Содержание
Чем отличаются разные транзисторы
На примере простого транзистора мы разобрали его принцип работы, однако их бывает великое множество. Давайте научимся их отличать и узнаем, зачем каждый из них нужен.
Биполярные
Биполярные транзисторы – это самые популярные. В полупроводника в таких транзисторах есть два p-n перехода. Заряд через них переносится дырками и электронами.
Среди них тоже различают несколько подвидов (они зависят от расположения переходов и количества электродов), среди которых:
- составной транзистор pnp тип;
- составной транзистор npn тип;
- более сложные многоэлектродные (может быть сразу 2 эмиттера);
- транзисторы на гетеропереходах.
Лавинные транзисторы
Это поистине интересный вид транзисторов, ведь он работает очень эффективно и при этом очень быстро
Их основные плюсы – это высокие рабочие напряжения и, конечно же, скорость включения, а это очень важно в электронике. Ученые до сих пор ломают голову, как можно использовать эти транзисторы с максимальным КПД, хотя они и сейчас показывают потрясающие результаты
Однопереходные транзисторы
Существуют в мире и такие транзисторы. Тут всего один переход, поэтому и классификация гораздо проще:
- первый тип это с “p” базой;
- а второй это с “n” базой.
Транзисторы с управляющим переходом
Это тоже очень интересный и необычный вид транзисторов, ведь у него, как и следует из названия, управляемый переход, что делает его еще более универсальным, но и приводит его к удорожанию. На подвидах мы останавливаться не будем, так они все примерно такие же, как и у предыдущих.
Транзисторы с изолированным затвором
А это еще что за затвор, могли бы вы подумать. Рассказываю. Как я уже писал выше, транзистор начинает работать, когда на него подают небольшое напряжение. Так вот, тот электрод, на которые напряжение подается и называется затвором. Здесь ничего особенного, просто сам затвор изолируется, что дает больше возможностей для управления транзистором и для некоторых задач это, действительно, очень полезно.
Как работает полевой транзистор?
ПТ с индуцированным каналом содержит три электрода — исток (source), сток (drain), и затвор (gate).
Принцип работы ПТ наполовину понятен из графического обозначения и названия электродов.
Канал ПТ – это «водяная труба», в которую втекает «вода» (поток заряженных частиц, образующих электрический ток) через «источник» (исток).
«Вода» вытекает из другого конца «трубы» через «слив» (сток). Затвор – это «кран», который открывает или перекрывает поток. Чтобы «вода» пошла по «трубе», надо создать в ней «давление», т.е. приложить напряжение между стоком и истоком.
Если напряжение не приложено («давления в системе нет»), тока в канале не будет.
Если приложено напряжение, то «открыть кран» можно подачей напряжения на затвор относительно истока.
Чем большее подано напряжение, тем сильнее открыт «кран», больше ток в канале «сток-исток» и меньше сопротивление канала.
В источниках питания ПТ используется в ключевом режиме, т.е. канал или полностью открыт, или полностью закрыт.
Честно сказать, принципы действия ПТ гораздо более сложны, он может работать не только в ключевом режиме. Его работа описывается многими заумными формулами, но мы не будем здесь все это описывать, а ограничимся этими простыми аналогиями.
Скажем только, что ПТ могут быть с n-каналом (при этом ток в канале создается отрицательно заряженными частицами) и p-каналом (ток создается положительно заряженными частицами). На графическом изображении у ПТ с n-каналом стрелка направлена внутрь, у ПТ с p-каналом – наружу.
Собственно, «труба» — это кусочек полупроводника (чаще всего – кремния) с примесями химических элементов различного типа, что обуславливает наличие положительных или отрицательных зарядов в канале.
Теперь переходим к практике и поговорим о том,
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:
- Цифровая схемотехника и архитектура компьютера — Дэвид М.
- Операционные системы. Разработка и реализация — Эндрю Т.
- 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!
Устройство
Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E), базы («Б», англ. B) и коллектора («К», англ. C). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты.
Обозначение биполярных транзисторов на схемах и их структура. Направление стрелки показывает направление тока через эмиттерный переход, и служит для идентификации n-p-n и p-n-p транзисторов. Наличие окружности символизирует транзистор в индивидуальном корпусе, отсутствие — транзистор в составе микросхемы.
С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.
Упрощенная схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора
Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).
Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.
В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.
Электронные ключи
Для повышения коэффициента полезного действия устройств силовой электроники широко используется импульсный режим работы диодов, транзисторов и тиристоров. Импульсный режим характерен резкими изменениями токов и напряжений. В импульсном режиме диоды, транзисторы и тиристоры используются как ключи.
При помощи электронных ключей выполняется коммутация электронных схем: подключение/отключение схемы к/от источникам(-ов) электрической энергии или сигнала, подключение или отключение элементов схем, изменение параметров элементов схем, изменение вида воздействующего источника сигнала.
УГО идеальных ключей показаны на рисунке:
Ключи, работающие на замыкание и размыкание соответственно.
Ключевой режим характеризуется двумя состояниями: «включено»/»выключено».
Идеальные ключи характеризуются мгновенным изменением сопротивления, которое может принимать значение 0 или ∞. Падение напряжения на идеальном замкнутом ключе равно 0. При разомкнутом ключе ток равен 0.
В реальных ключах токи и падения напряжения, соответствующие состояниям «включено»/»выключено», зависят от типа и параметров применяемых диодов, транзисторов, тиристоров и переход из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а в течение времени, обусловленного инерционностью активного элемента и наличием паразитных емкостей и индуктивностей коммутируемой цепи.
Реальные ключи также характеризуются двумя крайними значениями сопротивления Rmax и Rmin. Переход от одного значения сопротивления к другому в реальных ключах происходит за конечное время. Падение напряжения на реальном замкнутом ключе не равно нулю.
Ключи подразделяются на ключи, используемые в маломощных схемах, и ключи, используемые в силовых схемах. Каждый из этих классов имеет свои характеристики.
- Сопротивлениями ключа в открытом и закрытом состояниях;
- Быстродействием – временем перехода ключа из одного состояния в другое;
- Падением напряжения на замкнутом ключе и током утечки разомкнутого ключа;
- Помехоустойчивостью – способностью ключа оставаться в одном из состояний при воздействии помех;
- Чувствительностью ключа – величиной управляющего сигнала, переводящего ключ из одного состояния в другое;
- Пороговым напряжением – значением управляющего напряжения, в окрестности которого происходит резкое изменение сопротивления электронного ключа.
Принцип действия для чайников
Транзистор — это сложный прибор, физические процессы проходящие в котором сложны для понимания начинающим радиолюбителям (чайникам). Как работает транзистор, можно объяснить следующим образом: транзистор — это электронный ключ, степень открывания которого зависит от уровня тока или напряжения, приложенного к его управляемому выводу (база или затвор).
Зачем нужен транзистор, можно описать в обобщённой форме. Например, база (затвор) прибора — это дверь. Она открывается внешним воздействием, т. е. напряжением той же полярности, что и коллектор (исток). Чем больше напряжение, тем дверь больше откроется. Перед дверью стоит очередь людей (носители заряда), которые хотят пробежать через неё (коллектор-эмиттер или исток-сток). Чем больше воздействие на дверь, тем больше она открыта, а значит, и больше пробежит людей.
Поэтому, представляя дверь в виде сопротивления перехода, можно сделать вывод: чем больше воздействие на базу (затвор), тем меньше сопротивление основным носителям заряда (людям) в случае прямой полярности. Если полярность поменяется (дверь закроется на замок), то никакого движения зарядов (людей) не будет.
Originally posted 2018-04-18 12:29:48.
Как проверить полевой транзистор?
В норме сопротивление между любыми выводами ПТ бесконечно велико.
И, если тестер показывает какое-то небольшое сопротивление, то ПТ, скорее всего, пробит и подлежит замене.
Во многих ПТ имеется встроенный диод между стоком и истоком для защиты канала от обратного напряжения (напряжения обратной полярности).
Таким образом, если поставить «+» тестера (красный щуп, соединенный с «красным» входом тестера) на исток, а «-» (черный щуп, соединенный с черным входом тестера) на сток, то канал будет «звониться», как обычный диод в прямом направлении.
Это справедливо для ПТ с n-каналом. Для ПТ с p-каналом полярность щупов будет обратной.
Как проверить диод с помощью цифрового тестера, описано в соответствующей статье. Т.е. на участке «сток — исток» будет падать напряжение 500-600 мВ.
Если поменять полярность щупов, к диоду будет приложено обратное напряжение, он будет закрыт и тестер это зафиксирует.
Однако исправность защитного диода еще не говорит об исправности транзистора в целом. Более того, если «прозванивать» ПТ, не выпаивая из схемы, то из-за параллельно подключенных цепей не всегда можно сделать однозначный вывод даже об исправности защитного диода.
В таких случаях можно выпаять транзистор, и, используя небольшую схему для тестирования, однозначно ответить на вопрос – исправен ли ПТ или нет.
В исходном состоянии кнопка S1 разомкнута, напряжение на затворе относительно стока равно нулю. ПТ закрыт, и светодиод HL1 не светится.
При замыкании кнопки на резисторе R3 появляется падение напряжения (около 4 В), приложенное между истоком и затвором. ПТ открывается, и светодиод HL1 светится.
Эту схему можно собрать в виде модуля с разъемом для ПТ. Транзисторы в корпусе D2 pack (который предназначен для монтажа на печатную плату) в разъем не вставишь, но можно припаять к его электродам проводники, и уже их вставить в разъем. Для проверки ПТ с p-каналом полярность питания и светодиода нужно изменить на обратную.
Иногда полупроводниковые приборы выходят из строя бурно, с пиротехническими, дымовыми и световыми эффектами.
В этом случае на корпусе образуются дыры, он трескается или разлетается на куски. И можно сделать однозначный вывод об их неисправности, не прибегая к приборам.
В заключение скажем, что буквы MOS в аббревиатуре MOSFET расшифровываются как Metal — Oxide — Semiconductor (металл – оксид – полупроводник). Такова структура ПТ – металлический затвор («кран») отделен от канала из полупроводника слоем диэлектрика (оксида кремния).
Надеюсь, с «трубами», «кранами» и прочей «сантехникой» вы сегодня разобрались.
Однако, теория, как известно, без практики мертва! Надо обязательно поэкспериментировать с полевиками, поковыряться, повозиться с их проверкой, пощупать, так сказать.
Применение транзисторов в жизни
Транзисторы применяются в очень многих технических устройствах. Самые яркие примеры:
- Усилительные схемы.
- Генераторы сигналов.
- Электронные ключи.
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.
Устройство и принцип работы для начинающих
Технологии оперируют не только зарядом электричества, но и магнитным полем, световыми квантами и фотонами. Принцип действия транзистора заключается в состояниях, между которыми переключается устройство. Противоположный малый и большой сигнал, открытое и закрытое состояние — в этом заключается двойная работа приборов.
Вместе с полупроводниковым материалом в составе, используемого в виде монокристалла, легированного в некоторых местах, транзистор имеет в конструкции:
- выводы из металла;
- диэлектрические изоляторы;
- корпус транзисторов из стекла, металла, пластика, металлокерамики.
До изобретения биполярных или полярных устройств использовались электронные вакуумные лампы в виде активных элементов. Схемы, разработанные для них, после модификации применяются при производстве полупроводниковых устройств. Их можно было подключить как транзистор и применять, т. к. многие функциональные характеристики ламп годятся при описании работы полевых видов.
Watch this video on YouTube
Преимущества и недостатки замены ламп транзисторами
Изобретение транзисторов является стимулирующим фактором для внедрения инновационных технологий в электронике. В сети используются современные полупроводниковые элементы, по сравнению со старыми ламповыми схемами такие разработки имеют преимущества:
небольшие габариты и малый вес, что важно для миниатюрной электроники;
возможность применить автоматизированные процессы в производстве приборов и сгруппировать этапы, что снижает себестоимость;
использование малогабаритных источников тока из-за потребности в низком напряжении;
мгновенное включение, разогревание катода не требуется;
повышенная энергетическая эффективность из-за снижения рассеиваемой мощности;
прочность и надежность;
слаженное взаимодействие с дополнительными элементами в сети;
стойкость к вибрации и ударам.
Недостатки проявляются в следующих положениях:
- кремниевые транзисторы не функционируют при напряжении больше 1 кВт, лампы эффективны при показателях свыше 1-2 кВт;
- при использовании транзисторов в мощных сетях радиовещания или передатчиках СВЧ требуется согласование маломощных усилителей, подключенных параллельно;
- уязвимость полупроводниковых элементов к воздействию электромагнитного сигнала;
- чувствительная реакция на космические лучи и радиацию, требующая разработки стойких в этом плане радиационных микросхем.
Схемы включения
Чтобы работать в единой цепи транзистору требуется 2 вывода на входе и выходе. Почти все виды полупроводниковых приборов имеют только 3 места подсоединения. Чтобы выйти из трудного положения, один из концов назначается общим. Отсюда вытекают 3 распространенные схемы подключения:
- для биполярного транзистора;
- полярного устройства;
- с открытым стоком (коллектором).
Биполярный модуль подключается с общим эмиттером для усиления как по напряжению, так и по току (ОЭ). В других случаях он согласовывает выводы цифровой микросхемы, когда существует большой вольтаж между внешним контуром и внутренним планом подключения. Так работает подсоединение с общим коллектором, и наблюдается только рост тока (ОК). Если нужно повышение напряжения, то элемент вводится с общей базой (ОБ). Вариант хорошо работает в составных каскадных схемах, но в однотранзисторных проектах ставится редко.
Watch this video on YouTube
Полевые полупроводниковые приборы разновидностей МДП и с использованием p-n-перехода включаются в контур:
- с общим эмиттером (ОИ) — соединение, аналогичное ОЭ модуля биполярного типа
- с единым выходом (ОС) — план по типу ОК;
- с совместным затвором (ОЗ) — похожее описание ОБ.
Watch this video on YouTube
В планах с открытым стоком транзистор включается с общим эмиттером в составе микросхемы. Коллекторный вывод не подсоединяется к другим деталям модуля, а нагрузка уходит на наружный разъем. Выбор интенсивности вольтажа и силы тока коллектора производится после монтажа проекта. Приборы с открытым стоком работают в контурах с мощными выходными каскадами, шинных драйверах, логических схемах ТТЛ.
Общая информация о транзисторах
Устройства подразделяют на биполярные, полевые, комбинированные. Основой модулей берут полупроводник из германия, химического неметалла кремния, соединения мышьяка и галлия. Ведущее место отводят биполярным моделям, но первоначально ставку делали на полярные.
Электрический ток образуется зарядными носителями, а границы переключения определяются силой сигнала:
- малый — сильный импульс;
- открытое — закрытое положение.
По скорости передачи энергии различают транзисторы:
- маломощные — до 0,1 Вт;
- средние — 0,1 – 1,0 Вт;
- мощные — свыше 1 Вт.
Разбираетесь в транзисторах?
Да
26.09%
Нет
33.33%
Пытаюсь разобраться
40.58%
Проголосовало: 69
Устройство
Прибор может быть заключен в металлическом или пластмассовом корпусе. В первом случае изоляторы для выводов делают из керамики или стекла. В пластиковых коробках ставят теплоотвод из металла для установки модуля на внешний радиатор.
Вместе с полупроводником конструкция содержит:
- стальные выводы;
- элементы-изоляторы;
- корпус.
По конструкции приборы делят на виды:
- дискретные — корпусные и бескорпусные для отдельного монтажа, установки на радиатор, в паечных автоматизированных системах;
- в структуре интегральных микросхем.
Строение позволяет получать разные виды генераторов для преобразования переменного тока из постоянного.
Применение
Сам транзистор не может усиливать мощность источника питания, но является главным элементом усилительной системы. Он помогает управлять мощностью на выходе, во много раз превышающую показатель управления. Его включают в разрыв между нагрузкой и подающим источником питания, при этом сопротивление поддается быстрому измерению.
Сферы применения:
- Усилительные (УНЧ) схемы. Используют биполярные и полевые типы, устройства работают в ключевом регламенте регенераторов цифровых импульсов.
- Системы усиления высокой частоты (УВЧ). Транзисторы ставят на входных контурах приемников Р.Т.А.
- В качестве генераторов импульсов. Используют для возбуждения прямоугольных (ключевой режим) и произвольных сигналов (линейный регламент).
- Их также используют в электропереключательных и усиливающих каскадах в виде активных приборов.
Базовый принцип работы
Полупроводниковый транзистор подключают к выводам одноименного вольтажа к базе и эмиттеру, при этом p соединяют с положительным, а n — с отрицательным электродом. В результате между ними появляется ток, а число зарядных носителей в базе зависит от величины напряжения. Ток, идущий к базе, именуют управляющим.
Особенности работы:
- если к коллектору подать обратное напряжение, между ним и эмиттером пойдет ток из-за разницы потенциалов;
- повышение объема зарядных носителей приведет к усилению тока;
- небольшой рост напряжения значительно усиливает ток, что используют при создании усилителей;
- если на эмиттер подают вольтаж, противоположный по знаку, образование тока останавливается, а транзистор становится в закрытое положение.
Обозначение
Условное позиционирование NPN и PNP транзисторов отличаются, при этом они отражают структуру и принцип работы модуля в электрическом контуре.
Стрелку ставят между базой и эмиттером для показа курса управляющего электротока;
- у NPN транзисторов указатель сориентирован к эмиттеру от базы, расположение показывает, что в активной фазе электроны движутся в этом направлении;
- у PNP разновидности стрелка стоит в направлении базы от эмиттера, что говорит о курсе управляющего электротока.
Проверка биполярных типов
Ниже схема проверки npn, pnp транзисторов тестером, после нее распишем процедуру по пунктам.
Биполярный транзистор снабжен p-n линиями — условно, это диоды, а точнее, 2 таковых расположенных встречно, точка их пересечения — «база».
Один условный диод сконструирован контактами базы/коллект., иной — базы/эмит. Для анализа хватит посмотреть сопр. (прямо и обратно) указанных участков: если там нет неполадок, то деталь без изъянов.
Проверка своими руками без выпаивания биполярного pnp, npn транзистора предполагает прозвонку 3 комбинаций ножек:
Вариант p-n-p
Структуры (типы) показывает стрелка эмит. участка: p-n-p/n-p-n (к базе/от нее). Начнем с проверки первого варианта. Раскрываем p-n-p деталь подачей на базу минусового напряжения. На мультиметре селектор ставим на замеры Ом на отметку «2000», допускается также выставлять на «прозвонку».
Жила «−» (черная) — на ножку базы. Плюс (красная) — поочередно к коллект., эмит. Если участки не поврежденные, то отобразят около 500–1200 Ом.
Дальше опишем, как прозвонить обратное сопр.: «+» – на базу, «−» — на колл. и эмит. Должно отобразиться высокое сопр. на обоих p-n участках. У нас появилась «1», то есть для выставленной рамки в «2000» значение превышает 2000. Значит, 2 перехода без обрывов, изделие исправное.
Аналогично, как описано, можно прозвонить на исправность транзистор, не выпаивая из схемы. Реже есть сборки, где к переходам применено основательное шунтирование, например, резисторами. Тогда, если отобразится слишком низкое сопр., потребуется выпаивать деталь.
Элементы n-p-n проверяются аналогично, только на базу от тестера идет щуп «+».
Признаки неисправности
Если сопр. (прямое и обратное) одного из участков (p-n) стремится к бесконечности, то есть на отметке «2000» и выше на дисплее «1», значит, данный участок имеет обрыв, транзистор не годный. Если же «0» — изделие также с изъяном, пробит участок. Прямое сопр. там должно быть 500–1200 Ом.
