Mitä toimintoa transistori suorittaa? Sähköisten signaalien vahvistaminen. Mitä tapahtuu, kun kytket transistorin virran päälle

Radiokomponentin alkuperäinen nimi on triodi, kontaktien lukumäärän perusteella. Tämä radioelementti pystyy ohjaamaan sisäänvirtaa virtapiiri, vaikutuksen alaisena ulkoinen signaali. Ainutlaatuisia ominaisuuksia käytetään vahvistimissa, oskillaattorissa ja muissa vastaavissa piiriratkaisuissa.

Transistorien nimitys kaaviossa

Putkitriodit hallitsivat pitkään radioelektroniikassa. Suljetun pullon sisään, erityiseen kaasu- tai tyhjiöympäristöön, sijoitettiin triodin kolme pääkomponenttia:

• Katodi
• Netto

Kun verkkoon syötettiin pienitehoinen ohjaussignaali, oli mahdollista ohittaa verrattomasti suuria arvoja. Triodin käyttövirta on monta kertaa suurempi kuin ohjausvirta. Juuri tämä ominaisuus sallii radioelementin toimia vahvistimena.

Radioputkiin perustuvat triodit toimivat varsin tehokkaasti varsinkin suurella teholla. Niiden mitat eivät kuitenkaan salli niiden käyttöä nykyaikaisissa kompakteissa laitteissa.

Kuvitella kännykkä tai tällaisille elementeille tehty taskusoitin.

Toinen ongelma on ruokailu. Normaalia toimintaa varten katodin on oltava erittäin kuuma, jotta elektronien emissio alkaa. Patterin lämmittäminen vaatii paljon sähköä. Siksi tutkijat ympäri maailmaa ovat aina pyrkineet luomaan kompaktimman laitteen, jolla on samat ominaisuudet.

Ensimmäiset näytteet ilmestyivät vuonna 1928, ja viime vuosisadan puolivälissä esiteltiin kaksinapaisella tekniikalla valmistettu toimiva puolijohdetriodi. Sille annettiin nimi "transistori".

Mikä on transistori?

Transistori on puolijohteinen sähkölaite kotelolla tai ilman, jossa on kolme kosketinta toimintaa ja ohjausta varten. Pääominaisuus on sama kuin triodilla - virtaparametrien muuttaminen työelektrodien välillä ohjaussignaalin avulla.

Lämmitystarpeen puuttumisen vuoksi transistorit kuluttavat pienen määrän energiaa varmistaakseen oman suorituskykynsä. A kompaktit mitat toimiva puolijohdekide mahdollistaa radiokomponenttien käytön pienikokoisissa rakenteissa.

Kiitos riippumattomuudesta työympäristö, puolijohdekiteitä voidaan käyttää sekä erillisessä pakkauksessa että mikropiireissä. Muiden radioelementtien ohella transistorit kasvatetaan suoraan yksikiteelle.

Puolijohteiden erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ovat löytäneet sovelluksen mobiilissa ja kannettavat laitteet. Transistorit eivät ole herkkiä tärinälle ja teräville iskuille. Niillä on hyvä lämmönkestävyys (at raskas kuorma käytetään jäähdytyspattereita).

Jos tarkastelemme mekaanisia analogeja, transistorien toiminta muistuttaa auton hydraulisen ohjaustehostimen toimintaperiaatetta. Mutta samankaltaisuus pätee vain ensimmäisessä likimäärässä, koska transistoreissa ei ole venttiileitä. Tässä artikkelissa tarkastelemme työtä erikseen bipolaarinen transistori.

Bipolaarinen transistorilaite

Bipolaaritransistorilaitteen perusta on puolijohdemateriaali. Ensimmäiset puolijohdekiteet transistoreille valmistettiin germaniumista, nykyään piitä ja galliumarsenia käytetään useammin. Ensin valmistetaan puhdas puolijohdemateriaali, jossa on hyvin järjestynyt kidehila. Sitten kiteelle annetaan vaadittu muoto ja sen koostumukseen lisätään erityinen epäpuhtaus (materiaali seostetaan), mikä antaa sille tietyt sähkönjohtavuuden ominaisuudet. Jos johtavuus johtuu ylimääräisten elektronien liikkeestä, se määritellään n-tyypin luovuttajaksi (elektroniseksi). Jos puolijohteen johtavuus johtuu tyhjien paikkojen, ns. reikien, peräkkäisestä korvaamisesta elektroneilla, niin tällaista johtavuutta kutsutaan akseptoriksi (reikä) ja sitä kutsutaan p-tyypin johtavuudelle.

Kuva 1.

Transistorikide koostuu kolmesta osasta (kerroksesta), joiden johtavuustyyppi vaihtuu peräkkäin (n-p-n tai p-n-p). Siirtyminen kerroksesta toiseen muodostaa mahdollisia esteitä. Siirtymistä emäksestä emitteriin kutsutaan säteilijä(EP), keräilijälle – keräilijä(KP). Kuvassa 1 transistorin rakenne on esitetty symmetrisenä, idealisoituna. Käytännössä alueiden mitat ovat tuotannon aikana merkittävästi epäsymmetriset, suunnilleen kuvan 2 mukaisesti. Kollektoriliitoksen pinta-ala on huomattavasti suurempi kuin emitteriliitoksen. Pohjakerros on hyvin ohut, useiden mikrometrien luokkaa.

Kuva 2.

Bipolaaritransistorin toimintaperiaate

Mikä tahansa transistorin p-n-liitos toimii samalla tavalla. Kun potentiaaliero kohdistetaan sen napoihin, se "siirtyy". Jos käytetty potentiaaliero on ehdollisesti positiivinen ja pn-liitos avautuu, liitoksen sanotaan olevan myötäsuuntainen. Kun ehdollisesti negatiivista potentiaalieroa käytetään, tapahtuu risteyksen käänteinen bias, jossa se lukittuu. Transistorin toiminnan ominaisuus on, että vähintään yhden siirtymän positiivisella biasilla, yleinen alue, jota kutsutaan emäkseksi, on kyllästetty elektroneilla tai elektronien tyhjillä paikoilla (riippuen perusmateriaalin johtavuuden tyypistä), mikä pienentää merkittävästi toisen siirtymän potentiaalisulkua ja sen seurauksena sen johtavuutta käänteisessä biasissa.

Toimintatilat

Kaikki transistorikytkentäpiirit voidaan jakaa kahteen tyyppiin: normaali Ja käänteinen.

Kuva 3.

Normaali transistorin kytkentäpiiri sisältää kollektoriliitoksen sähkönjohtavuuden muuttamisen säätämällä emitteriliitoksen esijännitettä.

Käänteinen kaava, toisin kuin normaali, antaa sinun ohjata emitteriliitoksen johtavuutta ohjaamalla kollektoriliitoksen esijännitettä. Käänteispiiri on symmetrinen analogi normaalille, mutta bipolaaritransistorin rakenteellisen epäsymmetrian vuoksi se on tehoton käytössä ja sillä on tiukemmat rajoitukset maksimiarvolle. hyväksyttävät parametrit eikä sitä käytännössä käytetä.

Transistori voi toimia missä tahansa kytkentäkaaviossa kolme tilaa: Katkaisutila, aktiivinen tila Ja kylläisyystila.

Työnkuvausohjeet sähkövirta tässä artikkelissa se on perinteisesti otettu elektronien suunnaksi, ts. virtalähteen negatiivisesta navasta positiiviseen napaan. Käytetään tähän kuvan 4 kaaviota.

Kuva 4.

Katkaisutila

varten p-n risteys On olemassa pienin myötäsuuntainen bias-jännite, jolla elektronit pystyvät voittamaan tämän siirtymän potentiaaliesteen. Toisin sanoen myötäsuuntaisella biasjännitteellä tähän kynnysarvoon asti ei virta voi kulkea liitoksen läpi. varten piitransistorit tällaisen kynnyksen arvo on noin 0,6 V. Näin ollen normaalilla kytkentäpiirillä, kun emitteriliitoksen myötäsuuntainen bias ei ylitä 0,6 V (piitransistoreille), kannan läpi ei kulje virtaa, se ei ole kyllästynyt elektroneja, jolloin kollektorialueelle ei synny emäselektroneja, ts. Ei ole kollektorivirtaa (nolla).

Siten katkaisutilassa välttämätön edellytys ovat identiteetit:

U BE<0,6 В

I B = 0

Aktiivinen tila

Aktiivisessa tilassa emitteriliitos on esijännitetty eteenpäin avaushetkeen saakka (virta alkaa virrata) jännitteellä, joka on suurempi kuin 0,6 V (piitransistoreilla), ja kollektoriliitos päinvastaisessa suunnassa. Jos pohjalla on p-tyyppinen johtavuus, elektroneja siirretään (injektoidaan) emitteristä kantaan, jotka jakautuvat välittömästi ohuelle pohjakerrokselle ja melkein kaikki saavuttavat kollektorin rajan. Pohjan kyllästyminen elektroneilla johtaa kollektoriliitoksen koon merkittävään pienenemiseen, jonka kautta elektronit pakotetaan emitterin ja emäksen negatiivisen potentiaalin vaikutuksesta kollektorialueelle, joka virtaa kollektoriliittimen läpi, jolloin aiheuttaa kollektorivirran. Pohjan erittäin ohut kerros rajoittaa sen maksimivirtaa, joka kulkee hyvin pienen poikkileikkauksen läpi alustan ulostulon suunnassa. Mutta tämä pohjan pieni paksuus aiheuttaa sen nopean kyllästymisen elektroneilla. Liitosalue on merkittävä, mikä luo edellytykset merkittävän emitteri-kollektorivirran, kymmeniä ja satoja kertoja perusvirtaa suuremmalle virtaukselle. Näin ollen johtamalla merkityksettömiä virtoja kannan läpi voimme luoda olosuhteet paljon suurempien virtojen kulkemiselle kollektorin läpi. Mitä suurempi kantavirta, sitä suurempi on sen kylläisyys ja sitä suurempi kollektorivirta. Tämän tilan avulla voit tasaisesti ohjata (säätää) kollektoriliitoksen johtavuutta muuttamalla (säätämällä) vastaavasti kantavirtaa. Tätä transistorin aktiivisen tilan ominaisuutta käytetään erilaisissa vahvistinpiireissä.

Aktiivitilassa transistorin emitterivirta on kanta- ja kollektorivirran summa:

I E = I K + I B

Kollektorivirta voidaan ilmaista seuraavasti:

I K = α Minä E

missä α on emitterin virransiirtokerroin

Yllä olevista yhtälöistä voimme saada seuraavat:

missä β on perusvirran vahvistuskerroin.

Kylläisyystila

Raja kantavirran lisäämiselle siihen hetkeen asti, jolloin kollektorivirta pysyy muuttumattomana, määrittää kannan maksimikyllästymispisteen elektroneilla. Kantavirran lisäys ei muuta sen kyllästymisastetta eikä vaikuta kollektorivirtaan millään tavalla, se voi johtaa materiaalin ylikuumenemiseen pohjakosketinalueella ja transistorin epäonnistumiseen. Transistorien vertailutiedot voivat osoittaa kyllästysvirran ja suurimman sallitun kantavirran arvot tai emitteri-kanta-kyllästysjännitteen ja suurimman sallitun emitteri-kantajännitteen. Nämä rajat määrittävät transistorin kyllästymistilan normaaleissa käyttöolosuhteissa.

Katkaisutila ja kyllästystila ovat tehokkaita, kun transistorit toimivat elektronisina kytkiminä signaali- ja tehopiirien kytkemiseksi.

Ero eri rakenteellisten transistorien toimintaperiaatteessa

Yllä tarkasteltiin tapausta n-p-n-transistorin toiminnasta. Pnp-rakenteiden transistorit toimivat samalla tavalla, mutta on olemassa perustavanlaatuisia eroja, jotka sinun pitäisi tietää. Puolijohdemateriaalilla, jolla on p-tyyppinen akseptorijohtavuus, on suhteellisen alhainen elektronien läpäisykyky, koska se perustuu elektronin siirtymisen periaatteeseen yhdestä vapaasta paikasta (reiästä) toiseen. Kun kaikki vapaat paikat korvataan elektroneilla, niiden liikkuminen on mahdollista vain vapaita paikkoja ilmaantuessa liikkeen suuntaan. Tällaisten materiaalien merkittävällä alueella sillä on merkittävä sähkövastus, mikä johtaa suurempiin ongelmiin käytettäessä p-n-p bipolaaristen transistorien massiivimpana kollektorina ja emitterinä kuin käytettäessä erittäin ohuessa n-p-n-transistorien pohjakerroksessa. Puolijohdemateriaalilla, jolla on n-tyypin luovuttajajohtavuus, on johtavien metallien sähköiset ominaisuudet, mikä tekee siitä edullisemman käytettävän emitterina ja kollektorina, kuten n-p-n-transistoreissa.

Tämä erilaisten bipolaaristen transistorirakenteiden erottuva piirre johtaa suuriin vaikeuksiin valmistaa komponenttipareja, joilla on erilaiset rakenteet ja samanlaiset sähköiset ominaisuudet. Jos kiinnität huomiota transistoriparien ominaisuuksien vertailutietoihin, huomaat, että kun samat ominaisuudet saavutetaan kahdelle erityyppiselle transistorille, esimerkiksi KT315A ja KT361A, huolimatta niiden identtisestä kollektoritehosta (150 mW) ja noin sama virtavahvistus (20-90), niillä on erilaiset suurimmat sallitut kollektorivirrat, emitteri-kantajännitteet jne.

P.S. Tämä transistorin toimintaperiaatteen kuvaus tulkittiin venäläisen teorian kannasta, joten sähkökenttien vaikutuksesta kuvitteellisiin positiivisiin ja negatiivisiin varauksiin ei ole kuvausta. Venäläinen fysiikka mahdollistaa yksinkertaisempien, ymmärrettävien mekaanisten mallien käytön, jotka ovat lähempänä todellisuutta kuin abstraktioita sähkö- ja magneettikenttien, positiivisten ja sähkövarausten muodossa, joita perinteinen koulu petollisesti kämmentelee. Tästä syystä en suosittele käyttämään esitettyä teoriaa ilman alustavaa analyysiä ja ymmärrystä valmistautuessaan kokeisiin, kurssitöihin ja muihin töihin, eivät ehkä hyväksy toisinajattelua, edes kilpailevaa ja yleisen näkökulmasta melko johdonmukaista järkeä ja logiikkaa. Lisäksi tämä on omalta osaltani ensimmäinen yritys kuvata puolijohdelaitteen toimintaa venäläisen fysiikan asennosta, sitä voidaan jalostaa ja täydentää tulevaisuudessa.

Kerran transistorit korvasivat tyhjiöputket. Tämä johtuu siitä, että niillä on pienemmät mitat, korkea luotettavuus ja alhaisemmat tuotantokustannukset. Nyt bipolaaritransistoritovat peruselementtejä kaikissa vahvistuspiireissä.

Se on puolijohdeelementti, jolla on kolmikerroksinen rakenne, joka muodostaa kaksi elektronireikäliitoskohtaa. Siksi transistori voidaan esittää kahtena peräkkäisenä diodina. Riippuen siitä, mitkä ovat tärkeimmät varauksen kantajat, ne erottavat p-n-p Ja n-p-n transistorit.

Pohja– puolijohdekerros, joka on transistorin suunnittelun perusta.

Lähettäjä kutsutaan puolijohdekerrokseksi, jonka tehtävänä on ruiskuttaa varauksen kantajia pohjakerrokseen.

Keräilijä kutsutaan puolijohdekerrokseksi, jonka tehtävänä on kerätä pohjakerroksen läpi kulkevia varauksenkuljettajia.

Tyypillisesti emitteri sisältää paljon suuremman määrän päävarauksia kuin kanta. Tämä on transistorin toiminnan pääedellytys, koska tässä tapauksessa, kun emitteriliitos on eteenpäin esijännitetty, virran määräävät emitterin pääkantajat. Säteilijä pystyy suorittamaan päätehtävänsä - ruiskuttamaan kantajia pohjakerrokseen. He yleensä yrittävät tehdä emitterin käänteisvirran mahdollisimman pieneksi. Emitter-enemmistokantoaaltojen kasvu saavutetaan käyttämällä suurta seostusainepitoisuutta.

Tee pohja mahdollisimman ohueksi. Tämä johtuu maksujen kestosta. Varauksenkuljettajien tulee kulkea pohjan poikki ja yhdistyä mahdollisimman vähän uudelleen pääkantaajien kanssa saavuttaakseen keräilijän.

Jotta keräilijä voisi kerätä täydellisemmin pohjan läpi kulkevaa materiaalia, he yrittävät tehdä siitä leveämmän.

Transistorin toimintaperiaate

Katsotaanpa esimerkkiä p-n-p-transistorista.

Ulkoisten jännitteiden puuttuessa kerrosten välille muodostuu potentiaaliero. Risteyksiin asennetaan mahdolliset esteet. Lisäksi, jos emitterissä ja kollektorissa olevien reikien määrä on sama, mahdolliset esteet ovat yhtä leveitä.

Jotta transistori toimisi oikein, emitteriliitoksen on oltava eteenpäin esijännitetty ja kollektoriliitoksen on oltava käänteinen.. Tämä vastaa transistorin aktiivista toimintatilaa. Tällaisen yhteyden muodostamiseen tarvitaan kaksi lähdettä. Lähde, jonka jännite on Ue, on kytketty positiivisella navalla emitteriin ja negatiivisella navalla kantaan. Lähde jännitteellä Uк on kytketty negatiivisella napalla kollektoriin ja positiivisella napalla kantaan. Lisäksi Uе< Uк.

Jännitteen Ue vaikutuksesta emitteriliitos on biasoitu eteenpäin. Kuten tiedetään, kun elektroni-aukko-siirtymä on biasoitu eteenpäin, ulkoinen kenttä on suunnattu vastapäätä siirtymäkenttää ja siten pienentää sitä. Suurin osa kantajista alkaa kulkea siirtymän läpi emitterissä on 1-5 reikää ja pohjassa 7-8 elektronia. Ja koska emitterissä olevien reikien määrä on suurempi kuin elektronien lukumäärä pohjassa, emitterin virta johtuu pääasiassa niistä.

Emitterivirta on emitterivirran reikäkomponentin ja alustan elektronisen komponentin summa.

Koska vain reikäkomponentti on hyödyllinen, elektroniikkakomponentista pyritään tekemään mahdollisimman pieni. Emitteriliitoksen laadullinen ominaisuus on ruiskutussuhde.

He yrittävät tuoda ruiskutuskertoimen lähemmäksi yhtä.

Pohjaan menneet reiät 1-5 kerääntyvät emitteriliitoksen rajalle. Tällöin emitterin läheisyyteen syntyy suuri reikien pitoisuus ja kollektoriliitoksen lähelle pieni pitoisuus, minkä seurauksena reikien diffuusioliike emitteristä kollektoriliitokseen alkaa. Mutta lähellä kollektoriliitoskohtaa reikäpitoisuus pysyy nollana, koska heti kun reiät saavuttavat liitoskohdan, ne kiihtyvät sen sisäisen kentän vaikutuksesta ja ne vedetään pois (vedetään) kollektoriin. Tämä kenttä hylkii elektroneja.

Kun reiät ylittävät pohjakerroksen, ne yhdistyvät uudelleen siellä olevien elektronien kanssa, kuten esimerkiksi reikä 5 ja elektroni 6. Ja koska reikiä tulee jatkuvasti, ne muodostavat ylimääräisen positiivisen varauksen, joten sisään on tultava myös elektroneja, jotka vedetään. kantapään läpi ja muodostavat kantavirran Ibr. Tämä on tärkeä ehto transistorin toiminnalle – pohjassa olevien reikien pitoisuuden tulee olla suunnilleen yhtä suuri kuin elektronien pitoisuus. Toisin sanoen Alustan sähköinen neutraalisuus on varmistettava.

Keräimeen saapuvien reikien määrä on pienempi kuin emitteristä lähtevien reikien määrä pohjassa olevien rekombinoitujen reikien määrällä. Tuo on, Kollektorivirta eroaa emitterin virrasta kantavirran määrällä.

Täältä se näkyy siirtokerroin operaattorit, joita he myös yrittävät tuoda lähemmäs 1:tä.

Transistorin kollektorivirta koostuu reikäkomponentista Icr ja käänteiskollektorivirrasta.

Käänteinen kollektorivirta syntyy kollektoriliitoksen käänteisen esijännityksen seurauksena, joten se koostuu reiän 9 ja elektronin 10 vähemmistökantajista. Juuri siksi, että käänteisvirta muodostuu vähemmistökannettajista, se riippuu vain lämmönmuodostusprosessista, eli lämpötilassa. Siksi sitä usein kutsutaan lämpövirta.

Transistorin laatu riippuu lämpövirran suuruudesta, mitä pienempi se on, sitä parempi transistori.

Kollektorivirta on kytketty emitteriin virransiirtokerroin.

Transistorin virrat voidaan esittää seuraavasti

Mikä tahansa elektroninen laite koostuu radioelementeistä. Ne voivat olla passiivisia, jotka eivät vaadi virtalähdettä, tai aktiivisia, jotka voivat toimia vain jännitteen ollessa päällä. Puolijohteita kutsutaan aktiivisiksi elementeiksi. Yksi tärkeimmistä puolijohdelaiteista on transistori. Tämä radioelementti korvasi putkilaitteet ja muutti täysin laitteiden piirit. Kaikki mikroelektroniikka ja minkä tahansa mikropiirin toiminta perustuvat siihen.

Nimi "transistor" tulee kahden englanninkielisen sanan yhdistämisestä: siirto - kannettava ja vastus - vastus. Yleisesti hyväksytyssä konseptissa tämä on puolijohdeelementti, jossa on kolme liitintä. Siinä kahden liittimen virran arvo riippuu kolmannesta, kun muutetaan virtaa tai jännitettä, jolla lähtöpiirin virta-arvoa ohjataan. Bipolaarisia laitteita ohjataan virran vaihtelulla, ja kenttälaitteita ohjataan jännitteellä.

Ensimmäinen transistorin kehitystyö alkoi 1900-luvulla. Saksassa tiedemies Julius Edgar Lilienfeld kuvaili transistorin toimintaperiaatetta, ja jo vuonna 1934 fyysikko Oskar Heil rekisteröi laitteen, jota myöhemmin kutsuttiin transistorikseksi. Tällainen laite toimi sähköstaattisen kentän vaikutuksesta.

Fyysikot William Shockley, Walter Brattain tekivät yhdessä tiedemies John Bardeenin kanssa ensimmäisen pistepistetransistorin prototyypin 40-luvun lopulla. N-p-liitoksen löytämisen myötä piste-pistetransistorin tuotanto loppui, ja sen sijaan alettiin kehittää tasomaisia ​​laitteita germaniumista. Transistorin toimiva prototyyppi esiteltiin virallisesti joulukuussa 1947. Tänä päivänä ilmestyi ensimmäinen bipolaarinen transistori. Kesällä 1948 transistoripohjaisia ​​laitteita alettiin myydä. Siitä hetkestä lähtien tuolloin yleiset elektroniset putket (triodit) alkoivat tulla menneisyyteen.

50-luvun puolivälissä Texas Instruments valmisti ensimmäisen tasotransistorin sarjassa käyttämällä piitä valmistusmateriaalina. Tuolloin radioelementin valmistus aiheutti paljon vikoja, mutta tämä ei estänyt laitteen teknologista kehitystä. Vuonna 1953 kuulolaitteissa käytetty piiri valmistettiin transistoreilla, ja vuotta myöhemmin amerikkalaiset fyysikot saivat löydöstään Nobel-palkinnon.

Maaliskuussa 1959 luotiin ensimmäinen piitasolaite, jonka kehittäjä oli sveitsiläinen fyysikko Jean Erni. Pari transistoria asetettiin onnistuneesti yhdelle piisirun päälle. Tästä hetkestä lähtien integroitujen piirien teknologian kehitys alkoi. Nykyään yhdellä sirulla on yli miljardi transistoria. Esimerkiksi suositussa 8-ytimisessä tietokoneprosessorissa Core i7−5960X niiden määrä on 2,6 miljardia.

Rinnakkain bipolaaritransistorin parannusten kanssa aloitettiin 1960-luvulla metalli-puolijohdeliitäntään perustuvan laitteen kehittäminen. Tällaista radioelementtiä kutsutaan MOS (metallioksidi-puolijohde) -transistoriksi, joka tunnetaan nykyään paremmin nimellä "mosfet".

Alun perin käsitteellä "transistori" viitattiin resistanssiin, jonka arvoa ohjattiin jännitteellä, koska transistoria voidaan pitää eräänlaisena vastuksena, jota säätelee yhteen liittimeen kohdistettu potentiaali. Kenttätransistoreilla, joiden vertailu on oikeampi, se on portin potentiaali ja bipolaaritransistoreilla se on kannan potentiaali tai kantavirta.

Laitteen toiminnan perusta on n-p-liitoksen kyky siirtää virtaa yhteen suuntaan. Kun jännite kytketään, toisessa risteyksessä tapahtuu pudotus eteenpäin ja toisessa päinvastainen. Tasajännitteisellä siirtymävyöhykkeellä on pieni resistanssi ja käänteisjännitteellä korkea vastus. Pieni ohjausvirta kulkee kannan ja emitterin välillä. Tämän virran arvo muuttaa kollektorin ja emitterin välistä vastusta. Kaksisuuntaisia ​​laitteita on kahdenlaisia:

• p-n-p;
• n-p-n.

Ero on vain päävarauksen kantajissa eli virran suunnassa.

Jos yhdistät kaksi erityyppistä puolijohdetta toisiinsa, liitosrajalle ilmestyy alue tai, kuten yleisesti kutsutaan, p-n-liitos. Johtavuuden tyyppi riippuu materiaalin atomirakenteesta, eli kuinka vahvoja sidoksia materiaalissa on. Puolijohteen atomit on järjestetty hilaan, eikä materiaali itsessään ole johdin. Mutta jos hilaan lisätään toisen materiaalin atomeja, puolijohteen fysikaaliset ominaisuudet muuttuvat. Sekaatomit muodostavat luonteensa mukaan vapaita elektroneja tai reikiä.

Muodostuneet vapaat elektronit muodostavat negatiivisen varauksen ja reiät positiivisen varauksen. Siirtymäalueella on mahdollinen este. Se muodostuu kosketuspotentiaalierosta, ja sen korkeus ei ylitä voltin kymmenesosia, mikä estää varauksenkuljettajien virtauksen syvälle materiaaliin. Jos liitos on tasajännitteen alainen, potentiaaliesteen suuruus pienenee ja sen läpi kulkevan virran suuruus kasvaa. Käänteisjännitettä käytettäessä esteen suuruus kasvaa ja esteen vastus virran kulkua vastaan ​​kasvaa. Ymmärtämällä pn-liitoksen toiminnan voit ymmärtää, kuinka transistori toimii.

Ensinnäkin tällaiset laitteet on jaettu yksittäisiin ja yhdistettyihin. On myös niin kutsuttuja monimutkaisia ​​radioelementtejä. Niissä on kolme liitintä ja ne on valmistettu yhtenä kokonaisuutena. Tällaiset kokoonpanot sisältävät sekä samantyyppisiä että erityyppisiä transistoreita. Laitteiden pääjako tapahtuu seuraavien kriteerien mukaan:

Radioelementin yleinen määritelmä voidaan muotoilla seuraavasti: transistori on puolijohdeelementti, joka on suunniteltu muuttamaan sähköisiä suureita. Sen pääasiallinen käyttö on signaalin vahvistaminen tai käyttö näppäintilassa.

Transistorin toimintaperiaate "teekannulle" on helpompi kuvata analogisesti vesihuollon kanssa. Itse elementti voidaan esittää venttiilinä. Hanaa hieman kääntämällä voit säätää veden virtausta (virranvoimakkuutta). Jos käännät kahvaa hieman, vesi virtaa putken (johtimen) läpi, jos avaat hanan vielä enemmän, myös veden virtaus kasvaa. Siten vesivirtauksen tuotto on verrannollinen sen tuloon kerrottuna tietyllä arvolla. Tätä arvoa kutsutaan vahvistukseksi.

Bipolaarisessa transistorissa on kolme liitintä: emitteri, kanta, kollektori. Emitterillä ja kollektorilla on samantyyppinen johtavuus, joka eroaa pohjasta. Reikätyyppiset transistorit koostuvat kahdesta p-tyypin johtavuuden alueesta ja yhdestä n-tyypin alueesta. Elektroninen tyyppi on päinvastainen. Jokaisella alueella on oma tuotos.

Kun vaaditun johtavuuden omaava signaali syötetään emitteriin, virta perusalueella kasvaa. Päävarauksen kantajat siirtyvät perusalueelle, mikä johtaa virran kasvuun paluukytkentäalueella. Tilamaksu syntyy. Sähkökenttä alkaa vetää erimerkkisiä kantoaaltoja käänteiskytkentävyöhykkeelle. Kantaessa tapahtuu vastakkaisen merkin varausten osittainen rekombinaatio (tuhoaminen), minkä vuoksi kantavirta syntyy.

Säteilijä on laitteen alue, jonka tehtävänä on siirtää varauksenkantajat alustalle. Kerääjä on vyöhyke, joka on suunniteltu poistamaan varauksen kantajia pohjasta. Ja pohja on alue, jossa emitteri siirtää vastakkaisen määrän varausta. Laitteen pääominaisuus on virta-jännite-ominaisuus, jonka toiminto kuvaa virran ja jännitteen välistä suhdetta.

Kaaviossa laite on allekirjoitettu latinalaisilla kirjaimilla VT tai Q. Se näyttää ympyrältä, jonka sisällä on nuoli, jossa nuoli osoittaa virran suunnan. PNP:ssä (eteenpäin johtavassa) nuoli on sisäänpäin ja NPN:ssä (käänteinen johto) nuoli on ulospäin. Transistorin valmistukseen käytetään germaniumia tai piitä. Nämä materiaalit eroavat kantaliitoksen käyttöjännitealueelta. Germaniumille se on välillä 0,1-0,4 V ja piille 0,4-1,2 V. Yleensä käytetään piitä.

Ero kenttätransistorin ja bipolaaritransistorin välillä on se, että ohjattuun koskettimeen syötetty jännite vastaa virran kulusta.

Mosfettien päätarkoitus liittyy niiden hyvään kytkentänopeuteen, jossa ohjausnastalle syötetään hyvin vähän tehoa. Kenttäelementissä on kolme liitintä: portti, tyhjennys, lähde. Kun MOSFET toimii ohjaus-n-p-liitoksella, portin potentiaali on joko nolla (laite on auki) tai sen arvo on suurempi kuin nolla (laite on kiinni). Kun käänteinen jännite saavuttaa tietyn tason, estokerros avautuu ja laite siirtyy katkaisutilaan.

Mosfetissa, jossa on p-n-liitos, ohjauselektrodi (hila) on puolijohdekerros, jolla on p-tyypin johtavuus, ja vastakkainen johtavuus on n-tyypin kanava.

Sen kuva kaaviossa on samanlainen kuin kaksinapainen laite, vain kaikki viivat ovat suoria ja sisällä oleva nuoli korostaa laitteen tyyppiä. MOS-laitteiden toimintaperiaate perustuu puolijohteen johtavuuden muutosten vaikutukseen alueen rajalla eristeen kanssa, kun se altistuu sähkökentälle. Kenttälaitteet voivat ohjatusta p-n-liitoksesta riippuen olla:

Jokaisella lajilla voi olla sekä p- että n-tyypin johtavuus. Yleisesti ottaen toimintaperiaate ei riipu johtavuudesta, vain jännitelähteen napaisuus muuttuu.

Transistori on monimutkainen laite, jonka fyysisiä prosesseja aloittelevien radioamatöörien (nukkejen) on vaikea ymmärtää. Transistori toimii seuraavasti: Transistori on elektroninen kytkin, jonka avautumisaste riippuu sen ohjattuun liittimeen (tukiasemaan tai porttiin) syötetyn virran tai jännitteen tasosta.

Miksi transistoria tarvitaan, voidaan kuvata yleistetyssä muodossa. Esimerkiksi laitteen pohja (suljin) on ovi. Se avautuu ulkoisen vaikutuksen, eli saman napaisuuden jännitteen vaikutuksesta kuin kollektori (lähde). Mitä suurempi jännitys, sitä enemmän ovi aukeaa. Oven edessä on joukko ihmisiä (latauksenkuljettajia), jotka haluavat juosta sen läpi (keräin-emitteri tai lähde-viemäri). Mitä suurempi vaikutus oveen, sitä enemmän se on auki, mikä tarkoittaa, että enemmän ihmisiä kulkee sen läpi.

Siksi, kun kuvittelemme oven siirtymävastuksena, voimme päätellä: mitä suurempi vaikutus alustaan ​​(porttiin), sitä vähemmän vastustaa päävarauksenkantajia (ihmisiä) suoran napaisuuden tapauksessa. Jos napaisuus on käänteinen (ovi on lukittu), varausten (ihmisten) liikettä ei tapahdu.

Mitä nimi "transistori" tarkoittaa?

Transistori ei saanut heti niin tuttua nimeä. Aluksi sitä kutsuttiin analogisesti lampputekniikan kanssa puolijohdetriodi. Nykyaikainen nimi koostuu kahdesta sanasta. Ensimmäinen sana on "siirto" (tässä "muuntaja" tulee heti mieleen) tarkoittaa lähetintä, muuntajaa, kantajaa. Ja sanan toinen puoli muistuttaa sanaa "vastus" - osa sähköpiireistä, joiden pääominaisuus on sähkövastus.

Juuri tämä vastus löytyy Ohmin laista ja monista muista sähkötekniikan kaavoista. Siksi sana "transistori" voidaan tulkita vastusmuuntimeksi. Samoin kuin hydrauliikassa, nestevirtauksen muutoksia säätelee venttiili. Transistorissa tällainen "salpa" muuttaa sähkövirran luovien sähkövarausten määrää. Tämä muutos ei ole muuta kuin muutos puolijohdelaitteen sisäisessä resistanssissa.

Sähköisten signaalien vahvistus

Yleisin suoritettu toimenpide transistorit, On sähköisten signaalien vahvistus. Mutta tämä ei ole täysin oikea ilmaus, koska mikrofonin heikko signaali pysyy sellaisena.

Vahvistusta tarvitaan myös radio- ja televisiovastaanotossa: antennin, jonka teho on miljardisosat, heikko signaali on vahvistettava tarpeeksi, jotta se tuottaa ääntä tai kuvaa ruudulle. Ja tämä on jo useiden kymmenien ja joissakin tapauksissa satojen wattien teho. Siksi vahvistusprosessi rajoittuu siihen, että käytetään teholähteestä saatuja lisäenergialähteitä tehokkaan kopion saamiseksi heikosta tulosignaalista. Toisin sanoen pienitehoinen syöttövaikutus ohjaa voimakkaita energiavirtoja.

Vahvistuminen muilla tekniikan ja luonnon osa-alueilla

Tällaisia ​​esimerkkejä ei löydy vain sähköpiireistä. Esimerkiksi kun painat kaasupoljinta, auton nopeus kasvaa. Samaan aikaan sinun ei tarvitse painaa kaasupoljinta kovin lujasti - moottorin tehoon verrattuna polkimella painamasi teho on mitätön. Nopeuden vähentämiseksi sinun on vapautettava poljin hieman ja heikennettävä tulovaikutusta. Tässä tilanteessa bensiini on voimakas energianlähde.

Sama vaikutus on havaittavissa hydrauliikassa: sähkömagneettisen venttiilin avaamiseen käytetään hyvin vähän energiaa esimerkiksi työstökoneessa. Ja mekanismin mäntään kohdistuva öljynpaine voi luoda useiden tonnejen voiman. Tätä voimaa voidaan säätää, jos öljyputkessa on säädettävä venttiili, kuten tavallisessa keittiöhanassa. Sulki sen hieman - paine laski, voima väheni. Jos avasin sitä enemmän, paine nousi.

Venttiilin kääntäminen ei myöskään vaadi paljon vaivaa. Tässä tapauksessa ulkoinen energianlähde on koneen pumppuasema. Ja paljon vastaavia vaikutteita voidaan nähdä luonnossa ja tekniikassa. Mutta silti olemme enemmän kiinnostuneita transistorista, joten meidän on harkittava lisää...

Sähköiset signaalivahvistimet