Початкова назва радіодеталі – тріод, за кількістю контактів. Цей радіоелемент здатний керувати струмом електричного ланцюга, під впливом зовнішнього сигналу. Унікальні властивості застосовуються у підсилювачах, генераторах та інших аналогічних схемних рішеннях.

Позначення транзисторів на схемі

Довгий час у радіоелектроніці панували лампові тріоди. Усередині герметичної колби, у спеціальному газовому або вакуумному середовищі розміщувалися три основні компоненти тріода:

• Катод
• Сітка

Коли сітку подавався управляючий сигнал невеликої потужності, між катодом і анодом можна було пропускати незрівнянно великі значення. Величина робочого струму тріода набагато вище, ніж управляючого. Саме ця властивість дозволяє радіоелементу виконувати роль підсилювача.

Тріоди на основі радіоламп працюю досить ефективно, особливо за високої потужності. Однак габарити не дозволяють застосовувати їх у сучасних компактних пристроях.

Уявіть собі мобільний телефонабо кишеньковий плеєр, виконаний на таких елементах.

Друга проблема полягає в організації харчування. Для нормального функціонування катод повинен бути сильно розігрітий, щоб почалася емісія електронів. Нагрів спіралі потребує багато електроенергії. Тому вчені всього світу завжди прагнули створити компактніший прилад з такими ж властивостями.

Перші зразки з'явилися в 1928 році, а в середині минулого століття було представлено працюючий напівпровідниковий тріод, виконаний за біполярною технологією. За ним закріпилася назва "транзистор".

Що таке транзистор?

Транзистор – напівпровідниковий електроприлад у корпусі або без нього, що має три контакти для роботи та управління. Головна властивість така сама, як у тріода – зміна параметрів струму між робочими електродами за допомогою керуючого сигналу.

Завдяки відсутності необхідності розігріву транзистори витрачають мізерну кількість енергії на забезпечення власної працездатності. А компактні розміриробочого напівпровідникового кристала дозволяють використовувати радіодеталь в малогабаритних конструкціях.

Завдяки незалежності від робочого середовищакристали напівпровідника можна використовувати як в окремому корпусі, так і в мікросхемах. У комплекті з іншими радіоелементами транзистори вирощують прямо на монокристалі.

Видатні механічні властивості напівпровідника знайшли застосування в рухомих та переносних пристроях. Транзистори нечутливі до вібрації, різких ударів. Мають непогану температурну стійкість (при сильному навантаженнізастосовують радіатори охолодження).

Якщо розглядати механічні аналоги, робота транзисторів нагадує принцип дії гідравлічного підсилювача керма в автомобілі. Але, подібність справедлива лише за першому наближенні, оскільки у транзисторах немає клапанів. У цій статті ми окремо розглянемо роботу біполярного транзистора.

Влаштування біполярного транзистора

Основою устрою біполярного транзистора є напівпровідниковий матеріал. Перші напівпровідникові кристали для транзисторів виготовляли з германію, сьогодні частіше використовують кремній і арсенід галію. Спочатку виробляють чистий напівпровідниковий матеріал з добре впорядкованою кристалічною решіткою. Потім надають необхідну формукристалу і вводять до його складу спеціальну домішку (легують матеріал), яка надає йому певних властивостей електричної провідності. Якщо провідність визначається рухом надлишкових електронів, вона визначається як донорна (електронна) n-типу. Якщо провідність напівпровідника обумовлена ​​послідовним заміщенням електронами вакантних місць, так званих дірок, то така провідність називається акцепторною (дірочною) і позначається провідністю p-типу.

Малюнок 1.

Кристал транзистора складається з трьох частин (шарів) з послідовним чергуванням типу провідності (n-p-n або p-n-p). Переходи одного шару до іншого утворюють потенційні бар'єри. Перехід від бази до емітера називається емітерним(ЕП), до колектора - колекторним(КП). На малюнку 1 структуру транзистора показано симетричною, ідеалізованою. Насправді при виробництві розміри областей значно асиметричні, приблизно як показано малюнку 2. Площа колекторного переходу значно перевищує емітерний. Шар бази дуже тонкий, близько кількох мікрон.

Малюнок 2.

Принцип дії біполярного транзистора

Будь-який p-n перехід транзистора працює аналогічно. При додатку до його полюсів різниці потенціалів відбувається його зміщення. Якщо прикладена різниця потенціалів умовно позитивна, у своїй p-n перехід відкривається, кажуть, що перехід зміщений у напрямі. При додатку умовно негативної різниці потенціалів відбувається зворотне усунення переходу, у якому він замикається. Особливістю роботи транзистора є те, що при позитивному зміщенні хоча б одного переходу, загальна область, що називається базою, насичується електронами, або електронними вакансіями (залежно від типу провідності матеріалу бази), що зумовлює значне зниження потенційного бар'єра другого переходу і, як наслідок, його провідність при зворотному зміщенні.

Режими роботи

Усі схеми включення транзистора можна поділити на два види: нормальнуі інверсну.

Малюнок 3.

Нормальна схема включення транзисторапередбачає зміну електричної провідності колекторного переходу шляхом керування усуненням емітерного переходу.

Інверсна схема, На противагу нормальної, дозволяє керувати провідністю емітерного переходу за допомогою управління зсувом колекторного. Інверсна схема є симетричним аналогом нормальної, але через конструктивну асиметрію біполярного транзистора малоефективна для застосування, має більш жорсткі обмеження максимально допустимим параметрамта практично не використовується.

За будь-якої схеми включення транзистор може працювати в трьох режимах: Режим відсічки, активний режим і режим насичення.

Для опису роботи напрямок електричного струмуу цій статті умовно за напрям електронів, тобто. від негативного полюса джерела живлення до позитивного. Скористаємося при цьому схемою малюнку 4.

Малюнок 4.

Режим відсічки

Для p-n переходуіснує значення мінімальної напругипрямого усунення, у якому електрони здатні подолати потенційний бар'єр цього переходу. Тобто при напрузі прямого зміщення до цієї порогової величини через перехід не може протікати струм. Для кремнієвих транзисторіввеличина такого порога дорівнює приблизно 0,6 В. Таким чином, при нормальній схемі включення, коли пряме зміщення емітерного переходу не перевищує 0,6 (для кремнієвих транзисторів), струм через базу не протікає, вона не насичується електронами, і як наслідок відсутня емісія електронів бази у область колектора, тобто. ток колектора відсутня (рівний нулю).

Таким чином, для режиму відсічення необхідною умовоює тотожності:

U БЕ<0,6 В

I Б = 0

Активний режим

В активному режимі емітерний перехід зміщується у прямому напрямку до моменту відмикання (початку протікання струму) напругою більше 0,6 (для кремнієвих транзисторів), а колекторний – у зворотному. Якщо база має провідність p-типу, відбувається перенесення (інжекція) електронів з емітера в базу, які моментально розподіляються в тонкому шарі бази і майже всі досягають межі колектора. Насичення бази електронами призводить до значного зменшення розмірів колекторного переходу, через який електрони під впливом негативного потенціалу з боку емітера і бази витісняються в область колектора, стікаючи через висновок колектора, тим самим обумовлюючи струм колектора. Дуже тонкий шар бази обмежує її максимальний струм, що проходить через мале переріз поперечного розрізу у бік виведення бази. Але ця мінімальна товщина бази обумовлює її швидке насичення електронами. Площа переходів має значні розміри, що створює умови для протікання значного струму емітер-колектор, що в десятки та сотні разів перевищує струм бази. Таким чином, пропускаючи через базу незначні струми, ми можемо створювати умови проходження через колектор струмів набагато більшої величини. Чим більше струм бази, тим більше її насичення, тим більше струм колектора. Такий режим дозволяє плавно керувати (регулювати) провідністю колекторного переходу відповідною зміною (регулюванням) струму бази. Ця властивість активного режиму транзистора використовується у схемах різних підсилювачів.

В активному режимі струм емітера транзистора складається зі струму бази та колектора:

I Е = I К + I Б

Струм колектора можна виразити співвідношенням:

I К = α I Е

де - коефіцієнт передачі струму емітера

З наведених рівностей можна одержати таке:

де - коефіцієнт посилення струму бази.

Режим насичення

Межа збільшення струму бази досі, коли струм колектора залишається незмінним визначає точку максимального насичення бази електронами. Подальше збільшення струму бази не змінюватиме ступінь її насичення, і ні як не впливатиме на струм колектора, може призвести до перегріву матеріалу в області контакту бази та виходу транзистора з ладу. У довідкових даних на транзистори можуть бути зазначені величини струму насичення та максимально допустимого струму бази, або напруги насичення емітер-база та максимально допустимої напруги емітер-база. Ці межі визначають режим насичення транзистора за умов його роботи.

Режим відсікання та режим насичення ефективні при роботі транзисторів як електронні ключі для комутації сигнальних та силових ланцюгів.

Відмінність у принципі роботи транзисторів із різними структурами

Вище було розглянуто випадок роботи транзистора n-p-n структури. Транзистори p-n-p структури працюють аналогічно, але є важливі відмінності, які слід знати. Напівпровідниковий матеріал з акцепторною провідністю p-типу має порівняно низьку пропускну здатність електронів, оскільки заснований на принципі переходу електрона від одного вакантного місця (дірки) до іншого. Коли всі вакансії заміщені електронами, їх рух можливий лише в міру появи вакансій з боку напрямку руху. При значній протяжності ділянки такого матеріалу він матиме значний електричний опір, що призводить до великих проблем при його використанні як найбільш масивних колекторів і емітерів біполярних транзисторів p-n-p типу, ніж при використанні в дуже тонкому шарі бази транзисторів n-p-n типу. Напівпровідниковий матеріал з донорною провідністю n-типу має електричні властивості провідних металів, що робить його більш вигідним для використання як емітера і колектора, як у транзисторах n-p-n типу.

Ця відмінність різних структур біполярних транзисторів призводить до великих труднощів при виробництві пар компонент з різними структурами і аналогічними один одному електричними характеристиками. Якщо звернути увагу на довідкові дані характеристик пар транзисторів, можна помітити, що при досягненні однакових характеристик двох транзисторів різних типів, наприклад КТ315А та КТ361А, незважаючи на їхню однакову потужність колектора (150 мВт) і приблизно однаковий коефіцієнт посилення струму (20-90) , У них відрізняються максимально допустимі струми колектора, напруги емітер-база та ін.

P.S. Цей опис принципу дії транзистора було інтерпретовано з позиції Російської Теорії, тому тут немає опису дії електричних полів на вигадані позитивні та негативні заряди. Російська Фізика дає можливість користуватися більш простими, зрозумілими механічними моделями, більш наближеними до дійсності, ніж абстракції як електричних і магнітних полів, позитивних і електричних зарядів, які віроломно підсовує нам традиційна школа. З цієї причини не рекомендую без попереднього аналізу та осмислення користуватися викладеною теорією при підготовці до здачі контрольних, курсових та інших видів робіт, Ваші викладачі можуть просто не прийняти інакодумство, навіть конкурентоспроможне та цілком спроможне з погляду здорового глузду та логіки. Крім того, з мого боку це перша спроба опису роботи напівпровідникового приладу з позиції Російської Фізики може уточнюватися і доповнюватися надалі.

Перше, що спадає на думку, коли чуєш подібне питання, це розповісти про влаштування транзистора: p-n переходи, їх об'єднання в тришарову конструкцію і т.д. Фізика напівпровідників, якщо підходити до питання серйозно, досить складна і вимагає хоча б початкових знань про квантову фізику. І це стосується лише питання методичності викладу, тоді як і сама квантова фізика, як, втім, і класична теорія електрики, часом не в змозі відповісти на всі питання. У результаті, частіше доводиться просити прийняти щось на віру після великих математичних викладок і численних малюнків, що пояснюють, а це ніяк не сприяє розумінню істоти питання.

Але чи справді запитує цікавить фізика напівпровідників? Когось, можливо, й цікавить, але більшість тих, хто мені здається, більше схильна отримати відповідь на інше питання: як осмислено використовувати транзистор у схемах?

Транзистор - одне із найбільш уживаних активних елементів електронних схем. Останнім часом схеми часто будуються з використанням мікросхем, а підхід до їх створення вимагає лише знання властивостей та функціональних можливостей мікросхеми, але слід забувати, що і властивості та функціональні можливості мікросхеми обумовлені властивостями прихованих у ній компонент, де транзистори продовжують відігравати значну роль. Тож питання про роботу транзистора не втратило актуальності. Але з урахуванням «мікросхемного» підходу до створення пристроїв розгляд властивостей та функціональних можливостей транзисторів мені здається актуальнішим, ніж фізичних принципів, що лежать в основі їх роботи, особливо для любителів.

Найчастіше транзистор використовується посилення сигналу. І хоча сигнали бувають різні, найпростіші експерименти можна здійснити з посиленням синусоїдального сигналу. А Proteus надає все потрібне для цього.

В одному з дуже аргументованих повідомлень, які я зустрів на форумі, де обговорювалася робота з Proteus, говорилося, що це середовище розробки призначене для роботи з цифровою технікою і мікроконтролерами, тому аналогові схеми в ній досліджувати немає резону. Мене зацікавило, чи можна розповісти про використання транзисторів за допомогою програми Proteus? Спробую це зробити.

Отже. Посилення сигналу можна розглядати як посилення сигналу струму, посилення за напругою і посилення за потужністю. Посилення сигналу струму у транзистора обумовлено його властивістю - струм колектора і струм бази пов'язані співвідношенням Iк = К * Iб. У цьому, якщо струм бази змінюється з якогось закону, то струм колектора змінюється за тим самим законом, тобто, співвідношення вище можна розглядати кожного моменту часу. Ось, власне, що я вважав би за необхідне відповісти на питання, як працює транзистор.

При роботі з симетричними сигналами транзистор, як правило, включають так, щоб напруга на колекторі дорівнювала половині напруги живлення. У найпростішому випадку це досягається підбором резистора в ланцюзі основи.

Мал. 3.1. Завдання робочого режиму транзистора

Якщо в такій схемі змінювати величину опору R1, що в Proteus досягається клацанням правої клавіші мишки по цьому компоненту з наступним вибором з меню пункту Edit Properties , що відкриває, у свою чергу, діалогове вікно властивостей резистора, де і задається величина опору, так ось, якщо змінювати R1 можна отримати різне напруга на колекторі транзистора.

Однак набагато корисніше підключити до схеми попереднього малюнка генератор синусоїдальної напруги, використовуючи клавішу Generator Mode (іконка на лівій панелі інструментальної у вигляді кружка з синусоїдою). Якщо тепер за допомогою клавіші Graph Mode намалювати графік, можна вибрати ANALOGUE з представлених можливостей, додати пробник напруги, позначивши його мітку як output, то після налаштування графіка, у його властивостях я задаю час 10 мС (10m), так як я поставив для генератора синусоїди 10 мВ (10m RMS) і частоту 1 кГц (1k), додати криву для графіка, використовуючи пункт випадаючого менюAdd Traces... , то тепер можна спостерігати вихідний сигнал після запуску симуляції в пункті меню Simulate Graph при різних значеннях опору, щоб оцінити, як впливає вибір робочої точки на результат, що виходить.

Мал. 3.2. Спостереження синусоїдального сигналу на колекторі транзистора

Навіщо на вході транзистора конденсатор? Щоб опір генератора, а генератор має деякий внутрішній опір, не змінювало заданий режим. Конденсатор не пропускає постійний струм, отже, не змінить наших налаштувань. Можна включати різні джерела сигналу, можна змінювати опір в ланцюгу колектора, можна спостерігати багато в програмі Proteus, і можна перевірити, чи дійсно між струмом бази і струмом колектора є співвідношення, про яке було сказано на самому початку, і можна перевірити, чи дійсно струм (Струм, а не напруга, як у мене) колектора повторює закон зміни струму бази. До речі, можна перевірити і фазові співвідношення між напругами на базі транзистора та напругою на його колекторі. Це зручно зробити додавши другий графік сигналу input на рис.3.2.

Я а хочу зробити інші випробування. Якщо вірити оповіданням про Proteus, які я знайшов

в Інтернет, робота підсилювача не залежить від того, який транзистор ви використовуєте. Вибираючи різні транзистори з бібліотеки компонентів, я хочу подивитися на амплітудночастотні характеристики підсилювачів, що виходять. Для цієї мети я використовую ту ж схему, додам у свій набір деяку кількість транзистори, потім, змінюючи транзистори, подивлюся, чи дійсно їх АЧХ однакові?

Мал. 3.3. Випробування різних транзисторів у Proteus

Для транзистора AC127, як видно з графіка, частота зрізу приблизно 5 МГц. Чи це схоже на правду? Не хочу займатися розрахунками, але якщо сучасні транзистори малої потужності мають граничну частоту при включенні із загальною базою близько 300 МГц, а посилення близько 100, то гранична частота має вийти близько 3 МГц.

Коли розповідають про будову біполярного транзистора, то обов'язково згадують, що він має дві прикордонні області на стику напівпровідників різних типів провідності, що дуже нагадують за властивостями заряджені конденсатори. Цій властивості транзистор зобов'язаний своєю поведінкою посилення сигналів різних частот. Його поведінка можна моделювати, використовуючи RC ланцюг. Амплітудно-частотна характеристика інтегруючого RC ланцюга і однокаскадного підсилювача на транзисторі будуть мати однакові властивості. Можна порівняти графіки рис. 1.14 та попереднього, щоб побачити наявність верхньої граничної частоти в обох випадках та спаду амплітудно-частотної характеристики зі швидкістю 20 дБ на декаду. Розмір еквівалентного конденсатора залежить від конкретної моделі транзистора. Якщо замінити одну модель транзистора іншою, можна очікувати, що амплітудно-частотна характеристика каскаду зміниться, якщо, звісно, ​​вони різниться такий параметр, як гранична частота посилення.

Тому я хочу замінити транзистор TIP31.

Мал. 3.4. Амплітудно-частотна характеристика після заміни транзистора

Не знаю, як у вас, а в мене верхня гранична частота "полетіла" за 10 МГц. Не впевнений тепер, що Proteus не годиться для аналогового симулювання схем. Щоб розвіяти свої сумніви, я поверну транзистор AC127, а в ланцюг емітера включу резистор. Цей резистор, зручніше розглянути його роботу у схемі рис.3.1, призведе до того, що напруга базаемітера транзистора зміниться. На ньому падатиме напруга, яку потрібно відняти від напруги між базою і загальним проводом, щоб отримати напругу база-емітер. Вхідною напругою для транзистора є саме напруга база-емітер. Таким чином, резистор ланцюга емітера зменшує вхідний сигнал для транзистора. Він, резистор, є резистором зворотного зв'язку - ми частина вихідного сигналу (а на резисторі в ланцюзі емітера значною мірою позначається саме вихідний сигнал) склали з урахуванням фази з вхідним сигналом, доповнення «з урахуванням фази» в даному випадку вказує на те, що зворотний зв'язок буде негативним. А, наскільки я знаю, негативний зворотний зв'язок має розширити діапазон робочих частот каскаду посилення, тобто верхня гранична частота повинна збільшитися. Перевіримо, чи це так?

Мал. 3.5. Амплітудно-частотна характеристика з негативним зворотним зв'язком

Ніщо я не розвіяв сумніви, верхня частота зрізу каскаду знову виявляється за 10 МГц, як і наказує їй теорія і практика. Мабуть, професіоналів не влаштовує точність моделювання порівняно з розрахунками або практичним виконанням схем, але в аматорській практиці, якщо перевіряти результати моделювання на макетній платі, програма виявиться гідним помічником.

Проведемо ще один експеримент, який частково відповідає на питання про застосування Proteus до аналогових схем, частково на питання про те, як працює транзистор?

На самому початку я говорив, що струм бази та струм колектора пов'язані співвідношенням, але ніяк не назвав це співвідношення. Коефіцієнт «К» - це статичний коефіцієнт посилення струму. Можна зустріти його як Вст і як h21 . Це зв'язок між постійним струмом бази та колектора. Але під час роботи транзистора у схемі нас більше може зацікавити динамічний зв'язок цих струмів. Подивимося, чи може Proteus допомогти нам у цьому.

Але попередньо, оскільки ми цього не зробили, знайдемо цей статичний коефіцієнт посилення по струму, як відношення постійного струму колектора до струму бази в обраному режимі. У схемі рис.3.1 я додам два вимірювачі струму, амперметра, один ланцюг бази, інший ланцюг колектора. У властивостях цих амперметрів (праве клацання, у випадаючому меню властивості, потім віконце Display Range) я заміню той, що в ланцюгу бази на мікроамперметр, а в ланцюгу колектора на міліамперметр.

Мал. 3.6. Вимірювання статичного коефіцієнта посилення струму

Тепер можна розділити 5.67 мА на 22.6 мкА, що дасть значення коефіцієнта приблизно 250.

Мені хотілося б зробити щось подібне з вхідним та вихідним струмом схеми на рис. 3.4. Струмковий пробник до вхідного ланцюга додається і графіка працює, а ось графіка, якщо додати струмовий пробник в колекторний ланцюг, працювати не хоче. Але це не надто засмучує мене, оскільки струмовий пробник у загальному ланцюзі цілком мене влаштує, струм у загальному ланцюзі - сума струмів бази і колектора, але струм бази набагато менше струму колектора, так що для орієнтовних розрахунків можна взяти їхню суму.

Можна, звичайно, спробувати розібратися, чому не хоче симулювати графік, якщо струмовий пробник встановлювати в ланцюг колектора. До цієї проблеми можна повернутися пізніше, або не розглядати це як проблема до того моменту, коли у такому вимірі виникне жорстока необхідність. Поки що можна обійтися тим, що є.

У загальному робочому полі графіки трохи замалі, і якщо це, як мені в даному випадку, заважає визначити величини, можна вибрати з меню після клацання правої клавіші мишки за графіком пункт Maximize (Show Window), що призведе до появи вікна перегляду з великим графіком .

Мал. 3.7. Струми у вхідному та вихідному ланцюгах підсилювача

Найвищий графік показує напругу сигналу на колекторі транзистора. У вікні перегляду легко з'ясовується, що подвійна амплітуда сигналу близько 8.5 - 3.5 = 5 В. Відповідно амплітуда повинна бути 2.5 В. Прав я чи ні, але при опорі навантаження рівному 1 ком струм через цей опір повинен бути 2.5 мА.

Наступний графік показує струмовий сигнал бази транзистора, подвійна амплітуда якого 24 мкА, а амплітуда 12 мкА.

Останній графік - це загальний струмовий сигнал, як алгебраїчна сума базового і колекторного струмів, який я, анітрохи не вагаючись, приймаю за вихідний струм з амплітудою 2.5 мА. У цьому випадку посилення струму, як просте ставлення вихідного струму до вхідного, буде близько 208. Це близько до статичного коефіцієнта посилення струму. Крім того, знаючи, що вхідний сигнал дорівнює 10 мВ (RSM) ефективного значення або 14 мВ амплітудного, а вихідний сигнал 2.5, можна отримати посилення за напругою близько 178. Це значення, виражене в децибелах, дає величину 45 дБ. Це значення присутня на амплітудно-частотній характеристиці цієї схеми. Розрахункове значення посилення за напругою виходить близько 200. Поки що схоже.

В одному з довідників наводиться розрахункове значення посилення за напругою як відношення величини опору в колекторному та емітерному ланцюгу для рис. 3.5. У разі це буде 1000/300 = 3.3 чи децибелах 20log(3.3) = 10.4. Це значення присутнє на амплітудно-частотній характеристиці.

Що ж, був би радий сказати, що переконався, з аналоговими схемами працювати не можна, але не переконався поки що. На жаль!

Транзисторомназивається напівпровідниковий прилад, призначений для посилення та генерування електричних коливань. Так що ж таке транзистор? - Він являє собою кристал, поміщений у корпус, з висновками. Кристал виготовляють із напівпровідникового матеріалу. За своїми електричними властивостями напівпровідники займають деяке проміжне положення між провідниками та непровідниками струму (ізоляторами).

Невеликий кристал напівпровідникового матеріалу (напівпровідника) після відповідної технологічної обробки стає здатним змінювати свою електропровідність у дуже широких межах при підведенні до нього слабких електричних коливань та постійної напруги усунення.

Кристал поміщають у металевий або пластмасовий корпус і забезпечують трьома висновками, жорсткими або м'якими, приєднаними до відповідних зон кристала. Металевий корпус іноді має власний висновок, але хащі з корпусом з'єднують один із трьох електродів транзистора.

В даний час знаходять застосування транзистори двох видів. біполярні та польові. Біполярні транзистори з'явилися першими і набули найбільшого поширення. Тому зазвичай їх називають просто транзисторами. Польові транзистори з'явилися пізніше і поки що використовуються рідше за біполярні.

Биполярні транзистори

Біполярні транзисториназивають тому, що електричний струм у них утворюють електричні заряди позитивної та негативної полярності. Носії позитивних зарядів прийнято називати дірками, негативні заряди переносяться електронами. У біполярному транзисторі використовують кристал із германію або кремнію — основних напівпровідникових матеріалів, що застосовуються для виготовлення транзисторів та діодів.

Тому і транзистори називають одні кремнієвими, інші - германієвими. Для обох різновидів біполярних транзисторів характерні особливості, які зазвичай враховують при проектуванні пристроїв.

Для виготовлення кристала використовують надчистий матеріал, який додають спеціальні строго дозовані; домішки. Вони визначають появу в кристалі провідності, обумовленої дірками (р-провідність) або електронами (n-провідність). Таким чином формують один із електродів транзистора, званий базою.

Якщо тепер у поверхню кристала бази ввести тим чи іншим технологічним способом спеціальні домішки, що змінюють тип провідності бази на зворотну так, щоб утворилися зони n-р-n або р-n-р, що близько лежать, і до кожної зони підключити висновки, утворюється транзистор.

Одну з крайніх зон називають емітером, тобто джерелом носіїв заряду, а другу колектором, збирачем цих носіїв. Зона між емітером та колектором називається базою. Висновкам транзистора зазвичай надають назви, аналогічні його електродам.

Підсилювальні властивості транзистора виявляються в тому, що якщо тепер до емітера і бази прикласти малу електричну напругу - вхідний сигнал, то в ланцюзі колектор - емітер потече струм, що формою повторює вхідний струм вхідного сигналу між базою і емітером, але в багато разів більший за значенням .

Для нормальної роботи транзистора насамперед необхідно подати з його електроди напруга живлення. При цьому напруга на базі щодо емітера (ця напруга часто називають напругою зміщення) повинна бути декільком десятим часткам вольта, а на колекторі щодо емітера — кілька вольт.

Включення в ланцюг n-р-n і р-n-р транзисторів відрізняється лише полярністю напруги на колекторі та зміщення. Кремнієві та германієві транзистори однієї і тієї ж структури відрізняються між собою лише значенням напруги усунення. У кремнієвих воно приблизно на 0,45 більше, ніж у герма ниевых.

Мал. 1

На рис. 1 показані умовні графічні позначення транзисторів тієї та іншої структури, виконаних на основі германію та кремнію, і типове напруження зміщення. Електроди транзисторів позначені першими літерами слів: емітер - Е, база - Б, колектор - До.

Напруга зміщення (або, як прийнято говорити, режим) показано щодо емітера, але на практиці напруга на електродах транзистора вказують щодо загального дроту пристрою. Загальним проводом у пристрої та на схемі називають провід, гальванічно з'єднаний з входом, виходом і часто з джерелом живлення, тобто загальний для входу, виходу та джерела живлення.

Підсилювальні та інші властивості транзисторів характеризуються рядом електричних параметрів, найважливіші з яких розглянуті нижче.

Статичний коефіцієнт передачі струму бази h 21Е показує, у скільки разів струм колектора біполярного транзистора більший за струм його бази, що викликав цей струм. У більшості типів транзисторів чисельне значення цього коефіцієнта від екземпляра до екземпляра може змінюватися від 20 до 200. Є транзистори з меншим значенням — 10...15, і з більшим — до 50...800 (такі називають транзисторами з надпідсиленням).

Нерідко вважають, що хороші результати можна отримати лише з транзисторами, що мають велике значення h21е. Однак практика показує, що при вмілому конструюванні апаратури можна обійтися транзисторами, що мають h 2 l Е, що дорівнює всього 12...20. Прикладом цього може бути більшість конструкцій, описаних у цій книзі.

Частотними властивостями транзисторавраховується той факт, що транзистор здатний посилювати електричні сигнали з частотою, що не перевищує певної для кожного транзистора межі. Частоту, де транзистор втрачає свої підсилювальні властивості, називають граничною частотою посилення транзистора.

Для того, щоб транзистор міг забезпечити значне посилення сигналу, необхідно, щоб максимальна робоча частота сигналу була принаймні в 10...20 разів менша за граничну частоту f т транзистора. Наприклад, ефективного посилення сигналів низької частоти (до 20 кГц) застосовують низькочастотні транзистори, гранична частота яких щонайменше 0,2...0,4 МГц.

Для посилення сигналів радіостанцій довгохвильового та середньохвильового діапазонів хвиль (частота сигналу не вище 1,6 МГц) придатні лише високочастотні транзистори з граничною частотою не нижче 16...30 МГц.

Максимальна допустима розсіювана потужність- Це найбільша потужність, яку може розсіювати транзистор протягом тривалого часу без небезпеки виходу з ладу. У довідниках транзисторами зазвичай вказують максимальну допустиму потужність колектора Яктах, оскільки саме в ланцюгу колектор — емітер виділяється найбільша потужність і діють найбільші струм і напруга.

Базовий і колекторний струми, протікаючи кристалом транзистора, розігрівають його. Германієвий кристал може нормально працювати при температурі трохи більше 80, а кремнієвий — трохи більше 120°С. Тепло, яке виділяється в кристалі, відводиться в навколишнє середовище через корпус транзистора, а також через додатковий тепловідведення (радіатор), яким додатково постачають транзистори великої потужності.

Залежно від призначення випускають транзистори малої, середньої та великої потужності. Малопотужні використовують головним чином для посилення та перетворення слабких сигналів низької та високої частот, потужні – в кінцевих ступенях посилення та генерації електричних коливань низької та високої частот.

Підсилювальні можливості щаблі на біполярному транзисторі залежать не тільки від того, який він потужності, а скільки від того, який конкретно обраний транзистор, в якому режимі роботи по змінному та постійному струму він працює (зокрема, які струм колектора та напруга між колектором та емітером) ), яке співвідношення робочої частоти сигналу та граничної частоти транзистора.

Що таке польовий транзистор

Польовий транзисторявляє собою напівпровідниковий прилад, в якому керування струмом між двома електродами, утвореним спрямованим рухом носіїв заряду дірок або електронів здійснюється електричним полем, створюваним напругою на третьому електроді.

Електроди, між якими протікає керований струм, иоСят назва витоку і стоку, причому витоком вважають той електрод, з якого виходять (витікають) носії заряду.

Третій, керуючий, електрод називають затвором. Струмопровідна ділянка напівпровідникового матеріалу між витоком і стоком прийнято називати каналом, звідси ще одна назва цих транзисторів - канальні. Під дією напруги на затворі щодо витоку змінюється опір каналу а отже, і струм через нього.

Залежно від типу носіїв заряду розрізняють транзистори з n-каналомабо р-каналом. У n-канальних струм каналу обумовлений спрямованим рухом електронів, а р-канальних - дірок. У зв'язку з цією особливістю польових транзисторів їх іноді називають уніполярними. Ця назва підкреслює, що струм у них утворюють носії лише одного знака, що й відрізняє польові транзистори від біполярних.

Для виготовлення польових транзисторів використовують переважно кремній, що пов'язано з особливостями технології їх виробництва.

Основні параметри польових транзисторів

Крутизна вхідної характеристики S або провідність прямої передачі струму Y 21 вказує, наскільки міліампер змінюється струм каналу при зміні вхідної напруги між затвором та витоком на 1 В. Тому значення крутизни вхідної характеристики визначається мА/В, так само як і крутість характеристики радіоламп.

Сучасні польові транзистори мають крутість від десятих часток до десятків і навіть сотень міліампер на вольт. Очевидно, що чим більша крутість, тим більше посилення може дати польовий транзистор. Але більшим значенням крутості відповідає великий струм каналу.

Тому на практиці зазвичай вибирають такий струм каналу, при якому, з одного боку, досягається необхідне посилення, а з іншого — забезпечується необхідна економічність у витраті струму.

Частотні властивості польового транзистора, як і і біполярного, характеризуються значенням граничної частоти. Польові транзистори теж ділять на низькочастотні, середньочастотні та високочастотні, і також для отримання великого посилення максимальна частота сигналу повинна бути принаймні в 10...20 разів менша за граничну частоту транзистора.

Максимальна допустима постійна потужність польового транзистора, що розсіюється, визначається точно так само, як і для біполярного. Промисловість випускає польові транзистори малої, середньої та великої потужності.

Для нормальної роботи польового транзистора з його електродах має діяти постійна напруга початкового усунення. Полярність напруги усунення визначається типом каналу (n чи р), а значення цієї напруги - конкретним типом транзистора.

Тут слід зазначити, що серед польових транзисторів значно більша різноманітність конструкцій кристала, ніж серед біполярних. Найбільшого поширення в аматорських конструкціях та виробах промислового виробництва набули польові транзистори з так званим вбудованим каналом і р-n переходом.

Вони невибагливі в експлуатації, працюють у широких частотних межах, мають високий вхідний опір, що досягає на низькій частоті кількох мегаом, а на середній і високій частотах — кількох десятків або сотень кілоом залежно від серії.

Для порівняння вкажемо, що біполярні транзистори мають значно менший вхідний опір, зазвичай близький до 1...2 кОм, і лише щаблі на складовому транзистори можуть мати більший вхідний опір. У цьому полягає велика перевага польових транзисторів перед біполярними.

На рис. 2 показані умовні позначення польових транзисторів з вбудованим каналом і р-n переходом, а також зазначені типові значення напруги зміщення. Висновки позначені відповідно до перших літер назв електродів.

Характерно, що з транзисторів з р-каналом напруга стоку щодо витоку має бути негативним, але в затворі щодо витоку — позитивним, а транзистора з n-каналом — навпаки.

У промисловій апаратурі та рідше в радіоаматорській знаходять також застосування польові транзистори з ізольованим затвором. Такі транзистори мають ще вищий вхідний опір, можуть працювати дуже високих частотах. Але вони мають істотний недолік — низька електрична міцність ізольованого затвора.

Для його пробою та виходу транзистора з ладу цілком достатньо навіть слабкого заряду статичної електрики, який завжди є на тілі людини, на одязі, на інструменті.

Тому висновки польових транзисторів з ізольованим затвором при зберіганні слід зв'язувати разом м'яким голим дротом, при монтажі транзисторів руки та інструменти потрібно «заземлювати», використовують й інші захисні заходи.

Література: Васильєв В.А. Приймачі радіоаматора-початківця (МРБ 1072).

Що означає назва "транзистор"

Транзистор не одразу отримав таку звичну назву. Спочатку, за аналогією з ламповою технікою, його називали напівпровідниковим тріодом. Сучасна назва складається із двох слів. Перше слово - "трансфер", (тут відразу згадується "трансформатор") означає передавач, перетворювач, переносник. А друга половина слова нагадує слово "резистор", - деталь електричних схем, основна властивість якої - електричний опір.

Саме цей опір зустрічається в законі Ома та багатьох інших формулах електротехніки. Тому слово «транзистор» можна розтлумачити як перетворювач опору.Приблизно так, як у гідравліці зміна потоку рідини регулюється засувкою. У транзистора така засувка змінює кількість електричних зарядів, що створюють електричний струм. Ця зміна є нічим іншим, як зміна внутрішнього опору напівпровідникового приладу.

Посилення електричних сигналів

Найбільш поширеною операцією, яку виконують транзистори, є посилення електричних сигналів. Але це не зовсім вірний вираз, адже слабкий сигнал із мікрофона таким і залишається.

Посилення також потрібне в радіоприйманні та телебаченні: слабкий сигнал з антени потужністю в мільярдні частки вата необхідно підсилити настільки, щоб отримати звук або зображення на екрані. А це вже потужності кілька десятків, а в деяких випадках і сотень ват. Тому процес посилення зводиться до того, щоб за допомогою додаткових джерел енергії, отриманої від блока живлення, отримати потужну копію вхідного слабкого сигналу. Тобто малопотужний вхідний вплив управляє сильними потоками енергії.

Посилення в інших галузях техніки та природи

Такі приклади можна знайти у електричних схемах. Наприклад, при натисканні педалі газу зростає швидкість автомобіля. При цьому на педаль газу натискати доводиться не дуже - порівняно з потужністю двигуна потужність натискання на педаль мізерна. Для зменшення швидкості педаль доведеться дещо відпустити, послабити вхідний вплив. У цій ситуації потужним джерелом енергії є бензин.

Така ж дія можна спостерігати і в гідравліці: на відкриття електромагнітного клапана, наприклад у верстаті, енергії, йде зовсім небагато. А тиск олії на поршень механізму здатний створити зусилля в кілька тонн. Це зусилля можна регулювати, якщо в маслопроводі передбачити засувку, як у звичайному кухонному крані. Трохи прикрив – тиск упав, зусилля знизилося. Якщо відкрив більше, то й натиск посилився.

На поворот засувки теж не потрібно докладати особливих зусиль. У разі зовнішнім джерелом енергії є насосна станція верстата. І подібних впливів у природі та техніці можна помітити безліч. Але все-таки нас більше цікавить транзистор, тож далі доведеться розглянути…

Підсилювачі електричних сигналів