторов; Биполярные и полевые транзисторы.В этом разделе мы более подробно рассмотрим каждый тип транзистора и объясним, как он работает.

Что такое BJT (NPN и PNP) и как это работает? Типичный БЮТ

Во-первых, для BJT он поставляется в двух итерациях или версиях; NPN и PNP BJT с обозначениями схем, показанными ниже:

BJT: символы цепей NPN и PNP

Как видите, и в итерациях NPN и PNP контакты помечены; Коллектор (C), база (B) и эмиттер (E). Разницу между ними можно заметить по направлению стрелки; где для NPN стрелка выходит из базы, а для PNP стрелка входит в базу.

Как работает BJT?

Теперь, когда мы определили, что такое BJT, мы посмотрим, как BJT работают, на простой иллюстрации ниже:

Ref

Для NPN-транзистора он состоит из слоя полупроводника, легированного P, между двумя слоями материала, легированного азотом, где электроны переходят от эмиттера к коллектору. Затем эмиттер «испускает» электроны в базу, при этом база управляет номером. электронов испускает эмиттер. Выброшенные электроны, наконец, собираются коллектором и отправляются в следующую часть цепи.

В то время как для транзистора PNP он состоит из слоя полупроводника с примесью азота между двумя слоями материала с примесью фосфора, где ток базы, поступающий в коллектор, усиливается. По сути, ток по-прежнему контролируется базой, но течет в противоположном направлении. Кроме того, вместо испускания электронов эмиттер в PNP испускает «дырки» (концептуальное отсутствие электронов), которые затем собираются коллектором.

Что такое полевой транзистор и как он работает?

Полевой транзистор, другой тип транзистора, чаще всего классифицируется как MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) и состоит из контактов; Ворота, исток, сток.Благодаря другой конструкции выводов, он работает несколько иначе, чем BJT.

Как работает полевой транзистор

Чтобы понять, как работает полевой транзистор, мы рассмотрим типичную принципиальную схему:

Схема MOSFET

• Блок, также известный как подложка полупроводника p-типа, действует как основа для MOSFET
• Две стороны на этой подложке p-типа сделаны сильно легированными примесью n-типа (обозначена как n +)
  • Выводы стока (исток и сток) затем выводятся из этих двух концевых областей
• Вся поверхность подложки покрыта слоем диоксида кремния
  • Диоксид кремния действует как изоляция
• Тонкая Затем поверх диоксида кремния помещается изолированная металлическая пластина, действующая как пластина конденсатора.
  • Затем вывод затвора выводится из тонкой металлической пластины
• Затем формируется цепь постоянного тока путем подключения источника напряжения между этими двумя Области n-типа (отмечены красным)

Когда на затвор подается напряжение, оно генерирует электрическое поле, которое изменяет ширину области канала, где e лектроны текут.Чем шире область канала, тем лучше будет проводимость устройства.

BJT против MOSFET транзистора

Теперь, когда мы рассмотрели оба типа транзисторов; BJT и FET (широко известные MOSFET), давайте посмотрим на их различия, показанные в таблице ниже:

, сток с более сложной структурой

	МОП-транзистор	BJT
Определение	Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор	Биполярный транзистор
3 клеммы: Эмиттер, база и коллектор
Принцип работы	Для работы MOSFET требуется напряжение на электроде затвора с оксидной изоляцией	Для работы BJT , он зависит от тока на базовом выводе
Пригодность для использования	Высокомощные приложения для регулирования тока Аналоговые и цифровые схемы	Слаботочные приложения

Какой транзистор выбрать?

Хотя MOSFET имеет преимущества перед BJT, такие как контроль напряжения, выбор любого из них зависит от целей вашего приложения.Вот для чего подходит каждый транзистор:

• Если вы хотите регулировать поток сильного тока узкими импульсами или для любых приложений с большой мощностью, MOSFET — это то, что вам нужно.
• Для обычных электрических цепей или слаботочных домашних приложений BJT вполне могут быть достаточно для выполнения работы

Применения транзистора

Транзистор чаще всего используется в качестве электронных переключателей в цифровых схемах или в качестве усилителя.Давайте объясним, как работает каждое приложение.

Транзисторы как переключатели

Переключатели включаются и выключаются, тогда как для транзисторов он действует как таковой, создавая двоичный эффект включения / выключения переключателя, поэтому для его переключения не требуется привод, а вместо этого требуется напряжение. Такое приложение используется для управления потоком энергии к другой части цепи. Другими словами, небольшой ток, протекающий через одну часть транзистора, позволяет протекать гораздо большему току через другую часть транзистора.

Транзисторы как переключатели можно увидеть в микросхемах памяти, где присутствуют миллионы транзисторов, которые включаются и выключаются.

Транзисторы в качестве усилителя

Транзисторы работают не только как переключатели, но и как усилители, принимая крошечные электрические токи и производя гораздо более высокий выходной ток на другом конце. Такие транзисторы обычно используются в таких продуктах, как слуховые аппараты, радио и т. Д., В любых изделиях диапазона мкВ.

Рекомендуемые транзисторы для использования

Ранее мы установили, что MOSFET является частью семейства полевых транзисторов, что делает его отличным вариантом для управления большим током.Но знаете ли вы, что это первый компактный транзистор, который можно миниатюризировать для широкого диапазона применений?

Да! с революцией в электронных технологиях, он постепенно превратился в миниатюрные модули для использования в микроконтроллерах (например, Arduino)

Ниже мы даем рекомендации по MOSFET-транзисторам, идеально подходящим для такого использования!

Grove — МОП-транзистор Grove — MOSFET

Как следует из названия, Grove — MOSFET представляет собой миниатюрный МОП-транзистор, который помогает вам легко управлять проектом высокого напряжения с помощью вашей платы Arduino!

Особенности:

• Две винтовые клеммы на плате; один для внешнего источника питания, а другой для устройства, которым вы хотите управлять с помощью управления напряжением
• 5–15 В

Благодаря нашей системе Grove вы также сможете использовать наши кабели Grove по принципу «включай и работай», легко добавить или удалить этот транзистор в свой электронный проект!

Хотите узнать больше о Grove — MOSFET? Вы можете посетить страницу продукта здесь, чтобы увидеть его техническое описание, схему и многое другое!

Сводка

Это все на сегодняшний день руководства по транзисторам.Я надеюсь, что благодаря этому вы получите общее представление о том, что такое транзистор, типы транзисторов (BJT, FET), как они работают и их применение!

Если вы ищете простое взаимодействие Arduino с MOSFET, обратите внимание на Grove — MOSFET!

Следите за нами и ставьте лайки:

Теги: bc547, bjt, bjt транзистор, fet, как работает транзистор, mosfet, mosfet транзистор, npn, pnp, транзистор, схема транзистора, функция транзистора, символ транзистора, символы транзистора, типы транзисторов, что такое транзистор

Продолжить чтение

Транзисторов — учимся.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 79

Введение

Транзисторы вращают мир электроники. Они критически важны как источник управления практически в каждой современной цепи. Иногда вы их видите, но чаще всего они спрятаны глубоко внутри кристалла интегральной схемы. В этом уроке мы познакомим вас с основами самого распространенного транзистора: биполярного транзистора (BJT).

В небольших дискретных количествах транзисторы могут использоваться для создания простых электронных переключателей, цифровой логики и схем усиления сигналов. В количествах тысяч, миллионов и даже миллиардов транзисторы соединены между собой и встроены в крошечные микросхемы для создания компьютерной памяти, микропроцессоров и других сложных ИС.

описано в этом учебном пособии

После прочтения этого руководства мы хотим, чтобы вы получили широкое представление о том, как работают транзисторы.Мы не будем углубляться в физику полупроводников или эквивалентные модели, но мы достаточно углубимся в предмет, чтобы вы поняли, как транзистор можно использовать в качестве переключателя или усилителя .

Это руководство разделено на несколько разделов, охватывающих:

Существует два типа базовых транзисторов: биполярный переход (BJT) и металлооксидный полевой транзистор (MOSFET). В этом уроке мы сфокусируемся на BJT , потому что его немного легче понять.Если копать еще глубже в типы транзисторов, на самом деле существует две версии BJT: NPN и PNP . Мы сфокусируемся еще больше, ограничив наше раннее обсуждение NPN. Если сузить наш фокус — получить твердое представление о NPN — будет легче понять PNP (или даже MOSFET), сравнив, чем он отличается от NPN.

и nbsp

и nbsp

Рекомендуемая литература

Перед тем, как углубиться в это руководство, мы настоятельно рекомендуем просмотреть эти уроки:

• Закон напряжения, тока, сопротивления и Ома — Введение в основы электроники.
• Основы электричества — Мы немного поговорим об электричестве как потоке электронов. Узнайте, как текут эти электроны, в этом уроке.
• Electric Power — Одно из основных применений транзисторов — усиление — увеличение мощности сигнала. Увеличение мощности означает, что мы можем увеличивать ток или напряжение, узнайте почему в этом руководстве.
• Диоды — Транзистор — это полупроводниковый прибор, похожий на диод. В некотором смысле это то, что вы получили бы, если бы сложили два диода вместе и связали их аноды вместе.Понимание того, как работает диод, во многом поможет раскрыть принцип работы транзистора.

Хотите изучить транзисторы?

Мы вас прикрыли!

Комплект запчастей для начинающих SparkFun

В наличии КОМПЛЕКТ-13973

Комплект деталей для начинающих SparkFun — это небольшой контейнер с часто используемыми деталями, который дает вам все основные компоненты, которые вы…

12

---

Символы, булавки и конструкция

Транзисторы — это в основном трехконтактные устройства.На биполярном переходном транзисторе (BJT) эти контакты обозначены как коллектор (C), база (B) и эмиттер (E). Обозначения схем как для NPN, так и для PNP BJT приведены ниже:

Единственное различие между NPN и PNP — это направление стрелки на эмиттере. Стрелка на NPN указывает, а на PNP указывает. Полезная мнемоника для запоминания:

NPN:

N ot P ointing i N

Обратная логика, но работает!

Конструкция транзистора

Транзисторы полагаются на полупроводники, чтобы творить чудеса.Полупроводник — это не совсем чистый проводник (например, медный провод), но и не изолятор (например, воздух). Проводимость полупроводника — насколько легко он позволяет электронам течь — зависит от таких переменных, как температура или наличие большего или меньшего количества электронов. Заглянем вкратце под капот транзистора. Не волнуйтесь, мы не будем углубляться в квантовую физику.

Транзистор как два диода

Транзисторы

— это своего рода продолжение другого полупроводникового компонента: диодов.В некотором смысле транзисторы — это всего лишь два диода со связанными вместе катодами (или анодами):

Диод, соединяющий базу с эмиттером, здесь важен; он соответствует направлению стрелки на схематическом символе и показывает , в каком направлении должен проходить ток через транзистор.

Изображение диодов — хорошее место для начала, но оно далеко не точное. Не основывайте свое понимание работы транзистора на этой модели (и определенно не пытайтесь воспроизвести ее на макете, это не сработает).Существует множество странных вещей на уровне квантовой физики, управляющих взаимодействием между тремя терминалами.

(Эта модель — , полезная, если вам нужно проверить транзистор. Используя функцию проверки диодов (или сопротивления) на мультиметре, вы можете провести измерения на клеммах BE и BC, чтобы проверить наличие этих «диодов».)

Структура и работа транзистора

Транзисторы

состоят из трех разных слоев полупроводникового материала.В некоторые из этих слоев добавлены дополнительные электроны (процесс, называемый «легированием»), а в других электроны удалены (допирование «дырками» — отсутствие электронов). Полупроводниковый материал с дополнительными электронами называется n-типа ( n для отрицательного, потому что электроны имеют отрицательный заряд), а материал с удаленными электронами называется p-типа (для положительного). Транзисторы создаются путем наложения n поверх p поверх n или p поверх n над p .

Упрощенная схема структуры NPN. Заметили происхождение аббревиатур?

Помахав рукой, мы можем сказать, что электронов могут легко перетекать из n областей в p областей , если у них есть небольшая сила (напряжение), толкающая их. Но перейти от области p к области n действительно сложно (требуется лот напряжения). Но особенность транзистора — та часть, которая делает нашу модель с двумя диодами устаревшей, — это тот факт, что электрон может легко течь от базы p-типа к коллектору n-типа, пока база- эмиттерный переход смещен в прямом направлении (это означает, что база находится под более высоким напряжением, чем эмиттер).

NPN-транзистор предназначен для передачи электронов от эмиттера к коллектору (поэтому обычный ток течет от коллектора к эмиттеру). Эмиттер «испускает» электроны в базу, которая контролирует количество электронов, испускаемых эмиттером. Большая часть испускаемых электронов «собирается» коллектором, который отправляет их в следующую часть цепи.

PNP работает таким же, но противоположным образом. База по-прежнему контролирует ток, но этот ток течет в противоположном направлении — от эмиттера к коллектору.Вместо электронов эмиттер испускает «дырки» (концептуальное отсутствие электронов), которые собираются коллектором.

Транзистор похож на электронный клапан . Базовый штифт похож на ручку, которую вы можете отрегулировать, чтобы позволить большему или меньшему количеству электронов течь от эмиттера к коллектору. Давайте исследуем эту аналогию дальше …

---

Расширение аналогии с водой

Если вы в последнее время читали много руководств по концепциям электричества, вы, вероятно, привыкли к аналогиям с водой.Мы говорим, что ток аналогичен скорости потока воды, напряжение — это давление, проталкивающее воду по трубе, а сопротивление — это ширина трубы.

Неудивительно, что аналогия с водой может быть распространена и на транзисторы: транзистор похож на водяной клапан — механизм, который мы можем использовать для управления скоростью потока .

Есть три состояния, в которых мы можем использовать клапан, каждое из которых по-разному влияет на скорость потока в системе.

1) Вкл — короткое замыкание

Клапан можно полностью открыть, позволяя воде свободно течь — проходить, как если бы клапана даже не было.

Аналогичным образом, при определенных обстоятельствах транзистор может выглядеть как короткое замыкание между контактами коллектора и эмиттера. Ток может свободно течь через коллектор и выходить из эмиттера.

2) Выкл. — обрыв цепи

В закрытом состоянии клапан может полностью перекрыть поток воды.

Таким же образом можно использовать транзистор для создания разомкнутой цепи между выводами коллектора и эмиттера.

3) Линейное управление потоком

С некоторой точной настройкой можно отрегулировать клапан для точного управления расходом до некоторой точки между полностью открытым и закрытым.

Транзистор может делать то же самое — линейно регулирует ток через цепь в какой-то момент между полностью выключенным (разомкнутая цепь) и полностью включенным (короткое замыкание).

Из нашей аналогии с водой, ширина трубы аналогична сопротивлению в цепи. Если клапан может точно регулировать ширину трубы, то транзистор может точно регулировать сопротивление между коллектором и эмиттером. Таким образом, транзистор подобен переменному регулируемому резистору .

Усилительная мощность

Есть еще одна аналогия, которую мы можем провести здесь. Представьте себе, если бы с легким поворотом клапана вы могли контролировать скорость потока затворов плотины Гувера. Ничтожное количество силы, которое вы можете приложить для поворота этой ручки, может создать силу в тысячи раз сильнее. Мы расширяем аналогию до предела, но эта идея распространяется и на транзисторы. Транзисторы особенные, потому что они могут усиливать электрических сигнала, превращая сигнал малой мощности в аналогичный сигнал гораздо большей мощности.

---

Вид. Это еще не все, но это хорошее место для начала! В следующем разделе вы найдете более подробное объяснение работы транзистора.

---

Режимы работы

В отличие от резисторов, которые обеспечивают линейную зависимость между напряжением и током, транзисторы являются нелинейными устройствами. У них есть четыре различных режима работы, которые описывают протекающий через них ток. (Когда мы говорим о токе, протекающем через транзистор, мы обычно имеем в виду ток , протекающий от коллектора к эмиттеру NPN .)

Четыре режима работы транзистора:

• Насыщение — Транзистор действует как короткое замыкание . Ток свободно течет от коллектора к эмиттеру.
• Отсечка — Транзистор действует как разомкнутая цепь . Нет тока от коллектора к эмиттеру.
• Активный — Ток от коллектора к эмиттеру на пропорционален току, протекающему в базу.
• Reverse-Active — Как и в активном режиме, ток пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении.Ток течет от эмиттера к коллектору (не совсем то, для чего были предназначены транзисторы).

Чтобы определить, в каком режиме находится транзистор, нам нужно посмотреть напряжения на каждом из трех контактов и их соотношение друг с другом. Напряжения от базы к эмиттеру (V _BE ) и от базы к коллектору (V _BC ) устанавливают режим транзистора:

Упрощенный квадрантный график выше показывает, как положительное и отрицательное напряжение на этих клеммах влияет на режим.На самом деле все немного сложнее.

Давайте рассмотрим все четыре режима транзистора по отдельности; мы исследуем, как перевести устройство в этот режим и как это влияет на ток.

Примечание: Большая часть этой страницы посвящена NPN-транзисторам . Чтобы понять, как работает транзистор PNP, просто поменяйте полярность или знаки> и <.

Режим насыщенности

Насыщенность — это на режиме транзистора.Транзистор в режиме насыщения действует как короткое замыкание между коллектором и эмиттером.

В режиме насыщения оба «диода» в транзисторе смещены в прямом направлении. Это означает, что V _BE должен быть больше 0, и , поэтому должен быть V _BC . Другими словами, V _B должен быть выше, чем V _E и V _C .

Поскольку переход от базы к эмиттеру выглядит как диод, на самом деле V _BE должно быть больше, чем пороговое напряжение , чтобы войти в насыщение.Есть много сокращений для этого падения напряжения — V _th , V _γ и V _d — несколько — и фактическое значение варьируется между транзисторами (и даже больше в зависимости от температуры). Для многих транзисторов (при комнатной температуре) это падение может составить около 0,6 В.

Еще один облом реальности: между эмиттером и коллектором не будет идеальной проводимости. Между этими узлами образуется небольшое падение напряжения. В технических характеристиках транзисторов это напряжение определяется как CE напряжение насыщения, В _{CE (насыщение)} — напряжение от коллектора к эмиттеру, необходимое для насыщения.Это значение обычно составляет 0,05-0,2 В. Это значение означает, что V _C должно быть немного больше, чем V _E (но оба все еще меньше, чем V _B ), чтобы транзистор перешел в режим насыщения.

Режим отсечки

Режим отсечки противоположен насыщению. Транзистор в режиме отсечки — выключен — нет тока коллектора и, следовательно, нет тока эмиттера. Это почти похоже на обрыв цепи.

Чтобы перевести транзистор в режим отсечки, базовое напряжение должно быть меньше, чем напряжение эмиттера и коллектора.Оба V _BC и V _BE должны быть отрицательными.

На самом деле, V _BE может находиться в диапазоне от 0 В до _и (~ 0,6 В) для достижения режима отсечки.

Активный режим

Для работы в активном режиме значение V _BE транзистора должно быть больше нуля, а V _BC должно быть отрицательным. Таким образом, базовое напряжение должно быть меньше, чем на коллекторе, но больше, чем на эмиттере. Это также означает, что коллектор должен быть больше эмиттера.

На самом деле нам нужно ненулевое прямое падение напряжения (сокращенно V _th , V _γ или V _d ) от базы к эмиттеру (V _BE ), чтобы «включить» транзистор. Обычно это напряжение обычно составляет около 0,6 В.

Усиление в активном режиме

Активный режим — это самый мощный режим транзистора, потому что он превращает устройство в усилитель . Ток, идущий на вывод базы, усиливает ток, идущий в коллектор и выходящий из эмиттера.

Наше сокращенное обозначение для коэффициента усиления (коэффициент усиления) транзистора — β (вы также можете увидеть его как β _F или h _FE ). β линейно связывает ток коллектора ( I _C ) с базовым током ( I _B ):

Фактическое значение β зависит от транзистора. Обычно это около 100 , но может варьироваться от 50 до 200 … даже 2000, в зависимости от того, какой транзистор вы используете и сколько тока проходит через него.Если, например, у вашего транзистора β = 100, это будет означать, что входной ток в 1 мА на базу может производить ток 100 мА через коллектор.

Модель с активным режимом. V _BE = V _th , и I _C = βI _B .

А как насчет тока эмиттера, I _E ? В активном режиме токи коллектора и базы идут в устройство , а выходит I _E . Чтобы связать ток эмиттера с током коллектора, у нас есть другое постоянное значение: α .α — коэффициент усиления по току общей базы, он связывает эти токи как таковые:

α обычно очень близко, но меньше 1. Это означает, что I _C очень близко, но меньше I _E в активном режиме.

Вы можете использовать β для вычисления α или наоборот:

Если, например, β равно 100, это означает, что α равно 0,99. Итак, если я _C , например, 100 мА, то я _E равен 101 мА.

Реверс Активный

Так же, как насыщение противоположно отсечке, обратный активный режим противоположен активному режиму.Транзистор в обратном активном режиме проводит, даже усиливает, но ток течет в обратном направлении, от эмиттера к коллектору. Обратной стороной активного режима является то, что β (β _R в данном случае) на намного меньше на .

Чтобы перевести транзистор в обратный активный режим, напряжение на эмиттере должно быть больше, чем на базе, которая должна быть больше, чем на коллекторе (V _BE <0 и V _BC > 0).

Обратный активный режим обычно не является состоянием, в котором вы хотите управлять транзистором.Приятно знать, что он есть, но он редко превращается в приложение.

Относительно PNP

После всего, о чем мы говорили на этой странице, мы все еще покрыли только половину спектра BJT. А как насчет транзисторов PNP? Работа PNP очень похожа на работу NPN — у них те же четыре режима, но все изменилось. Чтобы узнать, в каком режиме находится транзистор PNP, поменяйте местами все знаки <и>.

Например, чтобы перевести PNP в режим насыщения, V _C и V _E должны быть выше, чем V _B .Вы опускаете базу ниже, чтобы включить PNP, и поднимаете ее выше, чем коллектор и эмиттер, чтобы выключить его. И, чтобы перевести PNP в активный режим, V _E должен иметь более высокое напряжение, чем V _B , которое должно быть выше, чем V _C .

Итого:

Соотношение напряжений	Режим NPN	Режим PNP
В E <В B <В C	Активный	Обратный
V E B > V C	Насыщенность	Отсечка
V E > V B C	Отсечка	Насыщенность
V E > V B > V C	Задний ход	Активный

Другой противоположной характеристикой NPN и PNP является направление тока.В активном режиме и режиме насыщения ток в PNP течет от эмиттера к коллектору . Это означает, что эмиттер обычно должен иметь более высокое напряжение, чем коллектор.

---

Если вы перегорели концептуальными вещами, перейдите к следующему разделу. Лучший способ узнать, как работает транзистор, — это изучить его в реальных схемах. Давайте посмотрим на некоторые приложения!

---

Приложения I: Коммутаторы

Одно из самых фундаментальных применений транзистора — это его использование для управления потоком энергии к другой части схемы — использование его в качестве электрического переключателя.Управляя им либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения, транзистор может создавать двоичный эффект включения / выключения переключателя.

Транзисторные переключатели являются важными блоками для построения схем; они используются для создания логических вентилей, которые используются для создания микроконтроллеров, микропроцессоров и других интегральных схем. Ниже приведены несколько примеров схем.

Транзисторный переключатель

Давайте посмотрим на самую фундаментальную схему транзисторного переключателя: переключатель NPN. Здесь мы используем NPN для управления мощным светодиодом:

Наш управляющий вход проходит в базу, выход привязан к коллектору, а на эмиттере поддерживается фиксированное напряжение.

В то время как для обычного переключателя требуется физическое переключение исполнительного механизма, этот переключатель управляется напряжением на базовом выводе. Вывод микроконтроллера ввода / вывода, как и на Arduino, может быть запрограммирован на высокий или низкий уровень для включения или выключения светодиода.

Когда напряжение на базе больше 0,6 В (или какое бы там значение у вашего транзистора V _th ), транзистор начинает насыщаться и выглядит как короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Когда напряжение на базе меньше 0.6 В транзистор находится в режиме отсечки — ток не течет, потому что это похоже на разрыв цепи между C и E.

Схема, приведенная выше, называется переключателем нижнего уровня , потому что переключатель — наш транзистор — находится на стороне низкого (заземления) цепи. В качестве альтернативы мы можем использовать транзистор PNP для создания переключателя верхнего плеча:

Подобно схеме NPN, база — это наш вход, а эмиттер подключен к постоянному напряжению. Однако на этот раз эмиттер подключен к высокому уровню, а нагрузка подключена к транзистору со стороны земли.

Эта схема работает так же хорошо, как и коммутатор на основе NPN, но есть одно огромное отличие: чтобы включить нагрузку, база должна быть низкой. Это может вызвать осложнения, особенно если высокое напряжение нагрузки (V _CC — 12 В, подключенное к эмиттеру V _E на этом рисунке) выше, чем высокое напряжение нашего управляющего входа. Например, эта схема не будет работать, если вы попытаетесь использовать Arduino с напряжением 5 В для выключения двигателя 12 В. В этом случае было бы невозможно выключить выключатель , потому что V _B (соединение с управляющим контактом) всегда будет меньше, чем V _E .

Базовые резисторы!

Вы заметите, что каждая из этих схем использует последовательный резистор между управляющим входом и базой транзистора. Не забудьте добавить этот резистор! Транзистор без резистора на базе похож на светодиод без токоограничивающего резистора.

Напомним, что в некотором смысле транзистор — это просто пара соединенных между собой диодов. Мы смещаем в прямом направлении диод база-эмиттер, чтобы включить нагрузку. Для включения диоду требуется всего 0,6 В, большее напряжение означает больший ток.Некоторые транзисторы могут быть рассчитаны только на ток, протекающий через них не более 10–100 мА. Если вы подаете ток выше максимального номинала, транзистор может взорваться.

Последовательный резистор между нашим источником управления и базой ограничивает ток в базе . Узел база-эмиттер может получить свое счастливое падение напряжения 0,6 В, а резистор может снизить оставшееся напряжение. Значение резистора и напряжение на нем определяют ток.

Резистор должен быть достаточно большим, чтобы эффективно ограничивать ток, но достаточно маленьким, чтобы питать базу достаточным током .Обычно достаточно от 1 мА до 10 мА, но чтобы убедиться в этом, проверьте техническое описание транзистора.

Цифровая логика

Транзисторы

можно комбинировать для создания всех наших основных логических вентилей: И, ИЛИ, и НЕ.

(Примечание: в наши дни полевые МОП-транзисторы с большей вероятностью будут использоваться для создания логических вентилей, чем биполярные транзисторы. Полевые МОП-транзисторы более энергоэффективны, что делает их лучшим выбором.)

Инвертор

Вот схема транзистора, которая реализует инвертор , или НЕ затвор:

Инвертор на транзисторах.

Здесь высокое напряжение на базе включает транзистор, который эффективно соединяет коллектор с эмиттером. Поскольку эмиттер напрямую подключен к земле, коллектор тоже будет (хотя он будет немного выше, где-то около V _{CE (sat)} ~ 0,05-0,2 В). С другой стороны, если на входе низкий уровень, транзистор выглядит как разомкнутая цепь, а выход подтянут до VCC

.

(На самом деле это фундаментальная конфигурация транзистора, называемая общим эмиттером .Подробнее об этом позже.)

И Ворота

Вот пара транзисторов, используемых для создания логического элемента И с 2 входами :

2-входной логический элемент И на транзисторах.

Если один из транзисторов выключен, то на выходе коллектора второго транзистора будет установлен низкий уровень. Если оба транзистора включены (на обоих базах высокий уровень), то выходной сигнал схемы также высокий.

OR Выход

И, наконец, логический элемент ИЛИ с двумя входами :

Затвор ИЛИ с 2 входами, построенный на транзисторах.

В этой схеме, если один (или оба) A или B имеют высокий уровень, соответствующий транзистор включается и подтягивает выходной сигнал к высокому уровню. Если оба транзистора выключены, то через резистор выводится низкий уровень.

Н-образный мост

H-мост — это транзисторная схема, способная приводить в движение двигатели как по часовой, так и против часовой стрелки . Это невероятно популярная трасса — движущая сила бесчисленных роботов, которые должны уметь двигаться как вперед на , так и на назад.

По сути, H-мост представляет собой комбинацию из четырех транзисторов с двумя входными линиями и двумя выходами:

Вы можете догадаться, почему это называется H-мостом?

(Примечание: обычно у хорошо спроектированного H-моста есть нечто большее, включая обратные диоды, базовые резисторы и триггеры Шмидта.)

Если оба входа имеют одинаковое напряжение, выходы двигателя будут иметь одинаковое напряжение, и двигатель не сможет вращаться. Но если два входа противоположны, двигатель будет вращаться в одном или другом направлении.

H-мост имеет таблицу истинности, которая выглядит примерно так:

9044

Осцилляторы

Генератор — это схема, которая генерирует периодический сигнал, который колеблется между высоким и низким напряжением.Генераторы используются во всевозможных схемах: от простого мигания светодиода до генерации тактового сигнала для управления микроконтроллером. Есть много способов создать схему генератора, включая кварцевые кристаллы, операционные усилители и, конечно же, транзисторы.

Вот пример колебательного контура, который мы называем нестабильным мультивибратором . Используя обратную связь , мы можем использовать пару транзисторов для создания двух дополняющих осциллирующих сигналов.

Помимо двух транзисторов, конденсаторы являются настоящим ключом к этой схеме.Колпачки поочередно заряжаются и разряжаются, в результате чего два транзистора поочередно включаются и выключаются.

Анализ работы этой схемы — отличное исследование работы конденсаторов и транзисторов. Для начала предположим, что C1 полностью заряжен (сохраняется напряжение около V _CC ), C2 разряжен, Q1 включен, а Q2 выключен. Вот что происходит после этого:

• Если Q1 включен, то левая пластина C1 (на схеме) подключена примерно к 0 В. Это позволит C1 разряжаться через коллектор Q1.
• Пока C1 разряжается, C2 быстро заряжается через резистор меньшего номинала — R4.
• Как только C1 полностью разрядится, его правая пластина будет подтянута примерно до 0,6 В, что включит Q2.
• На этом этапе мы поменяли местами состояния: C1 разряжен, C2 заряжен, Q1 выключен, а Q2 включен. Теперь танцуем в другую сторону.
• Q2 включен, позволяет C2 разряжаться через коллектор Q2.
• Когда Q1 выключен, C1 может относительно быстро заряжаться через R1.
• Как только C2 полностью разрядится, Q1 снова включится, и мы вернемся в состояние, в котором начали.

Может быть трудно понять. Вы можете найти еще одну отличную демонстрацию этой схемы здесь.

Выбирая определенные значения для C1, C2, R2 и R3 (и сохраняя R1 и R4 относительно низкими), мы можем установить скорость нашей схемы мультивибратора:

Итак, при значениях для конденсаторов и резисторов, установленных на 10 мкФ и 47 кОм соответственно, частота нашего генератора будет около 1.5 Гц. Это означает, что каждый светодиод будет мигать примерно 1,5 раза в секунду.

---

Как вы, наверное, уже заметили, существует тонн схем, в которых используются транзисторы. Но мы почти не коснулись поверхности. Эти примеры в основном показывают, как транзистор можно использовать в режимах насыщения и отсечки в качестве переключателя, но как насчет усиления? Пришло время увидеть больше примеров!

---

Applications II: Усилители

Некоторые из самых мощных транзисторных приложений включают усиление: преобразование сигнала малой мощности в сигнал большей мощности.Усилители могут увеличивать напряжение сигнала, беря что-то из диапазона мкВ и преобразовывая его в более полезный уровень в мВ или В. Или они могут усиливать ток, что полезно для превращения мкА тока, создаваемого фотодиодом, в ток гораздо большей величины. Существуют даже усилители, которые принимают ток и производят более высокое напряжение или наоборот (называемые транссопротивлением и крутизной соответственно).

Транзисторы являются ключевым компонентом многих усилительных схем. Существует бесконечное количество разнообразных транзисторных усилителей, но, к счастью, многие из них основаны на некоторых из этих более примитивных схем.Запомните эти схемы, и, надеюсь, с небольшим сопоставлением с образцом вы сможете понять более сложные усилители.

Общие конфигурации

Три основных транзисторных усилителя: общий эмиттер, общий коллектор и общая база. В каждой из трех конфигураций один из трех узлов постоянно связан с общим напряжением (обычно с землей), а два других узла являются либо входом, либо выходом усилителя.

Общий эмиттер

Общий эмиттер — одна из наиболее популярных схем транзисторов.В этой схеме эмиттер подключен к общему напряжению как для базы, так и для коллектора (обычно заземления). База становится входом сигнала, а коллектор — выходом.

Схема с общим эмиттером популярна, потому что она хорошо подходит для усиления напряжения , особенно на низких частотах. Например, они отлично подходят для усиления аудиосигналов. Если у вас небольшой входной сигнал с размахом 1,5 В, вы можете усилить его до гораздо более высокого напряжения, используя немного более сложную схему, например:

Одна особенность обычного эмиттера заключается в том, что он инвертирует входной сигнал (сравните его с инвертором с последней страницы!).

Общий коллектор (эмиттерный повторитель)

Если мы подключим коллектор к общему напряжению, используем базу как вход, а эмиттер как выход, то получится общий коллектор. Эта конфигурация также известна как эмиттерный повторитель .

Общий коллектор не усиливает напряжение (фактически, выходное напряжение будет на 0,6 В ниже входного). По этой причине эту схему иногда называют повторителем напряжения .

Эта схема действительно имеет большой потенциал в качестве усилителя тока .В дополнение к этому высокий коэффициент усиления по току в сочетании с коэффициентом усиления по напряжению, близким к единице, делает эту схему отличным буфером напряжения . Буфер напряжения предотвращает нежелательные помехи цепи нагрузки цепи, управляющей ею.

Например, если вы хотите подать 1 В на нагрузку, вы можете пойти простым путем и использовать делитель напряжения, или вы можете использовать эмиттерный повторитель.

По мере увеличения нагрузки (что, наоборот, означает уменьшение сопротивления) выход схемы делителя напряжения падает.Но выходное напряжение эмиттерного повторителя остается стабильным, независимо от нагрузки. Большие нагрузки не могут «загрузить» эмиттерный повторитель, как это могут быть цепи с большим выходным сопротивлением.

Общая база

Мы поговорим об общей базе, чтобы завершить этот раздел, но это наименее популярная из трех основных конфигураций. В усилителе с общей базой эмиттер является входом, а коллектор — выходом. База общая для обоих.

Общая база похожа на антиэмиттер-повторитель.Это приличный усилитель напряжения, и ток на входе примерно равен выходному току (на самом деле ток на входе немного больше, чем на выходе).

Схема с общей базой лучше всего работает как буфер тока . Он может принимать входной ток с низким входным сопротивлением и подавать почти такой же ток на выход с более высоким сопротивлением.

Резюме

Эти три конфигурации усилителей лежат в основе многих более сложных транзисторных усилителей. У каждого из них есть приложения, где они сияют, будь то усиление тока, напряжения или буферизация.

Вход A	Вход B	Выход A	Выход B	Направление двигателя
0	0	1	1	Остановлено (торможение) 43		1	0	По часовой стрелке
1	0	0	1	Против часовой стрелки
1	1	0	0

440 Низкое 9044

	Общий эмиттер	Общий коллектор	Общая база
Коэффициент усиления напряжения	Средний	Низкий	Высокий
Усиление по току	Среднее	Высокое	Низкое
Выходное сопротивление	Среднее	Низкое	Высокое

Многокаскадные усилители

Мы можем продолжать говорить о большом разнообразии транзисторных усилителей.Вот несколько быстрых примеров, демонстрирующих, что происходит, когда вы комбинируете одноступенчатые усилители, указанные выше:

Дарлингтон

Усилитель Дарлингтона соединяет один общий коллектор с другим для создания усилителя с высоким коэффициентом усиления по току .

Выходное напряжение составляет примерно то же самое, что и входное напряжение (минус примерно 1,2–1,4 В), но коэффициент усиления по току является произведением двух коэффициентов усиления транзистора . Это β ² — более 10 000!

Пара Дарлингтона — отличный инструмент, если вам нужно управлять большой нагрузкой с очень малым входным током.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель вычитает два входных сигнала и усиливает эту разницу. Это важная часть цепей обратной связи, где вход сравнивается с выходом для получения будущего выхода.

Вот основа дифференциального усилителя:

Эта схема также называется длиннохвостой парой . Это пара схем с общим эмиттером, которые сравниваются друг с другом для получения дифференциального выхода.Два входа подаются на базы транзисторов; выход представляет собой дифференциальное напряжение на двух коллекторах.

Двухтактный усилитель

Двухтактный усилитель является полезным «заключительным каскадом» многих многокаскадных усилителей. Это энергоэффективный усилитель мощности, часто используемый для управления громкоговорителями.

Основной двухтактный усилитель использует транзисторы NPN и PNP, оба сконфигурированы как общие коллекторы:

Двухтактный усилитель на самом деле не усиливает напряжение (выходное напряжение будет немного меньше входного), но усиливает ток.Это особенно полезно в биполярных цепях (с положительным и отрицательным питанием), потому что оно может как «проталкивать» ток в нагрузку от положительного источника питания, так и «вытягивать» ток и опускать его в отрицательный источник питания.

Если у вас есть биполярный источник питания (или даже если у вас его нет), двухтактный — отличный конечный каскад для усилителя, действующий как буфер для нагрузки.

Собираем их вместе (операционный усилитель)

Давайте рассмотрим классический пример многокаскадной транзисторной схемы: операционный усилитель.Умение распознавать общие транзисторные схемы и понимание их назначения может очень помочь! Вот схема внутри LM3558, действительно простого операционного усилителя:

Внутреннее устройство операционного усилителя LM358. Узнали какие-то усилители?

Здесь определенно больше сложности, чем вы можете быть готовы усвоить, однако вы можете увидеть некоторые знакомые топологии:

• Q1, Q2, Q3 и Q4 образуют входной каскад. Очень похоже на общий коллектор (Q1 и Q4) на дифференциальный усилитель , верно? Он просто выглядит перевернутым, потому что использует PNP.Эти транзисторы образуют входной дифференциальный каскад усилителя.
• Q11 и Q12 являются частью второй очереди. Q11 является общим коллектором, а Q12 — общим эмиттером . Эта пара транзисторов буферизует сигнал с коллектора Q3 и обеспечивает высокий коэффициент усиления, когда сигнал поступает на конечный каскад.
• Q6 и Q13 являются частью финальной стадии, и они тоже должны выглядеть знакомо (особенно если не обращать внимания на R _SC ) — это двухтактный ! Этот этап буферизует выходной сигнал, позволяя ему управлять большими нагрузками.
• Есть множество других распространенных конфигураций, о которых мы не говорили. Q8 и Q9 сконфигурированы как токовое зеркало , которое просто копирует величину тока, проходящего через один транзистор, в другой.

После этого ускоренного курса по транзисторам мы не ожидаем, что вы поймете, что происходит в этой схеме, но если вы можете начать определять общие схемы транзисторов, вы на правильном пути!

---

Покупка транзисторов

Теперь, когда вы контролируете источник управления, мы рекомендуем SparkFun Inventor’s Kit, чтобы воплотить в жизнь полученные вами новые знания.Мы также предоставили ссылки на комплект полупроводников и одиночные транзисторы для использования в ваших собственных проектах.

Наши рекомендации:

N-канальный полевой МОП-транзистор 60 В, 30 А

В наличии COM-10213

Если вы когда-нибудь задумывались, как управлять фарами автомобиля с помощью микроконтроллера, MOSFET — это то, что вам нужно.Это ве…

4

Пакет дополнений SparkFun Inventor’s Kit — v4.0

На пенсии КОМПЛЕКТ-14310

С помощью Add-On Pack вы сможете включить некоторые из старых частей, которые раньше были включены в SIK, которые были обновлены…

На пенсии

---

Ресурсы и дальнейшее развитие

Если вы хотите глубже изучить транзисторы, мы рекомендуем следующие ресурсы:

• Начало работы в электронике Форрест Мимс — Мимс — мастер объяснения электроники простым для понимания и применимым образом.Обязательно ознакомьтесь с этой книгой, если вы хотите более подробно познакомиться с транзисторами.
• LTSpice и Falstad Circuit — это бесплатные программные инструменты, которые вы можете использовать для моделирования цепей. Цифровые эксперименты со схемами — отличный способ научиться. Вы получаете все эксперименты, без боли макетирования или страха взорвать все. Попробуйте собрать воедино то, о чем мы говорили!
• 2N3904 Техническое описание — Еще один способ узнать о транзисторах — это изучить их техническое описание.2N3904 — действительно распространенный транзистор, который мы используем постоянно (а 2N3906 — его брат по PNP). Ознакомьтесь с таблицей данных, посмотрите, узнаете ли вы какие-нибудь знакомые характеристики.

Кроме того, наш собственный технический директор Пит выпустил серию видеороликов «По словам Пита», в которых основное внимание уделяется транзисторам и транзисторным усилителям. Обязательно посмотрите его видео о диодах и транзисторах:

.

Затем вы можете перейти к: Конфигурации смещения транзисторов, часть 1 и часть 2, и, наконец, текущие зеркала.Качественный товар!

Дальше

Или, если вам не терпится узнать больше об электронике в целом, ознакомьтесь с некоторыми из этих руководств по SparkFun:

Интегральные схемы
• — Что вы получите, если объедините тысячи транзисторов и поместите их в черный ящик? IC!
Регистры сдвига
• — регистры сдвига являются одними из наиболее распространенных интегральных схем. Узнайте, как с помощью транзистора мигать десятки светодиодов всего за несколько входов.
• Mini FET Shield Hookup Guide — Это действительно простой щит Arduino, который использует 8 полевых МОП-транзисторов для управления 8 сильноточными выходами.Это хороший пример использования транзистора в качестве переключателя из реальной жизни.
• Проектирование печатных плат с EAGLE — Выведите свои новые навыки работы с транзисторами на новый уровень. Сделайте из них печатную плату! В этом руководстве объясняется, как использовать бесплатное программное обеспечение (Eagle) для проектирования печатных плат.
• Как паять. Если вы разрабатываете печатную плату, вам также нужно знать, как паять. Узнайте, как паять через отверстия в этом руководстве.

Или ознакомьтесь с некоторыми из этих сообщений в блогах, чтобы найти идеи:

.

No related posts.