Зрозуміємо разом принципи роботи транзистора

Транзистори є активними компонентами і використовуються повсюдно в електронних ланцюгах в якості підсилювачів і комутаційних пристроїв (транзисторних ключів). Як підсилювальні прилади вони застосовуються в приладах високої і низької частоти, генератори сигналів, модуляторах, детекторах і багатьох інших ланцюгах. В цифрових схемах, в імпульсних блоках харчування і керованих електроприводах вони служать в якості ключів.

Біполярні транзистори

Так називається найбільш поширений тип транзистора. Вони діляться на npn і pnp типи. Матеріалом для них найбільш часто є кремній або германій. Спочатку транзистори робилися з німеччина, але вони були дуже чутливі до температури. Кремнієві прилади набагато більш стійки до її коливань і дешевше у виробництві. Різні біполярні транзистори показано на фото нижче. Малопотужні прилади розташовані в невеликих пластикових прямокутних або металевий циліндричних корпусах. Вони мають три висновки: для бази (Б), емітер (Е) і колектор (До). Кожен з них підключений до одного з трьох шарів кремнію з провідністю або n- (струм утворюють вільні електрони), або p-типу (струм утворюють так звані позитивно заряджені дірки), з яких і складається структура транзистора.

Як влаштований біполярний транзистор?

Принципи роботи транзистора потрібно вивчати, починаючи з його пристрою. Розглянемо структуру npn-транзистора, яка зображена на рис.нижче. Як бачимо, він містить три шари: два з провідністю n-типу і один – p-типу. Тип провідності шарів визначається ступенем легування спеціальними домішками різних частин кремнієвого кристала. Емітер n-типу дуже сильно легований, щоб отримати безліч вільних електронів як основних носіїв струму. Дуже тонка база p-типу злегка легована домішками і має високий опір, а колектор n - типу дуже сильно легований, щоб надати йому низький опір.

Принципи роботи транзистора

Кращим способом познайомитися з ними є експериментальний шлях. Нижче наведена схема простого ланцюга. Вона використовує силовий транзистор для управління світлом лампочки. Вам також знадобиться батарейка, небольшаю лампочка від ліхтарика приблизно 45/03 А, потенціометр у вигляді змінного резистора (5К) і резистор 470 Ом. Ці компоненти повинні бути з'єднані, як показано на малюнку праворуч від схеми.




Поверніть движок потенціометра в крайнє нижнє положення. Це знизить напругу на базі (між базою і землею) до нуля вольт (U BE = 0). Лампа не світиться, що означає відсутність струму через транзистор. Якщо тепер обертати рукоятку від її нижній позиції, то U BE поступово збільшується. Коли воно досягає 06 В, струм починає текти в базу транзистора, і лампа починає світитися. Коли рукоятка зсувається далі, напруга U BE залишається на рівні 06 В, а струм бази збільшується і це збільшує струм через ланцюг колектор-емітер. Якщо рукоятка зсунута у верхнє положення, напруга на базі буде трохи збільшено до 075 але струм значно зросте і лампа буде світитися яскраво.

А якщо виміряти струми транзистора?

Якщо ми включимо амперметр між колектором (C) і лампою (для вимірювання I C ), інший амперметр між базою (B) і потенціометром (для вимірювання I B ), а також вольтметр між загальним проводом і базою і повторимо весь експеримент, ми зможемо отримати деякі цікаві дані. Коли ручка потенціометра знаходиться в його нижчій позиції, U BE дорівнює 0 також як і струми I C та I B . Коли рукоятку зрушують, ці значення зростають до тих пір, поки лампочка не починає світитися, коли вони рівні: U BE = 0.6 I B = 08 мА і I C = 36 мА. В результаті ми отримуємо від цього експерименту наступні принципи роботи транзистора: при відсутності позитивного (для npn-типу) напруги зсуву на базі струми через його висновки дорівнюють нулю, а при наявності напруги і струму бази їх зміни впливають на струм в ланцюзі колектор - емітер.

Що відбувається при включенні живлення транзистора

Під час нормальної роботи, напруга, прикладена до переходу база-емітер, розподіляється так, що потенціал бази (p-типу) приблизно на 06 вище, ніж у емітера (n-типу). При цьому до даного переходу прикладена пряма напруга, він зміщений у прямому напрямку і відкритий для протікання струму з бази в емітер. Набагато більш висока напруга прикладена до переходу база-колектор, причому потенціал колектора (n-типу) виявляється більш високим, ніж у бази (p-типу). Так що до переходу прикладена зворотна напруга і він зміщений у зворотному напрямку. Це призводить до утворення досить товстого збідненого електронами шару в колекторі поблизу бази, коли до транзистору прикладається напруга живлення. В результаті струм через ланцюг колектор-емітер не проходить. Розподіл зарядів в зонах переходів npn-транзистора показана на малюнку нижче.

Яка роль струму бази?

Як же змусити працювати наш електронний прилад? Принцип дії транзистора полягає у впливі струму бази на стан закритого переходу база-колектор. Коли перехід база-емітер зміщений у прямому напрямку, невеликий струм буде надходити в базу. Тут його носіями є позитивно заряджені дірки. Вони комбінуються з електронами, які надходять з емітера, забезпечуючи струм I BE . Однак внаслідок того, що емітер дуже сильно легований, набагато більше електронів надходить з нього базу, ніж здатне з'єднатися з дірками. Це означає, що виникає велика концентрація електронів у базі, і більшість з них перетинає її і потрапляє в збіднений електронами шар колектора. Тут вони потрапляють під вплив сильного електричного поля, прикладеного до переходу база-колектор, проходять через збіднений електронами шар і основний об'єм колектора до його висновку. Зміни струму, припливаючого в базу, впливають на кількість залучених від емітера електронів. Таким чином, принципи роботи транзистора можуть бути доповнені наступним твердженням: дуже невеликі зміни в базовому струмі викликають дуже великі зміни в струмі, що протікає від емітера до колектора, тобто відбувається посилення струму.

Типи польових транзисторів

По англійськи вони позначаються FETs - Field Effect Transistors, що можна перевести як «транзистори з польовим ефектом». Хоча є багато плутанини в назвах для них, але зустрічаються в основному два основних їх типи: 1. З керуючим pn-переходом. В англомовній літературі вони позначаються JFET або Junction FET, що можна перевести як «перехідний польовий транзистор». Інакше вони іменуються JUGFET або Junction Unipolar Gate FET. 2. З ізольованим затвором (МДН - або МДП-транзистори). По англійськи вони позначаються IGFET або Insulated Gate FET. Зовні вони дуже схожі на біполярні, що підтверджує фото нижче.

Пристрій польового транзистора

Всі польові транзистори можуть бути названі УНИПОЛЯРНЫМИ приладами, тому що носії заряду, які утворюють струм через них, належать до єдиного для даного транзистора типу – небудь електрони, або «дірки», але не обидва одночасно. Це відрізняє принцип роботи польового транзистора від біполярного, в якому струм утворюється одночасно обома цими типами носіїв. Носії струму протікають в польових транзисторах з керуючим pn-переходом по шару кремнію без pn-переходів, званому каналом, з провідністю або n-або p-типу між двома висновками, іменованими «витоком» і «стоком» – аналогами емітера і колектора або, точніше ,катода і анода вакуумного тріода. Третій висновок – затвор (аналог сітки тріода) – приєднаний до шару кремнію з іншим типом провідності, ніж у каналу витік-стік. Структура такого приладу показана на малюнку нижче. Як же працює польовий транзистор? Принцип його роботи полягає в управлінні поперечним перерізом каналу шляхом прикладання напруги до переходу затвор-канал. Його завжди зміщують в зворотному напрямку, тому транзистор практично не споживає струму в ланцюзі затвора, тоді як биполярному приладу для роботи потрібен певний струм бази. При зміні вхідної напруги область затвора може розширюватися, перекриваючи канал витік-стік аж до повного його закриття, керуючи таким чином струмом стоку.