Як роблять транзистори різних типів?.. Яким чином очищають напівпровідники і надають їм монокристалічну структуру?.. Які способи дозволяють ввести в напівпровідник домішки позитивного і негативного типів? дилеми ставить форма бази в транзисторах посилення ВЧ?.. Усі ці питання розглядаються тут професором Радіолем.

Я з цікавістю прослухав вашу розмову про транзисторів і із задоволенням наголошую, що Любознайкін пояснив тобі всі основні поняття, які стосуються цих активних компонентів, які за кілька років успішно замінили вакуумні лампи у більшості видів електронної апаратури.

Ти добре зрозумів, Незнайкін, що слабкі змінні струми, прикладені між базою та емітером, визначають струм бази, який у свою чергу викликає струм колектора. Можна сказати, що коефіцієнт посилення транзистора визначається ставленням зміни струму колектора до зміни його струму бази, що викликав його.

Очищення напівпровідників

Я думаю, що ти хотів би знати, які типи транзисторів є і як їх роблять. Тому я спробую описати тобі основні характеристики транзисторів та технологію їх виготовлення.

Транзистори виготовляють з германію або кремнію, причому на початку виробничого циклу потрібно мати дуже чистий напівпровідник, що має бездоганну кристалічну структуру.

Для усунення домішок застосовують метод нагріву, що має назву зонної плавки. Напівпровідниковий стрижень кладуть у кварцовий тигель і нагрівають доти, доки вузька зона стрижня не розплавиться. Потім цю розплавлену зону повільно пересувають від кінця напівпровідникового стрижня до іншого. Що тут відбувається? Домішки прагнуть залишитися у розплавленій частині. Переміщуючи цю зону від кінця стрижня до іншого, ми збираємо домішки одному кінці і добре очищаємо від нього решту стрижня. Після цього кінець стрижня, у якому зібралися домішки, відрізають, а добре очищеної частини залишається трохи більше одного атома домішок на сто мільйонів атомів напівпровідника.

Високочастотне нагрівання

Ти, може, хочеш знати, як вдається нагріти напівпровідник вузькою зоною, в якій температура досягає при очищенні германію і при очищенні кремнію? І тут на допомогу закликають електроніку. Зону, що розплавляється, разом з тиглем поміщають в котушку, по якій протікає сильний струм високої частоти. Цей струм наводить у масі напівпровідника струми, які його сильно розігрівають. Котушку повільно переміщають уздовж тигля, що викликає відповідне переміщення розплавленої зони (рис. 132).

Нагрів магнітним полем, наведеним струмами високої частоти і в свою чергу породжує струми в масі напівпровідника, координально відрізняється від нагрівання за допомогою полум'я.

Нагрівання полум'ям підвищує температуру поверхні тіла, а вже з поверхні завдяки тепловій провідності калорій проникають у глиб тіла. При високочастотному нагріванні тепло відразу охоплює всю масу тіла, що нагрівається.

Додам, що цей спосіб можна використовувати і для нагрівання діелектриків, але тоді в тілі, що нагрівається, створюють електричне (а не магнітне) поле. Для цього тіло, що нагрівається, поміщають між обкладками конденсатора, до якого прикладають напругу ВЧ. Цей метод використовують у медицині, де він називається високочастотною діатермією.

Мал. 132. Очищення напівпровідника методом зонного плавлення.

Мал. 133. Розташування трьох елементів, що утворюють транзистор.

Отримання монокристалу

Повернемося, проте, до напівпровідників. Тепер, коли вони добре очищені, їм потрібно надати ідеальну кристалічну структуру. Справа в тому, що зазвичай напівпровідник складається з великої кількості безладно розташованих кристалів. Таке скупчення кристалів слід перетворити на один монокристал з виключно однорідної кристалічної структурою у всій масі.

Для цього весь напівпровідник необхідно знову розплавити; цю операцію також виконують за допомогою струмів ВЧ, що протікають по котушці. У розплав вводять крихітний кристалик, що служить затравкою для бездоганної кристалізації всієї маси, та необхідну кількість домішок типу n або p в залежності від типу майбутніх транзисторів.

Після охолодження отримують монокристал, який має масу кілька кілограмів. Потім його потрібно розрізати на велику кількість маленьких шматочків, кожен з яких згодом буде перетворений на транзистор. За винятком заготовок для транзисторів великої потужності ці шматочки мають приблизно 2 мм завдовжки і завширшки і кілька десятих часток міліметра завтовшки.

Сплавлення

Ось ми маємо заготівлі для бази. Як із них зробити транзистори? Ти легко здогадуєшся, що для цього по обидва боки бази потрібно мати домішки типу, протилежного до того, який містить база.

Для виконання цього завдання існує кілька способів. Якщо база зроблена з германію типу p, то по обидва боки її можна накласти крихітні таблетки з індію, що передбачає домішку типу n. Нагріємо все це до температури якої індій починає плавитися; германій маній ж, як я вже казав, звертається в рідина лише за нагріванні до 940°С.

Атоми індію вкраплюються в германій; проникнення це полегшується тепловим рухом.

Отже, з одного боку бази утворюється емітер, з другого - колектор (рис. 133). Останній повинен мати більший, ніж емітер, об'єм, тому що струми розсіюють на ньому більшу потужність. Само собою зрозуміло, що до кожного з цих трьох електродів необхідно припаяти дротяний висновок.

Дифузія та електроліз

Щойно описаний мною спосіб формування емітера і колектора використовується під час виробництва Сплавних транзисторів. Але емітер і колектор можна створити методом дифузії. Для цього напівпровідник нагрівають до температури близької до точки плавлення і поміщають його в атмосферу нейтрального газу, що містить пари домішки, призначеної для формування емітера і колектора. Атоми домішки легко проникають у напівпровідник. Залежно від дозування парів домішки та тривалості операції глибина проникнення може бути більшою або меншою. Це визначає товщину бази.

Метод дифузії дуже добре підходить для виробництва потужних транзисторівоскільки він дозволяє вводити домішки на великих площах - таким чином можна сформувати емітер і колектор необхідних розмірів, достатніх для проходження відносно великих струмів.

Метод дифузії аналогічний електролітичний метод, при якому напівпровідник піддають впливу струмків рідини, що містить домішка протилежного типу.

Як бачиш, для виробництва транзисторів використовують речовини у твердому стані – сплавлення, у рідкому – електроліз та у газоподібному – дифузія.

Створений одним з описаних методів транзистор поміщають у герметичний та непрозорий корпус, щоб світло не викликало у напівпровіднику фотоелектричного ефекту. У корпусі створюють вакуум або заповнюють його нейтральним газом, наприклад азотом, щоб запобігти окисленню германію або кремнію киснем повітря. Корпуси для потужних транзисторів роблять з таким розрахунком, щоб вони могли розсіяти тепло і тим самим запобігти надмірному нагріванню напівпровідників. Такий корпус є тепловідвідним радіатором, він має великі розміри.

Високі частоти ставлять проблеми

До високочастотного транзистора пред'являються вимоги щодо товщини бази.

Якщо її товщина дуже мала, то між емітером та колектором утворюється відносно висока ємність. Тоді струми ВЧ, замість того щоб проходити через два переходи, проходять безпосередньо від емітера до колектора, які є своєрідними обкладинками конденсатора.

Чи слід зниження цієї небажаної ємності збільшити товщину бази? Ти, Незнайкін, безперечно, збираєшся запропонувати це рішення. Давай подивимося, наскільки воно раціональне.

Збільшивши відстань, що розділяє емітер і колектор, ти змусиш електрони проробляти між двома переходами. довгий шлях. Однак у напівпровіднику швидкість переміщення електронів і дірок досить низька: . Припустимо, що товщина бази становить ОД мм. Для проходження цієї більш ніж короткої дистанції електронам потрібно 2,5 мкс.

Це дорівнює тривалості одного напівперіоду струму з частотою, що відповідає хвилі завдовжки. Як бачиш, за такої товщини бази можна посилювати лише струми, що відповідають довгим хвилям.

Ось чому в транзисторах ВЧ товщину бази необхідно зробити значно меншою. При товщині бази 0,001 мм можна посилювати хвилі довжиною до , а для прийому дециметрових хвиль, на яких, зокрема, ведуться телевізійні передачі, база повинна бути ще тоншою.

Як бачиш, тут ми стикаємося з двома суперечливими вимогами: щоб ємність емітер – колектор не була надто великою, потрібно збільшити товщину бази, а щоб електрони проходили через базу досить швидко, її потрібно зробити якомога тонше.

Вирішення проблеми

Як же вийти із цієї дилеми? Дуже просто, знизити ємність не шляхом скорочення відстані між двома обкладками, в ролі яких тут виступають емітер і колектор, а шляхом максимально можливого зменшення їх площ на переходах.

Мал. 134. Електролітична обробка за допомогою струйок рідини.

Мал. 135. Транзистор, в якому між базою та колектором є зона з напівпровідника з власною провідністю, що покращує посилення на високих частотах.

З цією метою домішки вводять таким чином, щоб емітер та колектор мали форму конусів, вершини яких звернені у бік бази. Такий результат досягається, зокрема, при обробці обох сторін напівпровідникової пластинки струмками рідини, яка під впливом напруги викликає електроліз і тим самим поступово вириває атоми, створюючи у напівпровіднику справжні кратери. Коли денці цих поглиблень виявляються досить близько один від одного, змінюють напрям напруги, а рідина додають достатню кількість домішок, які за допомогою електролізу вводять у поглиблення, що утворюють емітер і колектор (рис. 134).

Існує категорія ВЧ транзисторів, в яких звернений до емітера шар бази містить підвищену кількість домішок, що підвищує швидкість електронів і тим дозволяє посилювати більше високі частоти. Такі транзистори називають дрейфовими; вони дозволяють посилювати дециметрові хвилі.

Можна йти далі в цьому напрямку, розмістивши між базою та колектором те, що називають зоною із власною провідністю (рис. 135). Вона являє собою шар дуже чистого германію або кремнію і тому має посередню провідність. Ця зона відокремлює дуже тонку базувід колектора, що зменшує ємність між емітером та колектором і дозволяє посилювати дуже високі частоти.

Транзистори з мезаструктурою

Ще один метод служить для виготовлення транзисторів, здатних працювати на частотах кілька тисяч мегагерц, завдяки чому вони, зокрема, застосовуються в вхідних схемахтелевізорів.

Для виготовлення таких транзисторів беруть пластину германію типу p, яка буде колектором. На нижню сторону пластини міцно припаюють смужку золота – майбутній висновок. Верхню сторону пластини піддають впливам парів сурми. Ця домішка типу n, щільність якої біля поверхні вище, утворює основу. Потім на цій стороні пластини методом дифузії вводять домішка типу p (звичайно алюміній), яка формує емітер. Цю дифузію виробляють через ґрати, внаслідок чого алюміній осідає на поверхні вузькими смугами (рис. 136, а).

Після завершення цих операцій на поверхню наносять крихітні крапельки воску, кожна з яких однією стороною прикриває ділянку напівпровідника типу p - майбутній емітер, а іншою частиною - ділянку типу n - майбутню базу (рис. 136, б).

Мал. 136. Послідовні етапи виготовлення мезатранзистора: а - дифузія через ґрати домішки типу p; б - нанесення крапель воску на поверхні, що утворюють емітер і основу; в - обробка кислотою та поділ пластини на окремі транзистори.

Мал. 137. Етапи виготовлення транзистора по планарної технології: а - на епітаксійний шар наносять ізолюючий шар двоокису кремнію; б - в ізолюючому шарі створюють вікно, через яке методом дифузії вводять домішка типу p; в - після нанесення нового ізолюючого шару в ньому створюють вікно менших, ніж перше, розмірів і через нього вводять домішка типу n; г - для доступу до зон бази та емітера розкривають отвори, що заповнюються металом, до якого потім припаюють висновки; д - підкладку укріплюють на металевій пластинці, яка служить виведенням колектора.

Потім всю пластину обробляють кислотою, яка стравлює всі ділянки емітерів та баз, за ​​винятком захищених воском. Тепер залишається лише розрізати пластину на стільки транзисторів, скільки є емітерів і баз, що утворюють на колекторі невеликі своєрідні гірки з плоскою вершиною (рис. 136, в). Транзистори з такою структурою стали називати меза, бо в Південній Америціцим словом називають гору з плоскою вершиною.

Епітаксіальний шар

Спустимося тепер із цієї гори на рівнину. Під цим я маю на увазі планарну технологію виготовлення транзисторів, що отримала дуже широке поширення, оскільки вона дозволяє підготувати на одному монокристалі тисячі штук транзисторів за один технологічний цикл. Ці транзистори дозволяють також посилювати високі частоти та отримувати значні потужності.

Найчастіше такі транзистори формують на епітаксійному шарі напівпровідника. Що це таке?

Колектор повинен мати невелику питому електричний опір, щоб легко пропускати струм. Отже, його бажано робити із напівпровідника з великим вмістом домішок. База та емітер, навпаки, повинні мати значно менше домішок.

Для створення необхідної різниці багатий домішками напівпровідник покривають тонким епітаксійним шаром. Для цього напівпровідник, наприклад кремній, нагрівають в атмосфері водню до температури приблизно на сто градусів нижче за точку його плавлення. Потім температуру злегка знижують і одночасно вводять напівпровідник тетрахлорид кремнію. Останній розкладається, і на поверхні напівпровідника осаджується епітаксійний шар, що складається з атомів кремнію, розташованих у ідеальному порядкукристалічних ґрат. Товщина цього шару становить соту частку міліметра, яке висока чистота визначає високий питомий електричний опір.

Виготовлення транзисторів за планарною технологією

Уявімо, що ми маємо пластину кремнію, покриту епітаксійним шаром. Для початку нанесемо на епітаксійний шар ізолюючий шар двоокису кремнію (рис. 137). Потім, впливаючи відповідним хімічним складом, розкриємо в ізолюючому шарі отвір, через яке введемо епітаксиальний шар методом дифузії домішка типу p, наприклад бор; ця ділянка з домішками буде базою майбутнього транзистора.

Знову покриємо всю пластину ізолюючим шаром двоокису кремнію і повторним хімічним травленням розкриємо в центрі невеликий отвір. Через цей отвір методом дифузії введемо домішка типу n, наприклад, фосфор. У такий спосіб створюють емітер.

Ще раз покриємо всю пластину ізолюючим шаром двоокису кремнію і потім розкриємо в цьому шарі два отвори: один над емітером, а другий, розташований у самому центрі, над базою. Через ці отвори напиленням алюмінію або золота створимо висновки емітера та бази. Що ж до виведення колектора, то його виготовлення не викликає складності - достатньо зміцнити провідну пластинку на нижній стороні колектора.

Ти, Незнайкін, безсумнівно, помітиш, що у виконаного таким чином транзистора краю переходів немає контакту з навколишньою атмосферою; вони захищені шаром двоокису кремнію, що повністю виключає можливість псування транзистора. Двоокис кремнію більше відомий під назвою кварцу.

За бажання підвищити потужність планарного транзистора у принципі слід збільшувати площу переходу емітер - база; для цього можна також збільшити площу контакту між цими двома зонами, зробивши емітер не у вигляді маленького кола, а у формі зірки або замкнутої ламаної лінії.

Використання світлочутливих плівок

Дізнавшись із моїх пояснень про велику кількістьоперацій, необхідних для виробництва транзистора за планарною технологією, ти, Незнайкін, безсумнівно, думаєш, що його собівартість має бути дуже високою. Тому я поспішаю заспокоїти тебе.

За один прийом виготовляють кілька десятків чи навіть сотень транзисторів. У виробництві застосовують фотолітографічні методи, які ще ширше використовуються при виготовленні. інтегральних схем, Про які ми поговоримо в інший раз.

Запам'ятай, що для розтину крихітних отворів (вікон) всю поверхню спочатку покривають світлочутливою плівкою, яка під впливом світла стає твердою і стійкою до розчинника, що використовується на наступному етапі. Таким чином, ділянки поверхні, що піддалися засвіченню, виявляються захищеними своєрідним лаком, на який перетворилася затверділа плівка.

Як я сподіваюся, ти здогадався, що на плівку проектують світлові зображення ділянок епітаксійного шару, які не повинні піддаватися хімічній обробці. Зазвичай світлова проекція здійснюється через об'єктиви, що дозволяють зменшувати зображення, що проектується, що сприяє мікромініатюризації.

Я міг би розповісти тобі і про інших транзисторів, наприклад, польових. Але мені не хочеться втомлювати тебе. Можеш вимкнути магнітофон.

У людей, які захоплюються радіосправою, згодом накопичується досить багато різних електронних деталей, серед яких можуть бути і старі радянські транзистори в металевому корпусі. Як радіодеталі вони вже давно не актуальні через свої великі габарити, проте їх можна використовувати досконало за іншим призначенням: як сонячна батарея. Правда потужність такої батареї виходить досить мала по відношенню до її розмірів, і годиться лише для малопотужних пристроїв. Але все ж таки можна зібрати її як експеримент і заради інтересу.

Для переробки транзистора на сонячну батарею спочатку необхідно спиляти з нього кришку. Для цього транзистор акуратно затискається в тисах за обідок на корпусі та ножівкою спилюємо кришку. Потрібно робити це акуратно, щоб не вивести з ладу кристал і тонкі дроти всередині транзистора.

Після цього можна побачити, що ховається всередині:

Як видно на фото кристал досить невеликий, у порівнянні з корпусом транзистора, адже саме він і перетворюватиме сонячну енергіюв електричну.

Ось таблиця вимірювань, наведена автором з прикладу транзистора КТ819ГМ:

Після вимірів можна розпочати складання сонячної батареї для запиту калькулятора. Для отримання 1,5 вольта необхідно послідовно зібрати п'ять транзисторів, колектор буде мінусом, а база - плюсом.

Для кріплення транзисторів використовувався шматок тонкого пластику з попередньо просвердленими під ніжки отворами. Після встановлення транзисторів на місця, здійснюється підключення між собою, за вказаною вище схемою:

Як показав експеримент, на вулиці, при сонячному світлі калькулятор працював непогано, однак у приміщенні йому виразно не вистачало енергії, і на відстані більше 30 сантиметрів від лампи розжарювання він відмовлявся працювати.

У господарстві радіоконструктора завжди знайдуться старі діоди і транзистори від радіоприймачів і телевізорів, що стали непотрібними. В умілих руках це багатство, якому можна знайти слушне застосування. Наприклад, зробити сонячну батарею своїми руками для живлення у похідних умовах транзисторного радіоприймача. Як відомо, при освітленні світлом напівпровідник стає джерелом електричного струму – фотоелементом. Цією властивістю ми й скористаємося.

Сила струму та електрорушійна силатакого фотоелемента залежать від матеріалу напівпровідника, величини його поверхні та освітленості. Але щоб перетворити діод або транзистор на фотоелемент, потрібно дістатися напівпровідникового кристала, а, точніше кажучи, його потрібно розкрити.

Як це зробити, розповімо трохи пізніше, а поки загляньте в таблицю, де наведено параметри саморобних фотоелементів. Усі значення отримані при освітленні лампою потужністю 60 Вт на відстані 170 мм, що відповідає інтенсивності сонячного світлав погожий осінній день.

Як видно з таблиці, енергія, що виробляється одним фотоелементом, дуже мала, тому їх поєднують у батареї. Щоб збільшити струм, що віддається у зовнішній ланцюг, однакові фотоелементи послідовно з'єднують. Але найкращих результатівможна домогтися при змішаному з'єднанніколи фотобатарею збирають з послідовно з'єднаних груп, кожна з яких складається з однакових паралельно з'єднаних елементів (рис. 3).

Попередньо підготовлені групи діодів збирають на пластині з гетинаксу, органічного скла або текстоліту, наприклад, як показано на малюнку 4. Між собою елементи з'єднуються тонкими лудженими мідними проводами.

Висновки, що підходять до кристала, краще не паяти, тому що при цьому від високої температуриможна пошкодити напівпровідниковий кристал. Пластину з фотоелементом помістіть у міцний корпус із прозорою верхньою кришкою. Обидва виводи підпаяйте до роз'єму - до нього підключатимете шнур від радіоприймача.

Сонячна фотобатарея з 20 діодів КД202 (п'ять груп по чотири паралельно з'єднаних фотоелементи) на сонці генерує напругу до 2,1 при струмі до 0,8 мА. Цього цілком достатньо для того, щоб живити радіоприймач на одному-двох транзисторах.

Тепер про те, як перетворити діоди та транзистори на фотоелементи. Приготуйте лещата, бокорізи, плоскогубці, гострий ніж, невеликий молоток, паяльник, олов'яно-свинцевий припій ПОС-60, каніфоль, пінцет, тестер або мікроамперметр на 50-300 мкА і батарейку на 4,5 В. Діоди Д7, Д72, Д226 інші у схожих корпусах слід розбирати так. Спочатку відріжте бокорізами висновки лініями А і Б (рис.1). Зім'яту при цьому трубочку акуратно розправте, щоб звільнити висновок Г. Потім діод затисніть у лещатах за фланець.

Прикладіть до зварного шва гострий ніж і, несильно вдаривши по тильній стороніножа, видаліть кришку. Слідкуйте за тим, щоб лезо ножа не проходило глибоко усередину – інакше можна пошкодити кристал. Висновок Д очистіть від фарби – фотоелемент готовий. У діодів КД202 (а також Д214, Д215, Д242-Д247) плоскогубцями відкусіть фланець А (рис.2) і відріжте висновок Б. Як і в попередньому випадку, розправте зім'яту трубку, звільніть гнучкий висновок Г.

Електроніка оточує нас усюди. Але практично ніхто не думає про те, як вся ця штука працює. Насправді, все досить просто. Саме це ми й постараємось сьогодні показати. А почнемо з такого важливого елементаяк транзистор. Розкажемо, що це таке, що робить і як працює транзистор.

Що таке транзистор?

Транзистор- Напівпровідниковий прилад, призначений для керування електричним струмом.

Де застосовуються транзистори? Та скрізь! Без транзисторів не обходиться практично жодна сучасна електрична схема. Вони повсюдно використовуються під час виробництва обчислювальної техніки, аудіо- та відеоапаратури.

Часи, коли радянські мікросхеми були найбільшими у світі, пройшли, та розмір сучасних транзисторівдуже малий. Так, найменші пристрої мають розмір порядку нанометра!

префікс нано-позначає величину близько десяти мінус дев'ятого ступеня.

Однак існують і гігантські екземпляри, які використовуються переважно в галузях енергетики та промисловості.

Існують різні типи транзисторів: біполярні та полярні, прямої та зворотної провідності. Тим не менш, в основі роботи цих приладів лежить той самий принцип. Транзистор - напівпровідниковий прилад. Як відомо, у напівпровіднику носіями заряду є електрони чи дірки.

Область з надлишком електронів позначається буквою n(negative), а область з дірковою провідністю – p(positive).

Як працює транзистор?

Щоб усе було гранично ясно, розглянемо роботу біполярного транзистора(Найпопулярніший вид).

(Далі - просто транзистор) являє собою кристал напівпровідника (найчастіше використовується кремнійабо германій), поділений на три зони з різною електропровідністю. Зони називаються відповідно колектором, базоюі емітером. Пристрій транзистора та його схематичне зображення показані на малюнку не нижче

Розділяють транзистори прямої та зворотної провідності. Транзистори p-n-p називаються транзистори з прямою провідністю, а транзистори n-p-n - зі зворотною.

Тепер про те, які два режими роботи транзисторів. Сама робота транзистора схожа роботу водопровідного крана чи вентиля. Тільки замість води – електричний струм. Можливі два стани транзистора – робочий (транзистор відкритий) та стан спокою (транзистор закритий).

Що це означає? Коли транзистор закритий, то через нього не тече струм. У відкритому стані, коли на базу подається малий струм, транзистор відкривається, і великий струм починає текти через емітер-колектор.

Фізичні процеси у транзисторі

А тепер докладніше про те, чому все відбувається саме так, тобто чому транзистор відкривається та закривається. Візьмемо біполярний транзистор. Нехай це буде n-p-nтранзистор.

Якщо підключити джерело живлення між колектором та емітером, електрони колектора почнуть притягуватися до плюсу, проте струму між колектором та емітером не буде. Цьому заважає прошарок основи і сам шар емітера.

Якщо ж підключити додаткове джереломіж базою та емітером, електрони з n області емітера почнуть проникати в область баз. В результаті область бази збагатиться вільними електронами, частина з яких рекомбінує з дірками, частина потече до плюс бази, а частина (велика частина) попрямує до колектора.

Таким чином, транзистор виходить відкритий, і в ньому тече струм емітер колектор. Якщо напруга на базі збільшити, збільшиться і струм колектор емітер. Причому, при малій зміні напруги, що управляє, спостерігається значне зростання струму через колектор-емітер. Саме на цьому ефекті і ґрунтується робота транзисторів в підсилювачах.

Ось коротко і вся сутність роботи транзисторів. Потрібно розрахувати підсилювач потужності на біполярних транзисторах за одну ніч, або виконати лабораторну роботуз дослідження роботи транзистора? Це не проблема навіть для новачка, якщо скористатися допомогою фахівців нашого студентського сервісу.

Не соромтеся звертатися за професійною допомогоюу таких важливих питаннях, як навчання! А тепер, коли у вас вже є уявлення про транзисторів, пропонуємо розслабитися та подивитися кліп гурту Korn “Twisted transistor”! Наприклад, ви вирішили, звертайтеся до Заочника.

Принцип напівпровідникового управління електричним струмом був відомий ще на початку ХХ ст. Незважаючи на те, що інженери, що працюють в областях радіоелектроніки, знали, як працює транзистор, вони продовжували конструювати пристрої на основі вакуумних ламп. Причиною такої недовіри до напівпровідникових тріодів була недосконалість перших точкових транзисторів. Сімейство германієвих транзисторів не відрізнялися стабільністю показників і залежали від температурних режимів.

Серйозну конкуренцію електронним лампам склали монолітні кремнієві транзисторилише наприкінці 50-х років. З цього часу електронна промисловість почала бурхливо розвиватись, а компактні напівпровідникові тріоди активно витісняли енергоємні лампи зі схем електронних приладів. З появою інтегральних мікросхем, де кількість транзисторів може досягати мільярдів штук, напівпровідникова електроніка здобула переконливу перемогу у боротьбі за мініатюризацію пристроїв.

Що таке транзистор?

У сучасне значеннятранзистором називають напівпровідниковий радіоелемент, призначений для зміни параметрів електричного струму та управління ним. У звичайного напівпровідникового тріода є три висновки: база, яку подаються сигнали управління, емітер і колектор. Існують також складові транзистори великої потужності.

Вражає шкала розмірів напівпровідникових пристроїв – від кількох нанометрів (безкорпусні елементи, що використовуються в мікросхемах), до сантиметрів у діаметрі потужних транзисторів, призначених для енергетичних установок та промислового обладнання. Зворотна напруга промислових тріодів може досягати до 1000 В.

Пристрій

Конструктивно тріод складається з напівпровідникових шарів, ув'язнених у корпусі. Напівпровідниками служать матеріали на основі кремнію, германію, арсеніду галію та інших хімічних елементів. Сьогодні проводяться дослідження, що готують на роль напівпровідникових матеріалів деякі види полімерів і навіть вуглецевих нанотрубок. Мабуть, у найближчому майбутньому ми дізнаємося про нові властивості графенових польових транзисторів.

Раніше кристали напівпровідника розташовувалися в металевих корпусаху вигляді капелюшків із трьома ніжками. Така конструкція була характерною для точкових транзисторів.

Сьогодні конструкції більшості плоских, у т. ч. кремнієвих. напівпровідникових приладіввиконані на основі легованого у певних частинах монокристалу. Вони впресовані в пластмасові, металоскляні або металокерамічні корпуси. У деяких з них є металеві пластини для відведення тепла, які кріпляться на радіатори.

Електроди сучасних транзисторів розташовані до одного ряду. Таке розташування ніжок зручне для автоматичного збирання плат. Висновки не маркуються на корпусах. Тип електрода визначається за довідниками або шляхом вимірів.

Для транзисторів використовують кристали напівпровідників з різними структурами, типу p-n-pчи n-p-n. Вони відрізняються полярністю напруги на електродах.

Схематично будову транзистора можна у вигляді двох напівпровідникових діодіврозділених додатковим шаром. (Дивись малюнок 1). Саме наявність цього шару дозволяє керувати провідністю напівпровідникового тріода.

Мал. 1. Будова транзисторів

На малюнку 1 схематично зображено будову біполярних тріодів. Існують ще клас польових транзисторів, про які йтиметься нижче.

Базовий принцип роботи

У стані спокою між колектором та емітером біполярного тріода струм не протікає. Електричний струмперешкоджає опір емітерного переходу, що виникає внаслідок взаємодії шарів. Для включення транзистора потрібно подати незначну напругу з його базу.

На малюнку 2 показано схему, яка пояснює принцип роботи тріода.

Мал. 2. Принцип роботи

Керуючи струмами бази можна вмикати та вимикати пристрій. Якщо на базу подати аналоговий сигнал, то він змінить амплітуду вихідних струмів При цьому вихідний сигнал повторить частоту коливань на базовому електроді. Іншими словами, відбудеться посилення електричного сигналу, що надійшов на вхід.

Таким чином, напівпровідникові тріоди можуть працювати в режимі електронних ключів або підсилення вхідних сигналів.

Роботу пристрою в режимі електронного ключаможна зрозуміти з малюнку 3.

Мал. 3. Тріод у режимі ключа

Позначення на схемах

Загальноприйняте позначення: "VT" або "Q", після яких зазначається позиційний індекс. Наприклад, VT 3. На більш ранніх схемах можна зустріти позначення, що вийшли з вживання: «Т», «ПП» або «ПТ». Транзистор зображується у вигляді символічних ліній, що позначають відповідні електроди, обведені кружком або без. Напрямок струму в емітері вказує стрілка.

На малюнку 4 показано схему УНЧ, на якій транзистори позначені новим способом, а на малюнку 5 – схематичні зображення різних типів польових транзисторів.

Мал. 4. Приклад схеми УНЧна тріодах

Види транзисторів

За принципом дії та будовою розрізняють напівпровідникові тріоди:

• польові;
• біполярні;
• комбіновані.

Ці транзистори виконують однакові функції, проте існують відмінності у принципі їхньої роботи.

Польові

Цей вид тріодів ще називають уніполярним, через електричні властивості – у них протікає струм лише однієї полярності. За будовою та типом управління ці пристрої поділяються на 3 види:

1. Транзистори з керуючим p-nпереходом (рис. 6).
2. З ізольованим затвором (бувають із вбудованим чи з індукованим каналом).
3. МДП, зі структурою: метал-діелектрик-провідник.

Відмінна риса ізольованого затвора – наявність діелектрика між ним та каналом.

Деталі дуже чутливі до статичної електрики.

Схеми польових тріодів показано малюнку 5.

Мал. 5. Польові транзистори
Мал. 6. Фото реального польового тріода

Зверніть увагу на назву електродів: стік, витік та затвор.

Польові транзистори споживають дуже мало енергії. Вони можуть працювати більше рокувід невеликої батареї або акумулятора. Тому вони знайшли широке застосування в сучасних електронних пристроїв, таких як пульти дистанційного керування, мобільні гаджетиі т.п.

Біполярні

Про цей вид транзисторів багато сказано у підрозділі « Базовий принципроботи». Зазначимо лише, що назва «Біполярний» пристрій отримав через здатність пропускати заряди протилежних знаків через один канал. Їх особливістю є низький вихідний опір.

Транзистори посилюють сигнали, працюють як комутаційні пристрої. До ланцюга колектора можна включати достатньо потужне навантаження. Завдяки великому струмуколектора можна знизити опір навантаження.

Більш детально про будову та принцип роботи розглянемо нижче.

Комбіновані

З метою досягнення певних електричних параметріввід застосування одного дискретного елемента розробники транзисторів винаходять комбіновані конструкції. Серед них можна виділити:

• з впровадженими та їх схему резисторами;
• комбінації з двох тріодів (однакових або різних структур) в одному корпусі;
• лямбда-діоди - поєднання двох польових тріодів, що утворюють ділянку з негативним опором;
• конструкції, в яких польовий тріод з ізольованим затвором керує біполярним тріодом (застосовуються для керування електромоторами).

Комбіновані транзистори – це, власне, елементарна мікросхема одному корпусі.

Як працює біполярний транзистор? Інструкція для чайників

Робота біполярних транзисторів ґрунтується на властивостях напівпровідників та їх поєднань. Щоб зрозуміти принцип дії тріодів, розберемося з поведінкою напівпровідників електричних ланцюгах.

Напівпровідники.

Деякі кристали, такі як кремній, германій та ін є діелектриками. Але вони мають одна особливість – якщо додати певні домішки, вони стають провідниками з особливими властивостями.

Одні добавки (донори) призводять до появи вільних електронів, інші (акцептори) – утворюють «дірки».

Якщо, наприклад, кремній легувати фосфором (донор), отримаємо напівпровідник з надлишком електронів (структура n-Si). При додаванні бору (акцептор) легований кремній стане напівпровідником з дірковою провідністю (p-Si), тобто в його структурі переважатимуть позитивно заряджені іони.

Одностороння провідність.

Проведемо уявний експеримент: з'єднаємо два різнотипні напівпровідники з джерелом живлення і підведемо струм до нашої конструкції. Відбудеться щось несподіване. Якщо з'єднати негативний провід із кристалом n-типу, то ланцюг замкнеться. Однак, коли ми змінимо полярність, то електрики в ланцюзі не буде. Чому так відбувається?

В результаті з'єднання кристалів з різними типамипровідності між ними утворюється область з p-n переходом. Частина електронів (носіїв зарядів) з кристала n-типу перетікає в кристал з дірковою провідністю та рекомбінує дірки у зоні контакту.

У результаті виникають некомпенсовані заряди: у сфері n-типу – з негативних іонів, а області p-типу з позитивних. Різниця потенціалів досягає величини від 03 до 06 В.

Зв'язок між напругою та концентрацією домішок можна виразити формулою:

φ= V T* ln ( N n* N p)/n 2 i , де

V T – величина термодинамічної напруги, N nі N p – концентрація відповідно електронів та дірок, а n i означає власну концентрацію.

При під'єднанні плюсу до p-провідника, а мінусу до напівпровідника n-типу, електричні заряди подолають бар'єр, тому що їх рух буде спрямований проти електричного полявсередині p-n переходу. У даному випадкуперехід відкрито. Але якщо полюси поміняти місцями, перехід буде закритий. Звідси висновок: p-n перехід утворює односторонню провідність. Ця властивість використовується у конструкції діодів.

Від діода до транзистора.

Ускладнимо експеримент. Додамо ще один прошарок між двома напівпровідниками з однойменними структурами. Наприклад, між кремнієвими пластинами p-типу вставимо прошарок провідності (n-Si). Не важко здогадатися, що станеться у зонах зіткнення. За аналогією з вищеописаним процесом утворюються області з p-n переходами, які заблокують рух електричних зарядівміж емітером та колектором, причому незалежно від полярності струму.

Найцікавіше станеться тоді, коли ми докладемо незначної напруги до прошарку (базі). У нашому випадку подамо струм з негативним знаком. Як і у випадку з діодом, утворюється ланцюг емітер-база, по якій потече струм. Одночасно прошарок почне насичуватись дірками, що призведе до діркової провідності між емітером та колектором.

Подивіться на малюнок 7. На ньому видно, що позитивні іони заповнили весь простір наш умовної конструкціїі тепер ніщо не заважає провідності струму. Ми одержали наочну модель біполярного транзистора структури p-n-p.

Мал. 7. Принцип роботи тріода

При знеструмленні бази транзистор дуже швидко приходить у початковий станта колекторний перехід закривається.

Пристрій може працювати й у підсилювальному режимі.

Струм колектора пов'язаний прямою пропорційністю зі струмом бази : Iдо= ß* IБ , де ß – коефіцієнт посилення струму, IБ – Струм бази.

Якщо змінити величину керуючого струму, то зміниться інтенсивність утворення дірок на базі, що спричинить пропорційну зміну амплітуди вихідної напруги, зі збереженням частоти сигналу. Цей принцип використовують посилення сигналів.

Подаючи на базу слабкі імпульси, на виході ми отримуємо таку ж частоту посилення, але зі значно більшою амплітудою (задається величиною напруги, прикладеної до ланцюжка колектор емітер).

Аналогічно працюють npn транзистори. Змінюється лише полярність напруги. Пристрої зі структурою n-p-nмають пряму провідність. Зворотну провідність мають транзистори p-n-pтипу.

Залишається додати, що напівпровідниковий кристал подібним чиномреагує на ультрафіолетовий спектр світла. Включаючи та відключаючи потік фотонів, або регулюючи його інтенсивність, можна керувати роботою тріода або змінювати опір напівпровідникового резистора.

Схеми включення біполярного транзистора

Схемотехніки використовують такі схеми підключення: загальною базою, загальними електродами емітера та включення із загальним колектором (Рис. 8).

Мал. 8. Схеми підключення біполярних транзисторів

Для підсилювачів із загальною базою характерно:

• низька вхідний опір, Що не перевищує 100 Ом;
• хороші температурні властивості та частотні показники тріода;
• висока допустима напруга;
• потрібно два різних джерелдля харчування.

Схеми із загальним емітером мають:

• високими коефіцієнтами посилення по струму та напрузі;
• низькі показники посилення потужності;
• інверсією вихідної напруги щодо вхідної.

При такому підключенні достатньо одного джерела живлення.

Схема підключення за принципом загальний колектор» забезпечує:

• великий вхідний та незначний вихідний опір;
• низький коефіцієнт напруги посилення (< 1).

Як працює польовий транзистор? Пояснення для чайників

Будова польового транзистора відрізняється від біполярного тим, що струм у ньому не перетинає зони p-n переходу. Заряди рухаються регульованою ділянкою, що називається затвором. Пропускна здатністьзатвора регулюється напругою.

Простір p-n зонизменшується або збільшується під дією електричного поля (див. мал. 9). Відповідно змінюється кількість вільних носіїв зарядів – від повної руйнації до граничного насичення. В результаті такого впливу на затвор регулюється струм на електродах стоку (контактах, що виводять оброблений струм). Вхідний струм надходить через контакти початку.

Малюнок 9. Польовий транзистор з p-n переходом

За аналогічним принципом працюють польові тріоди з вбудованим та індукованим каналом. Їхні схеми ви бачили на малюнку 5.

Схеми включення польового транзистора

На практиці застосовують схеми підключень за аналогією з біполярним тріодом:

• із загальним витоком – видає велике посилення струму та потужності;
• схеми із загальним затвором, що забезпечують низький вхідний опір, і незначне посилення (має обмежене застосування);
• із загальним стоком, що працюють так само, як і схеми із загальним емітером.

На малюнку 10 показано різні схемивключення.

Мал. 10. Зображення схем підключення польових тріодів

Практично кожна схема здатна працювати при дуже низьких вхідних напругах.

Відео, що пояснюють принцип роботи транзистора простою мовою