Kuidas valmistatakse erinevat tüüpi transistore?.. Kuidas pooljuhte puhastatakse ja neile antakse ühekristalliline struktuur?.. Millised meetodid võimaldavad pooljuhti sisestada positiivset ja negatiivset tüüpi lisandeid?.. aluse kuju transistorites jaoks Kas raadiosageduse võimendamine tekitab dilemmasid? .. Kõiki neid küsimusi käsitleb siin professor Radiol.

Kuulasin huviga teie juttu transistoridest ja märgin rahuloluga, et Luboznaikin selgitas teile kõiki nende aktiivsete komponentidega seotud põhimõisteid, mis mõne aastaga on enamikus elektroonikaseadmetes vaakumtorusid edukalt asendanud.

Sa said hästi aru, Neznaykin, et nõrgad vahelduvvoolud Baasi ja emitteri vahel rakendatud tugevus määrab baasvoolu, mis omakorda indutseerib kollektorivoolu. Võime öelda, et transistori võimenduse määrab kollektorivoolu muutuse ja selle põhjustanud baasvoolu muutuse suhe.

Pooljuhtide puhastamine

Ma arvan, et tahaksite teada, mis tüüpi transistoreid on olemas ja kuidas neid tehakse. Seetõttu püüan teile kirjeldada transistoride peamisi omadusi ja nende valmistamise tehnoloogiat.

Transistorid on valmistatud germaaniumist või ränist ja tootmistsükli alguses peab teil olema väga puhas ja laitmatu kristallstruktuuriga pooljuht.

Lisandite eemaldamiseks kasutatakse kuumutusmeetodit, mida nimetatakse tsoonisulatamiseks. Pooljuhtvarras asetatakse kvartstiiglisse ja kuumutatakse, kuni varda kitsas tsoon sulab. Seejärel viiakse see sulav tsoon aeglaselt pooljuhtvarda ühest otsast teise. Mis siin toimub? Lisandid kipuvad jääma sulaosasse. Liigutades seda tsooni varda ühest otsast teise, kogume ühte otsa lisandid ja puhastame ülejäänud varda neist põhjalikult. Pärast seda lõigatakse varda ots, millesse on kogunenud lisandeid, ära ja hästi puhastatud osas ei jää rohkem kui üks lisandite aatom pooljuhi saja miljoni aatomi kohta.

kõrgsagedusküte

Võib-olla soovite teada, kuidas on võimalik pooljuhti kuumutada kitsas tsoonis, kus germaaniumi puhastamisel ja räni puhastamisel saavutatakse temperatuur? Sel juhul kutsutakse appi elektroonika. Sulatav ala koos tiigliga asetatakse mähisesse, mille kaudu liigub tugev kõrgsagedusvool. See vool indutseerib pooljuhi massis voolusid, mis seda oluliselt soojendavad. Mähis liigub aeglaselt mööda tiiglit, mis põhjustab sulatsooni vastava liikumise (joonis 132).

Kõrgsageduslike voolude poolt indutseeritud magnetväljaga kuumutamine ja omakorda pooljuhi massis voolu tekitamine erineb põhimõtteliselt leegiga kuumutamisest.

Leegiga kuumutamine tõstab keha pinna temperatuuri ja juba pinnalt tungivad kalorid tänu soojusjuhtivusele sügavale kehasse. Kõrgsagedusküttel katab soojus kohe kogu kuumutatava keha massi.

Lisan, et seda meetodit saab kasutada ka dielektrikute soojendamiseks, kuid siis tekib kuumutatud kehas elektriline (mitte magnetiline) väli. Selleks asetatakse kondensaatori plaatide vahele kuumutatud korpus, millele rakendatakse raadiosageduslikku pinget. Seda meetodit kasutatakse meditsiinis, kus seda nimetatakse kõrgsageduslikuks diatermiaks.

Riis. 132. Pooljuhi puhastamine tsoonisulatamise teel.

Riis. 133. Transistori moodustava kolme elemendi paigutus.

Ühe kristalli saamine

Tuleme aga tagasi pooljuhtide juurde. Nüüd, kui need on hästi puhastatud, tuleb neile anda laitmatu kristalne struktuur. Fakt on see, et tavaliselt koosneb pooljuht suurest hulgast juhuslikult paigutatud kristallidest. Selline kristallide kogum tuleb muuta üheks monokristalliks, millel on erakordselt ühtlane kristallstruktuur kogu massi ulatuses.

Selleks tuleb kogu pooljuht uuesti sulatada; seda toimingut teostatakse ka mähise kaudu voolavate RF-voolude abil. Sulatusse sisestatakse väike kristall, mis toimib seemnena kogu massi ja vajaliku koguse n- või p-tüüpi lisandite täiuslikuks kristalliseerimiseks, olenevalt tulevaste transistoride tüübist.

Pärast jahutamist saadakse mitme kilogrammi massiga monokristall. Seejärel tuleb see lõigata paljudeks väikesteks tükkideks, millest igaüks muudetakse hiljem transistoriks. Kui suure võimsusega transistoride toorikud välja arvata, on need jupid umbes 2 mm pikad ja laiad ning mõne kümnendiku millimeetri paksused.

sulandumine

Siin on meil aluse jaoks toorikud. Kuidas neist transistore teha? Võite kergesti arvata, et selleks peavad mõlemal pool alust olema lisandid, mis on erinevat tüüpi lisandid, kui alus sisaldab.

Selle ülesande täitmiseks on mitu võimalust. Kui alus on valmistatud p-tüüpi germaaniumist, võib selle mõlemale küljele kanda tillukesi tablette indiumit, mis on n-tüüpi lisand. Kuumutagem see kõik temperatuurini, mille juures indium hakkab sulama; germaaniummaanium, nagu ma juba ütlesin, muutub vedelikuks ainult siis, kui seda kuumutatakse temperatuurini 940 ° C.

Indiumi aatomid, mis on segatud germaaniumiga; seda läbitungimist soodustab termiline liikumine.

Seega moodustub aluse ühele küljele emitter, teisele kollektor (joonis 133). Viimasel peab olema suurem maht kui emitteril, kuna voolud hajutavad sellel rohkem võimsust. On ütlematagi selge, et nende kolme elektroodi külge tuleb joodetud juhe.

Difusioon ja elektrolüüs

Just kirjeldatud emitteri ja kollektori moodustamise meetodit kasutatakse termotuumasünteesitransistoride valmistamisel. Kuid emitteri ja kollektori saab luua ka difusiooni teel. Selleks kuumutatakse pooljuht sulamistemperatuuri lähedase temperatuurini ja asetatakse neutraalsesse gaasiatmosfääri, mis sisaldab lisandite auru, mis on ette nähtud emitteri ja kollektori moodustamiseks. Lisandite aatomid tungivad kergesti pooljuhi sisse. Sõltuvalt lisandiaurude doseerimisest ja operatsiooni kestusest võib läbitungimissügavus olla suurem või väiksem. See määrab aluse paksuse.

Tootmiseks sobib väga hästi difusioonimeetod võimsad transistorid, kuna see võimaldab lisandite sisseviimist suurtele aladele - nii on võimalik moodustada vajalike mõõtmetega emitter ja kollektor, mis on piisav suhteliselt suurte voolude läbimiseks.

Difusioonimeetod sarnaneb elektrolüütilise meetodiga, mille puhul pooljuht puutub kokku vastupidist tüüpi lisandit sisaldava vedeliku jugadega.

Nagu näete, kasutatakse transistoride tootmiseks aineid tahkes olekus - fusiooni, vedelas olekus - elektrolüüsi ja gaasilises olekus - difusiooni.

Ühel kirjeldatud meetodil loodud transistor asetatakse suletud ja läbipaistmatusse korpusesse, et valgus ei tekitaks pooljuhis fotoelektrilist efekti. Korpuses luuakse vaakum või see täidetakse neutraalse gaasiga, näiteks lämmastikuga, et vältida germaaniumi või räni oksüdeerumist atmosfäärihapniku toimel. Jõutransistoride paketid on valmistatud nii, et need suudavad soojust hajutada ja seeläbi vältida pooljuhtide liigset kuumenemist. Selline korpus on jahutusradiaator, sellel on suur suurus.

Kõrged sagedused tekitavad probleeme

Kõrgsagedustransistorile kehtivad nõuded aluse paksuse osas.

Kui selle paksus on väga väike, tekib emitteri ja kollektori vahele suhteliselt suur mahtuvus. Siis lähevad RF-voolud kahe ülemineku asemel otse emitterist kollektorisse, mis on omamoodi kondensaatoriplaadid.

Kas aluse paksust tuleks suurendada, et seda soovimatut mahtuvust vähendada? Teie, Neznaykin, pakute kahtlemata selle lahenduse. Vaatame, kui ratsionaalne see on.

Suurendades emitterit ja kollektorit eraldavat kaugust, sunnite elektrone rohkem tootma pikk tee. Pooljuhis on aga elektronide ja aukude liikumiskiirus üsna väike: umbes . Oletame, et aluse paksus on OD mm. Elektronidel kulub selle pikema kui lühikese vahemaa katmiseks 2,5 mikrosekundit.

See on võrdne lainepikkusele vastava sagedusega voolu ühe poolperioodi kestusega. Nagu näete, saab sellise aluse paksuse korral võimendada ainult pikkadele lainetele vastavaid voolusid.

Sellepärast tuleb RF-transistorides aluse paksust palju väiksemaks muuta. Aluse paksusega 0,001 mm on võimalik laineid võimendada kuni , ning detsimeeterlainete vastuvõtmiseks, millel toimub eelkõige telesaadete edastamine, peab alus olema veelgi õhem.

Nagu näete, seisame siin silmitsi kahe vastuolulise nõudega: et emitteri - kollektori mahtuvus ei oleks liiga suur, peate suurendama aluse paksust ja selleks, et elektronid saaksid baasi kiiresti läbida. piisavalt, tuleb see teha võimalikult õhukeseks.

Probleemi lahendused

Kuidas sellest dilemmast välja tulla? Mahtuvust on väga lihtne vähendada mitte kahe plaadi, mis on siin emitteriks ja kollektoriks, vahemaad, vaid vähendades nende pindala ristmikel nii palju kui võimalik.

Riis. 134. Elektrolüütiline töötlemine vedelikuvoogudega.

Riis. 135. Transistor, milles aluse ja kollektori vahel on oma juhtivusega pooljuhtide tsoon, mis parandab võimendust kõrgetel sagedustel.

Selleks viiakse lisandid sisse nii, et emitter ja kollektor on koonuse kujulised, mille tipud on pööratud aluse poole. See tulemus saavutatakse eelkõige pooljuhtplaadi mõlema külje töötlemisel vedelikujugadega, mis pinge mõjul põhjustavad elektrolüüsi ja tõmbavad seeläbi järk-järgult välja aatomeid, tekitades pooljuhis tõelisi kraatreid. Kui nende süvendite põhjad on üksteisele piisavalt lähedal, muudetakse pinge suunda ja vedelikule lisatakse piisavas koguses lisandeid, mis sisestatakse elektrolüüsi teel emitterit ja kollektorit moodustavatesse süvenditesse (joon. 134).

On olemas RF-transistoride kategooria, mille emitteri vastas olev aluskiht sisaldab suuremas koguses lisandeid, mis suurendab elektronide kiirust ja võimaldab seeläbi rohkem võimendada. kõrged sagedused. Selliseid transistore nimetatakse triiviks; need võimaldavad teil detsimeeterlaineid võimendada.

Selles suunas saab edasi liikuda, kui asetada aluse ja kollektori vahele nn isejuhtiv tsoon (joonis 135). See on väga puhta germaaniumi või räni kiht ja seetõttu on selle juhtivus keskpärane. See tsoon eraldub õhuke alus kollektorist, mis vähendab emitteri ja kollektori vahelist mahtuvust ning võimaldab võimendada väga kõrgeid sagedusi.

Mesa transistorid

Teist meetodit kasutatakse mitme tuhande megahertsi sagedusel töötavate transistoride tootmiseks, mistõttu kasutatakse neid eelkõige sisendahelad telerid.

Selliste transistoride valmistamiseks võetakse p-tüüpi germaaniumplaat, mis toimib kollektorina. Plaadi alumisele küljele on kindlalt joodetud kullariba - tulevane järeldus. Plaadi ülemine külg puutub kokku antimoni aurudega. See n-tüüpi lisand, mis on pinna lähedal tihedam, moodustab aluse. Seejärel sisestatakse plaadi samale küljele difusiooni teel p-tüüpi lisand (tavaliselt alumiinium), mis moodustab emitteri. See difusioon toimub läbi võre, mille tulemusena sadestub alumiinium pinnale kitsaste triipudena (joon. 136, a).

Pärast nende toimingute lõpetamist kantakse pinnale väikesed vahapiisad, millest igaüks katab ühe küljega p-tüüpi pooljuhi osa - tulevase emitteri ja selle teise osaga - n-tüüpi osa - tuleviku. alus (joon. 136, b).

Riis. Joonis 136. Mestransistori valmistamise järjestikused etapid: a - difusioon läbi p-tüüpi lisandivõre; b - vahapiiskade sadestumine emitterit ja alust moodustavatele pindadele; c - happetöötlus ja plaadi eraldamine üksikuteks transistoriteks.

Riis. 137. Transistori valmistamise etapid vastavalt tasapinnaline tehnoloogia: a - epitaksiaalsele kihile kantakse isoleeriv ränidioksiidi kiht; b - isolatsioonikihti luuakse "aken", mille kaudu viiakse difusiooni teel p-tüüpi lisand; c - pärast uue isolatsioonikihi pealekandmist luuakse sellesse esimesest väiksem "aken" ja selle kaudu viiakse n-tüüpi lisand; d - alus- ja emitteritsoonidele juurdepääsuks avatakse metalliga täidetud augud, mille külge seejärel joodetakse juhtmed; e - substraat kinnitatakse metallplaadile, mis toimib kollektori väljundina.

Seejärel töödeldakse kogu plaati happega, mis tekitab kõik emitterite ja aluste alad, välja arvatud need, mis on kaitstud vahaga. Nüüd jääb üle vaid lõigata plaat nii paljudeks transistoriteks, kui palju on emittereid ja aluseid, mis moodustavad kollektorile väikesed omapärased lameda tipuga künkad (joon. 136, c). Sellise struktuuriga transistore hakati kutsuma mesaks, kuna aastal Lõuna-Ameerika see sõna viitab lameda tipuga mäele.

epitaksiaalne kiht

Laskume nüüd sellelt mäelt tasandikule. Selle all pean silmas transistoride tootmise tasapinnalist tehnoloogiat, mis on väga laialt levinud, kuna see võimaldab valmistada ühe tehnoloogilise tsükli jooksul tuhandeid transistore monokristallil. Need transistorid võimaldavad ka võimendada kõrgeid sagedusi ja saada märkimisväärset võimsust.

Enamasti moodustatakse sellised transistorid pooljuhi epitaksiaalsel kihil. Mis see on?

Kogujal peab olema väike spetsiifiline elektritakistus voolu hõlpsaks läbimiseks. Seetõttu on soovitav see valmistada suure lisandite sisaldusega pooljuhist. Alus ja emitter, vastupidi, peaksid sisaldama oluliselt vähem lisandeid.

Vajaliku erinevuse loomiseks kaetakse lisandirikas pooljuht õhukese epitaksiaalse kihiga. Selleks kuumutatakse pooljuhti, näiteks räni, vesiniku atmosfääris temperatuurini, mis jääb umbes sada kraadi alla selle sulamistemperatuuri. Seejärel alandatakse veidi temperatuuri ja pooljuht sisestatakse samal ajal ränitetrakloriidi. Viimane laguneb ja pooljuhi pinnale sadestub epitaksiaalne kiht, mis koosneb räni aatomitest. täiuslik kord kristallvõre. Selle kihi paksus on sajandik millimeetrit ja selle kõrge puhtus määrab kõrge elektritakistuse.

Transistoride valmistamine tasapinnalise tehnoloogia abil

Kujutage ette, et meil on räniplaat, mis on kaetud epitaksiaalse kihiga. Kõigepealt paneme epitaksiaalsele kihile ränidioksiidi isolatsioonikihi (joonis 137). Seejärel avame sobiva keemilise koostisega tegutsedes isolatsioonikihis augu, mille kaudu toome difusiooni teel epitaksiaalsesse kihti p-tüüpi lisandi, näiteks boori; see lisanditega ala on tulevase transistori alus.

Jällegi katame kogu plaadi isoleeriva ränidioksiidi kihiga ja korduva keemilise söövitamise teel avame keskele väikese augu. Selle augu kaudu sisestame difusiooni teel n-tüüpi lisandi, näiteks fosfori. Seega tekib emitter.

Veel kord katke kogu plaat isoleeriva ränidioksiidi kihiga ja seejärel avage selles kihis kaks auku: üks emitteri kohal ja teine, mis asub päris keskel, aluse kohal. Nende aukude kaudu teeme alumiiniumi või kulda pihustades emitteri ja aluse järeldused. Mis puutub kollektori väljundisse, siis selle valmistamine pole keeruline - piisab kollektori alumisel küljel asuva juhtiva plaadi tugevdamisest.

Sina, Neznaykin, märkad kahtlemata, et sel viisil valmistatud transistori üleminekuservad ei puutu kokku ümbritseva atmosfääriga; need on kaitstud ränidioksiidi kihiga, mis välistab täielikult transistori kahjustamise võimaluse. Ränidioksiid on paremini tuntud kui kvarts.

Kui soovite suurendada tasapinnalise transistori võimsust, peaksite põhimõtteliselt suurendama emitteri-baasi ristmiku pindala; Selleks on võimalik ka suurendada nende kahe tsooni kokkupuuteala, muutes emitteri mitte väikese ringi, vaid tähe või suletud katkendjoone kujul.

Valgustundlike filmide kasutamine

Õppides minu selgitustest umbes suurel hulgal toimingud, mis on vajalikud transistori tootmiseks tasapinnalise tehnoloogia abil, arvate teie, Neznaikin, kahtlemata, et selle maksumus peaks olema väga kõrge. Nii et ma kiirustan teid rahustama.

Korraga tehakse mitukümmend või isegi sadu transistore. Tootmises kasutatakse fotolitograafilisi meetodeid, mida valmistamisel kasutatakse veelgi laiemalt integraallülitused millest räägime mõni teine ​​kord.

Pidage meeles, et pisikeste aukude ("akende") avamiseks kaetakse kogu pind esmalt valgustundliku kilega, mis valguse käes muutub kõvaks ja järgmises etapis kasutatava lahusti suhtes vastupidavaks. Seega on pinna paljastatud alad kaitstud mingi lakiga, milleks on muutunud kõvastunud kile.

Nagu ma loodan, olete arvanud, et kilele projitseeritakse kerged kujutised epitaksiaalse kihi piirkondadest, mida ei tohiks keemiliselt töödelda. Tavaliselt toimub valguse projektsioon objektiivide kaudu, mis võimaldavad projitseeritud pilti vähendada, mis aitab kaasa mikrominiaturiseerimisele ...

Võiksin teile rääkida teistest transistoridest, näiteks väljatransistoridest. Aga ma ei taha sind tüüdata. Saate magnetofoni välja lülitada.

Raadioäri armastavatel inimestel koguneb aja jooksul üsna palju erinevaid elektroonikaosi, mille hulgas võib olla metallkorpuses vanu nõukogude transistore. Raadiokomponentidena pole need oma suurte mõõtmete tõttu enam aktuaalsed, kuid neid saab kasutada hoopis teisel otstarbel: päikesepatareina. Tõsi, sellise aku võimsus on oma suuruse suhtes üsna väike ja sobib ainult väikese energiatarbega seadmete toiteks. Aga eksperimendi korras ja huvi pärast saab ikka koguda.

Transistori muutmiseks päikesepatareiks tuleb esmalt kate sellelt ära lõigata. Selleks kinnitatakse transistor korpuse äärest ettevaatlikult jugapuu sisse ja lõigatakse rauasaega kate ära. Peate seda tegema ettevaatlikult, et mitte kahjustada transistori sees olevaid kristalle ja õhukesi juhtmeid.

Pärast seda näete, mis on peidus:

Nagu fotol näete, pole kristall transistori korpusega võrreldes piisavalt suur ja see on see, kes teisendab päikeseenergia elektrisse.

Siin on autori antud mõõtmistabel, kasutades näitena transistori KT819GM:

Pärast mõõtmist võite alustada päikesepatarei kokkupanemist kalkulaatori toiteks. 1,5 volti saamiseks on vaja järjestikku kokku panna viis transistorit, samal ajal kui kollektor on miinus ja alus on pluss.

Transistoride paigaldamiseks kasutati õhukest plastikust tükki, mille jalgade alla oli eelnevalt puuritud augud. Pärast transistoride paigaldamist oma kohale ühendatakse need üksteisega vastavalt ülaltoodud skeemile:

Nagu katse näitas, töötas kalkulaator tänaval päikesevalguse käes hästi, kuid siseruumides nappis sellel kindlasti energiat ning hõõglambist enam kui 30 sentimeetri kaugusel keeldus see töötamast.

Raadiodisaineri majanduses on alati raadiote ja telerite vanu dioode ja transistore, mis on muutunud tarbetuks. Võimekates kätes on see rikkus, mida saab hästi kasutada. Näiteks tehke oma kätega päikesepatarei transistorraadio toiteks välitingimustes. Nagu teate, muutub pooljuht valgusega valgustamisel elektrivoolu allikaks - fotoelemendiks. Kasutame seda kinnisvara.

voolutugevus ja elektromotoorjõud Sellise fotoelemendi suurus sõltuvad pooljuhi materjalist, selle pinna suurusest ja valgustusest. Kuid selleks, et muuta dioodi või transistori fotoelemendiks, peate jõudma pooljuhtkristallini või täpsemalt peate selle avama.

Kuidas seda teha, räägime teile veidi hiljem, kuid praegu vaadake tabelit, mis näitab kodus valmistatud fotoelementide parameetreid. Kõik väärtused saadakse 60 W lambiga valgustamisel 170 mm kaugusel, mis vastab ligikaudu intensiivsusele päikesevalgus ilusal sügispäeval.

Nagu tabelist näha, on ühe fotoelemendi tekitatav energia väga väike, mistõttu need kombineeritakse akudeks. Välisele vooluringile antud voolu suurendamiseks ühendatakse samad fotoelemendid järjestikku. Aga parimad tulemused abil on võimalik saavutada segaühendus kui fotosilm on kokku pandud järjestikku ühendatud rühmadest, millest igaüks koosneb identsetest paralleelselt ühendatud elementidest (joonis 3).

Eelnevalt ettevalmistatud dioodirühmad monteeritakse näiteks getinaksist, orgaanilisest klaasist või tekstoliidist plaadile, nagu on näidatud joonisel 4. Elemendid on omavahel ühendatud õhukeste tinatud vasktraatidega.

Parem on mitte jootma kristalli jaoks sobivaid järeldusi, kuna antud juhul alates kõrge temperatuur pooljuhtkristall võib kahjustuda. Asetage plaat koos fotoelemendiga läbipaistva ülemise kattega tugevasse kesta. Jootke mõlemad juhtmed konnektorisse - sellega ühendate raadio juhtme.

Päikese käes olev 20 KD202 dioodist koosnev päikesefotoelement (viis nelja paralleelselt ühendatud fotoelemendi rühma) tekitab kuni 0,8 mA voolul pinge kuni 2,1 V. See on täiesti piisav, et toita raadio ühel või kahel transistoril.

Nüüd sellest, kuidas muuta dioodid ja transistorid fotoelementideks. Valmista ette kruustang, küljelõikurid, tangid, terav nuga, väike haamer, jootekolb, POS-60 tina-plii joodis, kampol, pintsetid, 50-300 μA tester või mikroampermeeter ja 4,5 V aku Dioodid D7, D226, D237 ja teised sarnastel juhtudel tuleks lahti võtta nii. Kõigepealt lõigake juhtmed mööda jooni A ja B külglõikuritega (joonis 1). Sirutage õrnalt toru B, mis on samal ajal kortsutatud, et vabastada klemm D. Seejärel kinnitage diood ääriku juures asuvasse kruustangusse.

Kinnitage terav nuga keevisõmbluse külge ja lööge kergelt tagakülg nuga, eemaldage kate. Jälgi, et noa tera sügavale sisse ei läheks – muidu võid kristalli kahjustada. Eemaldage klemmilt D värv – fotosilm on valmis. Dioodide KD202 (nagu ka D214, D215, D242-D247) puhul närige äärik A tangidega (joonis 2) ja lõigake ära juhe B. Nagu eelmisel juhul, sirutage kortsunud toru C sirgeks, vabastage painduv juhe G .

Elektroonika ümbritseb meid kõikjal. Kuid peaaegu keegi ei mõtle sellele, kuidas see kogu asi töötab. Tegelikult on kõik üsna lihtne. Seda püüame täna näidata. Alustame sellest oluline element nagu transistor. Me ütleme teile, mis see on, mida see teeb ja kuidas transistor töötab.

Mis on transistor?

Transistor- pooljuhtseade, mis on ette nähtud elektrivoolu juhtimiseks.

Kus kasutatakse transistore? Jah, igal pool! Praktiliselt ükski kaasaegne tehnoloogia ei saa ilma transistorideta hakkama. elektriskeem. Neid kasutatakse tootmises laialdaselt arvutiteadus, heli- ja videotehnika.

Ajad, mil Nõukogude mikroskeemid olid maailma suurimad, läbitud ja suurus kaasaegsed transistorid väga väike. Seega on kõige väiksemate seadmete suurus nanomeetri suurusjärgus!

konsool nano tähistab suurusjärku kümmet kuni miinus üheksanda astmeni.

Siiski on hiiglaslikke isendeid, mida kasutatakse peamiselt energeetika ja tööstuse valdkonnas.

Transistore on erinevat tüüpi: bipolaarne ja polaarne, otsejuhtivus ja pöördjuhtivus. Kuid nende seadmete töö põhineb samal põhimõttel. Transistor on pooljuhtseade. Nagu teada, on pooljuhtide laengukandjad elektronid või augud.

Elektronide ülejäägiga piirkonda tähistatakse tähega n(negatiivne) ja auku juhtivusega piirkond lk(positiivne).

Kuidas transistor töötab?

Et kõik oleks väga selge, kaaluge tööd bipolaarne transistor(kõige populaarsem tüüp).

(edaspidi lihtsalt transistor) on pooljuhtkristall (kõige sagedamini kasutatav räni või germaanium), jagatud kolmeks erineva elektrijuhtivusega tsooniks. Tsoonid on nimetatud vastavalt koguja, alus Ja emitter. Transistorseade ja selle skemaatiline esitus on näidatud alloleval joonisel.

Eraldi otse- ja pöördjuhtivusega transistorid. P-n-p transistore nimetatakse pärijuhtivateks transistoriteks ja n-p-n transistore pöördtransistoriteks.

Nüüd sellest, millised on transistoride kaks töörežiimi. Transistori töö on sarnane veekraani või klapi tööga. Ainult vee asemel - elektrivool. Transistori kaks olekut on võimalikud - töö (transistor avatud) ja puhkeolek (transistor suletud).

Mida see tähendab? Kui transistor on suletud, ei voola seda läbi. Avatud olekus, kui alusele suunatakse väike juhtvool, avaneb transistor ja emitter-kollektori kaudu hakkab voolama suur vool.

Füüsikalised protsessid transistoris

Ja nüüd veel sellest, miks kõik nii juhtub ehk miks transistor avaneb ja sulgub. Võtame bipolaarse transistori. Las olla n-p-n transistor.

Kui ühendate kollektori ja emitteri vahele toiteallika, hakkavad kollektori elektronid positiivsete külge tõmbama, kuid kollektori ja emitteri vahel ei ole voolu. Seda takistavad aluskiht ja emitterikiht ise.

Kui ühendate lisaallikas aluse ja emitteri vahel hakkavad elektronid emitteri n piirkonnast tungima aluste piirkonda. Selle tulemusena rikastub baaspiirkond vabade elektronidega, millest osa taaskombineerub aukudega, osa voolab aluse plussile ja osa (enamik) läheb kollektorisse.

Seega läheb transistor lahti ja selles voolab emitter-kollektori vool. Baaspinge suurendamisel suureneb ka kollektori-emitteri vool. Veelgi enam, juhtimispinge väikese muutusega täheldatakse kollektor-emitterit läbiva voolu olulist suurenemist. Sellel põhineb transistoride töö võimendites.

See on lühidalt transistorite töö mõte. Peate arvutama bipolaarsete transistoride võimsusvõimendi üleöö või sooritama laboritööd uurida transistori tööd? See pole probleem ka algajale, kui kasutada meie õpilasteeninduse spetsialistide abi.

Kandideerige julgelt professionaalset abi selline olulised küsimused nagu õppimine! Ja nüüd, kui teil on juba ettekujutus transistoridest, kutsume teid lõõgastuma ja vaatama Korn bändi videot “Twisted transistor”! Näiteks otsustate, võtke ühendust kirjavahetusega.

Elektrivoolu pooljuhtjuhtimise põhimõte oli tuntud juba 20. sajandi alguses. Vaatamata sellele, et raadioelektroonika alal töötavad insenerid teadsid, kuidas transistor töötab, jätkasid nad seadmete projekteerimist, mis põhinesid vaakumtorud. Sellise pooljuhttrioodide usaldamatuse põhjuseks oli esimese punkti transistoride ebatäiuslikkus. Germaaniumtransistoride perekond ei erinenud nende omaduste stabiilsuse poolest ja sõltus suuresti temperatuuritingimustest.

Tõsine konkurents elektrontorude pärast oli monoliitne räni transistorid alles 50ndate lõpus. Sellest ajast alates hakkas elektroonikatööstus kiiresti arenema ja kompaktsed pooljuhttrioodid asendasid aktiivselt energiamahukaid lampe elektroonikaseadmete ahelatest. Advendiga integraallülitused, kus transistoride arv võib ulatuda miljarditesse, on pooljuhtelektroonika saavutanud otsustava võidu võitluses seadmete miniaturiseerimise eest.

Mis on transistor?

IN tänapäevane tähendus Transistor on pooljuhtraadioelement, mis on ette nähtud elektrivoolu parameetrite muutmiseks ja selle juhtimiseks. Tavalisel pooljuhttrioodil on kolm väljundit: alus, millele suunatakse juhtsignaalid, emitter ja kollektor. Samuti on suure võimsusega komposiittransistorid.

Silmatorkav on pooljuhtseadmete suurusskaala – mõnest nanomeetrist (mikroskeemides kasutatavad pakendamata elemendid) kuni sentimeetrise läbimõõduga võimsate transistorideni, mis on mõeldud elektrijaamade ja tööstusseadmete jaoks. Tööstuslike trioodide pöördpinged võivad ulatuda kuni 1000 V-ni.

Seade

Struktuurselt koosneb triood korpusesse suletud pooljuhtkihtidest. Pooljuhid on materjalid, mis põhinevad ränil, germaaniumil, galliumarseniidil ja muudel keemilistel elementidel. Tänapäeval tehakse uuringuid, mis valmistavad teatud tüüpi polümeere ja isegi süsinik-nanotorusid pooljuhtmaterjalide rolliks. Ilmselt lähitulevikus saame teada grafeeni väljatransistoride uutest omadustest.

Varem asusid pooljuhtkristallid metallist korpused kolme jalaga mütside kujul. See disain oli tüüpiline punkttransistoridele.

Täna, kujunduse enamik korter, sealhulgas räni pooljuhtseadmed on valmistatud monokristalli baasil, mis on teatud osades legeeritud. Need pressitakse plast-, klaas-metall- või keraamika-metallkorpustesse. Mõnel neist on soojuse hajutamiseks väljaulatuvad metallplaadid, mis on paigaldatud radiaatoritele.

Kaasaegsete transistoride elektroodid on paigutatud ühte ritta. Selline jalgade paigutus on mugav laua automaatseks kokkupanekuks. Klemmid ei ole korpustele märgitud. Elektroodi tüüp määratakse teatmeteoste või mõõtmiste abil.

Transistoride jaoks kasutatakse erineva struktuuriga pooljuhtkristalle, pnp tüüpi või n-p-n. Need erinevad elektroodide pinge polaarsuse poolest.

Skemaatiliselt võib transistori struktuuri kujutada kahena pooljuhtdioodid eraldatud täiendava kihiga. (Vt joonist 1). Just selle kihi olemasolu võimaldab kontrollida pooljuhttrioodi juhtivust.

Riis. 1. Transistoride ehitus

Joonisel 1 on skemaatiliselt kujutatud bipolaarsete trioodide struktuur. On veel üks väljatransistoride klass, mida arutatakse allpool.

Põhiline tööpõhimõte

Puhkeseisundis ei liigu bipolaarse trioodi kollektori ja emitteri vahel voolu. elektrivool hoiab ära emitteri ristmiku takistuse, mis tekib kihtide vastasmõju tulemusena. Transistori sisselülitamiseks on vaja selle alusele väikest pinget rakendada.

Joonisel 2 on diagramm, mis selgitab trioodi toimimist.

Riis. 2. Tööpõhimõte

Baasvoolude juhtimisega saate seadet sisse ja välja lülitada. Kui taotlete baasi analoogsignaal, siis muudab see väljundvoolude amplituudi. Sel juhul kordab väljundsignaal täpselt baaselektroodi võnkesagedust. Teisisõnu võimendatakse sisendis vastuvõetud elektrilist signaali.

Seega võivad pooljuhttrioodid töötada elektrooniliste võtmete režiimis või sisendsignaalide võimendamise režiimis.

Seadme töö režiimis elektrooniline võti saab aru jooniselt 3.

Riis. 3. Triood võtmerežiimis

Tähistus diagrammidel

Ühine märge: "VT" või "Q" millele järgneb positsiooniindeks. Näiteks VT 3. Varasematel skeemidel võib leida aegunud tähistusi: “T”, “PP” või “PT”. Transistor on kujutatud sümboolsete joontena, mis näitavad vastavaid elektroode, ringiga või mitte. Voolu suund emitteris on näidatud noolega.

Joonisel 4 on kujutatud ULF-ahelat, milles transistorid on uuel viisil märgistatud, ja joonisel 5 on kujutatud erinevat tüüpi väljatransistoride skemaatilised kujutised.

Riis. 4. Näide ULF-i skeemid trioodidel

Transistoride tüübid

Vastavalt tööpõhimõttele ja struktuurile eristatakse pooljuhttrioode:

• väli;
• bipolaarne;
• kombineeritud.

Need transistorid täidavad samu funktsioone, kuid nende tööpõhimõte on erinev.

valdkonnas

Seda tüüpi trioode nimetatakse elektriliste omaduste tõttu ka unipolaarseks - neil on ainult ühe polaarsusega vool. Juhtimise struktuuri ja tüübi järgi jagunevad need seadmed kolme tüüpi:

1. Transistorid koos p-n juhtimineüleminek (joon. 6).
2. Soojustatud väravaga (on sisseehitatud või indutseeritud kanaliga).
3. MDP, struktuuriga: metall-dielektrik-juht.

Isoleeritud värava eripäraks on dielektriku olemasolu selle ja kanali vahel.

Osad on staatilise elektri suhtes väga tundlikud.

Väljatrioodi ahelad on näidatud joonisel 5.

Riis. 5. Väljatransistorid
Riis. 6. Foto päris välitrioodist

Pöörake tähelepanu elektroodide nimetusele: äravool, allikas ja värav.

FET-id tarbivad väga vähe energiat. Nad võivad töötada rohkem kui aasta väikesest patareist või akust. Seetõttu kasutatakse neid tänapäevases laialdaselt elektroonilised seadmed nagu kaugjuhtimispuldid Pult, mobiilsed vidinad ja nii edasi.

Bipolaarne

Seda tüüpi transistoride kohta on palju räägitud alajaotises " Põhiprintsiip töö". Märgime ainult, et seade sai nime "Bipolaarne", kuna see suudab ühe kanali kaudu edastada vastupidiste märkide laenguid. Nende omadus on madal väljundtakistus.

Transistorid võimendavad signaale ja toimivad lülitusseadmetena. Kollektorahelasse saate lisada piisavalt võimas koormus. Tänu kõrge vool kollektor, saate koormustakistust alandada.

Allpool käsitleme struktuuri ja toimimispõhimõtet üksikasjalikumalt.

Kombineeritud

Selleks, et saavutada teatud elektrilised parameetridÜhe diskreetse elemendi kasutamisest leiutavad transistoride disainerid kombineeritud disainilahendusi. Nende hulgas on:

• sisseehitatud takistitega ja nende vooluringiga;
• kahe trioodi kombinatsioonid (identsed või erinevad struktuurid) ühel juhul;
• lambda dioodid - kahe väljatrioodi kombinatsioon, mis moodustavad negatiivse takistusega sektsiooni;
• konstruktsioonid, milles isoleeritud väravavälja triood juhib bipolaarset trioodi (kasutatakse elektrimootorite juhtimiseks).

Kombineeritud transistorid on tegelikult elementaarne mikroskeem ühes pakendis.

Kuidas bipolaarne transistor töötab? Juhised mannekeenide jaoks

Bipolaarsete transistoride töö põhineb pooljuhtide ja nende kombinatsioonide omadustel. Trioodide tööpõhimõtte mõistmiseks käsitleme pooljuhtide käitumist elektriahelates.

Pooljuhid.

Mõned kristallid, nagu räni, germaanium jne, on dielektrikud. Kuid neil on üks omadus - kui lisate teatud lisandeid, muutuvad nad eriliste omadustega juhiks.

Mõned lisandid (doonorid) viivad vabade elektronide ilmumiseni, teised (aktseptorid) moodustavad "auke".

Kui näiteks räni on dopeeritud fosforiga (doonor), siis saame elektronide ülejäägiga pooljuhi (n-Si struktuur). Boori (aktseptori) lisamisel muutub legeeritud räni auku juhtivaks pooljuhiks (p-Si), st selle struktuuris domineerivad positiivselt laetud ioonid.

Ühesuunaline juhtivus.

Teeme mõtteeksperimendi: ühendame kaks heterogeenset pooljuhti toiteallikaga ja toome oma disaini voolu. Juhtub midagi ootamatut. Kui ühendate negatiivse juhtme n-tüüpi kristalliga, siis ahel sulgub. Kui aga polaarsust vahetame, siis vooluringis elektrit ei ole. Miks see juhtub?

Kristallide kombineerimise tulemusena erinevad tüübid juhtivus, moodustub nende vahele p-n-siirdega piirkond. Osa n-tüüpi kristallide elektronidest (laengukandjatest) voolab läbi augu juhtivusega kristalli ja ühendab uuesti kontakttsoonis olevad augud.

Selle tulemusena tekivad kompenseerimata laengud: n-tüüpi piirkonnas - negatiivsetest ioonidest ja p-tüüpi piirkonnas positiivsetest. Potentsiaalide erinevus ulatub väärtuseni 0,3 kuni 0,6 V.

Pinge ja lisandite kontsentratsiooni suhet saab väljendada järgmise valemiga:

φ= V T*ln( N n* Np)/n 2 i , kus

V T – termodünaamilise pinge väärtus, N n Ja Np – vastavalt elektronide ja aukude kontsentratsioon ning n i tähistab sisemist kontsentratsiooni.

Kui ühendate plussi p-juhiga ja miinuse n-tüüpi pooljuhiga, ületavad elektrilaengud barjääri, kuna nende liikumine on suunatud vastu. elektriväli sees p-n ristmik. IN sel juhulüleminek on avatud. Aga kui poolused on vastupidised, siis üleminek suletakse. Siit järeldus: p-n-siirde moodustab ühesuunalise juhtivuse. Seda omadust kasutatakse dioodide kujundamisel.

Dioodist transistorini.

Teeme katse keerulisemaks. Lisame kahe ühesuguse struktuuriga pooljuhi vahele veel ühe kihi. Näiteks p-tüüpi räniplaatide vahele sisestame juhtiva kihi (n-Si). Pole raske arvata, mis kontakttsoonides juhtub. Analoogiliselt ülalkirjeldatud protsessiga moodustuvad liikumist blokeerivad alad p-n ristmikel elektrilaengud emitteri ja kollektori vahel ning sõltumata voolu polaarsusest.

Kõige huvitavam juhtub siis, kui rakendame vahekihile (alusele) kerget pinget. Meie puhul rakendame negatiivse märgiga voolu. Nagu dioodi puhul, moodustub emitter-baasahel, mida läbib vool. Samal ajal hakkab kiht olema aukudega küllastunud, mis viib aukude juhtivuseni emitteri ja kollektori vahel.

Vaata joonist 7. See näitab, et positiivsed ioonid täitsid kogu meie ruumi tingimuslik ehitus ja nüüd ei sega miski voolu juhtimist. Oleme saanud p-n-p bipolaarse transistori visuaalse mudeli.

Riis. 7. Trioodi tööpõhimõte

Kui baas on pingest vabastatud, tuleb transistor väga kiiresti algne olek ja kollektori läbipääs on suletud.

Seade võib töötada ka võimendusrežiimis.

Kollektori vool on otseselt võrdeline baasvooluga. : ITo= ß* IB , Kus ß – praegune kasum, IB – baasvool.

Kui muudate juhtvoolu väärtust, muutub alusele aukude moodustumise intensiivsus, mis toob kaasa proportsionaalse muutuse väljundpinge amplituudis, säilitades samal ajal signaali sageduse. Seda põhimõtet kasutatakse signaalide võimendamiseks.

Rakendades baasile nõrku impulsse, saame väljundis sama võimendussageduse, kuid palju suurema amplituudiga (seadistatud kollektor-emitteri ahelale rakendatava pingega).

NPN-transistorid töötavad sarnaselt. Muutub ainult pingete polaarsus. Seadmed koos n-p-n struktuur neil on otsene juhtivus. Vastupidine juhtivus p-n-p transistorid tüüp.

Jääb veel lisada, et pooljuhtkristall Sarnasel viisil reageerib ultraviolettkiirgusele. Footonivoo sisse ja välja lülitamisega või selle intensiivsuse reguleerimisega saab juhtida trioodi tööd või muuta pooljuhttakisti takistust.

Bipolaarse transistori lülitusahelad

Vooluahela insenerid kasutavad järgmisi ühendusskeeme: koos ühine alus, ühised emitterelektroodid ja sisselülitamine ühise kollektoriga (joonis 8).

Riis. 8. Bipolaarsete transistoride ühendusskeemid

Ühise alusega võimendite puhul on tüüpiline:

• madal sisendtakistus, mis ei ületa 100 oomi;
• trioodi head temperatuuriomadused ja sagedusomadused;
• kõrge lubatud pinge;
• selleks kulub kaks erinevatest allikatest toiduks.

Tavalistel emitteriahelatel on:

• suur voolu- ja pingevõimendus;
• madal võimsuse suurenemine;
• väljundpinge ümberpööramine sisendi suhtes.

Selle ühendusega piisab ühest toiteallikast.

Ühendusskeem vastavalt põhimõttele " ühine kollektor» pakub:

• kõrge sisend ja madal väljundtakistus;
• madal pingevõimendus (< 1).

Kuidas väljatransistor töötab? Selgitus mannekeenidele

Väljatransistori struktuur erineb bipolaarsest selle poolest, et selles olev vool ei ületa p-n üleminekutsoone. Laengud liiguvad mööda reguleeritavat ala, mida nimetatakse väravaks. Ribalaius värav on pinge reguleeritav.

Kosmos p-n tsoonid väheneb või suureneb elektrivälja toimel (vt joon. 9). Vastavalt sellele muutub vabade laengukandjate arv – täielikust hävimisest lõpliku küllastumiseni. Sellise löögi tagajärjel väravale reguleeritakse äravooluelektroodide (kontaktid, mis väljastavad töödeldud voolu) voolu. Sissetulev vool voolab läbi allika kontaktide.

Joonis 9. FET p-n-siirdega

Sarnasel põhimõttel töötavad sisseehitatud ja indutseeritud kanaliga väljatrioodid. Nende skeeme nägite joonisel 5.

FET-lülitusahelad

Praktikas kasutatakse ühendusskeeme analoogselt bipolaarse trioodiga:

• ühise allikaga - annab suure voolu ja võimsuse võimenduse;
• madala sisendtakistuse ja väikese võimendusega ühisvärava ahelad (piiratud kasutusega);
• ühise äravooluga ahelad, mis töötavad samamoodi nagu ühise emitteri ahelad.

Joonis 10 näitab erinevaid skeeme kandmised.

Riis. 10. Väljatrioodi ühendusskeemide pilt

Peaaegu iga vooluring on võimeline töötama väga madalal sisendpingel.

Video, mis selgitab lihtsalt transistori tööpõhimõtet