Понять, для чего нужен транзистор, лучше всего поможет такая аналогия: если маленькая клетка - кирпичик в живом организме, то транзистор - кирпич в цифровой революции. Без него все технологические чудеса, используемые нами каждый день (мобильные телефоны, компьютеры, автомобили), значительно отличались бы от современных, а то и вовсе не существовали бы.
Исторический обзор
Прежде чем были изобретены полупроводниковые элементы электрических схем, для тех же целей конструкторы использовали вакуумные лампы и механические выключатели. Лампы были далеки от идеала. Им требовался разогрев перед началом работы, они не могли похвастаться надёжностью ненадёжностью и компактностью, потребляли слишком много энергии. Все приборы, начиная от телевизоров до ранних компьютеров, были созданы на их основе.
После Второй мировой войны учёные активно искали альтернативу лампам и нашли ответ в работах Юлия Лилиенфельда конца 1920-х годов. Этот американский физик польского происхождения подал на патентование трёхэлектродное устройство, изготовленное из сульфида меди. К сожалению, нет доказательств, что он на самом деле сделал рабочий прибор. Но его исследования помогли создать то, что сегодня называется полевым транзистором.
Через 20 лет после Лилиенфельда компания Bell остро нуждалась в чём-то более совершенном для своих систем связи, чем лампы. Она собрала звёздную команду научных умов для работ по исследованию заменителей вакуумных элементов, в числе группы были:
- Джон Бардин;
- Уолтер Браттейн;
- Уильям Шокли.
В 1947 году Шокли был директором транзисторного исследования в Bell, Браттейн слыл авторитетом в физике твёрдого тела, а Бардин - инженером-электриком и физиком. В течение года они удачно экспериментировали с германием, и вскоре после этого Шокли усовершенствовал их идеи, разработав транзисторный переход. В следующем году Bell объявила всему миру об изобретении рабочего полупроводникового триода. В 1956 году команда учёных за это открытие получила Нобелевскую премию по физике.
Понимание масштабов изобретения и того, зачем нужны транзисторы, невозможно без осознания такого факта: эти маленькие устройства позволили сделать один из самых больших технологических скачков человечества. И это не преувеличение - они действительно изменили ход истории.
Упрощённая схема работы
Транзисторы - устройства, контролирующие движение электронов, а следовательно, электрический ток. Для понимания того, что делает транзистор, лучше всего подойдёт аналогия с водяным краном и потоком жидкости, но, в отличие от последнего, они не только могут пропустить или перекрыть поток, но также способны контролировать его количество. Применение транзисторов чрезвычайно широко и основано на том, что в качестве электронного компонента он может выполнять две разные функции:
Базовая структура
Корпус, изоляция, полупроводниковый кристалл, металлические выводы - вот из чего состоит транзистор. Различное легирование полупроводника позволяет создать два типа его структуры:
- p-тип;
- n-тип.
Сам кристалл представляет собой бутерброд из этих двух типов, расположенных так, что два одинаковых слоя сэндвича содержат между собой противоположные. В зависимости от их комбинации транзистор называют либо типом p-n-p, либо n-p-n. Названия трёх выводов, соединённых с соответствующими слоями, являются общими для всех видов биполярных и полевых транзисторов соответственно и отражают их назначение (в скобках указаны термины, применяемые в отношении полевых):
- база (затвор);
- коллектор (сток);
- эмиттер (исток).
База (затвор) принимает слабый управляющий сигнал, а сильный коллекторный ток (от истока к стоку) протекает между двумя другими контактами. Последний меняется в зависимости от тока базы. Внешне транзистор выглядит как радиоэлектронный компонент с тремя выводами.
Виды и типы
Время изобретения транзисторов не было случайным. Для правильной работы их кристаллы требуют чистых полупроводниковых материалов. Именно после Второй мировой войны прогресс технологии в получении германия, а также достижения в области легирования позволили получать материалы, пригодные для серийного изготовления полупроводниковых приборов.
Позже вместо германия в коммерческой электронике стали использовать кремний. Полупроводники на его основе более надёжны и доступны, чем германиевые. Кремниевые подходят для компьютерного производства. В чипах транзисторы не изолированы как отдельные компоненты, а являются частью того, что называется интегральной схемой, и располагаются на едином кристалле полупроводника вместе с другими элементами - конденсаторами и резисторами. Современные кремниевые устройства в составе микрочипа настолько малы, что их размеры измеряются в нанометрах.
Эволюция материалов для изготовления этих приборов не стоит на месте. Благодаря последним достижениям основой триодов в XXI веке может стать материал под названием графен. Он переносит электроны гораздо быстрее, чем кремний, и может стать основой компьютерных чипов, которые на порядки производительнее устроенных на базе кремния полупроводников.
То, какими бывают транзисторы, не исчерпывается их делением по материалу кристалла. Существуют две большие группы, отличающиеся способами управления:
- полевые;
- биполярные.
Слово «полевые» означает, что затвор управляется электрическим полем, то есть для изменения тока между стоком и истоком достаточно изменить напряжение. А в биполярных реакции коллекторного тока добиваются путём изменения тока на базе. Биполярные устройства массово использовались в 1960−70 годах и востребованы в наше время в качестве элементов аналоговых схем в основном благодаря тому, что они просты в изготовлении и обладают большой линейностью. Полевые захватили почти всю долю рынка цифровых схем.
Существуют и другие типы транзисторов. Их каталогизируют не только по принципу работы, но и по мощности, рабочим частотам, структуре, применению и другим показателям. Развитие этих устройств продолжается без снижения темпа. Например, учёными из Южной Кореи недавно создан p-n переход, изготовленный из одной молекулы бензола. Современные чипы производят много неиспользуемого тепла. В этой связи у молекулярных транзисторов может быть большое будущее - они способны стать ключом к повышению энергоэффективности.
Независимо от того, в каких направлениях будет осуществляться развитие технологий, очевидно, что благодаря активному исследованию способов совершенствования транзисторов компьютеры станут быстрее, дешевле и надёжнее, а сотовые телефоны - ещё легче и компактнее. Эти маленькие устройства продолжают менять технологический ландшафт и в конечном счёте наше общество в целом. Эта замечательная судьба для простого устройства, изобретённого более 60 лет назад.
Транзистор, иначе называемый полупроводниковым триодом — электронное устройство, основой которого являются полупроводниковые материалы. Основное назначение прибора — возможность, с помощью изменения слабого тока в управляющей цепи, получать усиленный сигнал на выходе. Полупроводниковый триод — одна из основных составляющих схем множества электронных устройств, от радиоприёмника до компьютера.
Определение «транзистор» тесно связано с этимологией этого слова. Оно образовано от двух английских слов: transfer (переносить) и resistor (сопротивление). Действительно, принцип работы устройства связан с переносом (изменением) сопротивления в электрической цепи.
- биполярные;
- полевые (униполярные).
Каждый класс, в свою очередь, делится на несколько разновидностей.
Биполярные:
Оба этих типа триодов могут использоваться в одной электронной схеме. Поэтому, для того чтобы не перепутать, какую именно деталь надо использовать в конкретном месте схемы, изображения p-n-p и n-p-n триодов отличаются друг от друга.
Полевые:
- униполярные с p-n переходом;
- МДП-транзисторы с изолированным затвором.
Принцип работы устройства
В электронике применяются полупроводники с электронной (n) или дырочной (p) проводимостью. Эти обозначения говорят о том, что в первом случае в полупроводнике преобладают отрицательно заряженные электроны, во втором — положительно заряженные дырки.
Рассмотрим, как устроен транзистор на примере биполярного полупроводникового триода. Внешне прибор выглядит как небольшая деталь в металлическом или пластиковом корпусе с тремя выводами. Внутри — своеобразный бутерброд из трёх слоёв полупроводника . Если центральный слой p-типа, то окружающие его слои — n-типа. Получается триод n-p-n. Если же центр, именуемый также базой, n-типа, то обкладки — из полупроводника с дырочной проводимостью, а структура устройства — p-n-p. Один из внешних слоёв называется эмиттером, другой коллектором. К каждой из этих трёх частей прибора бывает подведён соответствующий вывод.
Краткое пояснение, как работает транзистор, для «чайников» выглядит так. Возьмём для примера транзистор n-p-n, где эмиттер и коллектор являются слоями с преимущественно электронной проводимостью, а база — с дырочной.
Подключаем эмиттер к отрицательному выводу электрической батареи, а базу и коллектор — к положительному. Начинающему любителю электроники можно представить, что триод состоит из двух диодов , причём диод эмиттер — база включён в прямом направлении, и через него протекает ток, а диод база — коллектор включён в обратном направлении, и ток отсутствует.
Предположим, что мы включили в цепь базы переменный резистор, с помощью которого можем регулировать подаваемое на базу напряжение. Какой эффект мы получим при уменьшении напряжения до нуля? Ток в цепи эмиттер-база перестанет течь. Немного увеличим напряжение. Электроны из n — области эмиттера устремятся к базе, подключённой к плюсу батареи.
Важная деталь — база сделана максимально тонкой. Поэтому масса электронов проходит этот слой насквозь и оказывается в коллекторе под воздействием положительного полюса батареи, к которому притягивается. Таким образом, ток начинает проходить не только между эмиттером и базой, но и между эмиттером и коллектором. При этом ток коллектора значительно больше тока базы.
Ещё одно важное обстоятельство : небольшое изменение базового тока вызывает значительно более сильное изменение коллекторного тока. Таким образом, полупроводниковый триод служит для усиления различных сигналов. Обычно биполярные триоды чаще используются в аналоговой технике.
Полевые транзисторы
Этот тип триода отличается от биполярного не свойствами или функциями, а принципом работы. В полевом триоде ток движется от вывода, называемого истоком, к выводу, именуемому стоком, по полупроводнику одного вида проводимости, например, p. А управление силой этого тока производится с помощью изменения напряжения на третьем выводе — затворе.
Такая структура более точно отвечает требованиям современной цифровой техники, где в основном и применяются полевые триоды. Сегодняшние технологические возможности позволяют разместить на кристалле полупроводника площадью 1−2 квадратных сантиметров несколько миллиардов МДП-элементов с изолированным затвором. Таким образом создаются центральные процессоры персональных компьютеров.
Перспективы развития приборов
Перспективы лежат, в первую очередь, в сфере дальнейшей миниатюризации устройств. Так, американские учёные разрабатывают сегодня так называемый одномолекулярный транзистор. Основным элементом такого устройства является молекула бензола, к которой присоединены три электрода.
Если идея оправдает себя, появится возможность создания сверхмощных вычислительных комплексов. Ведь размер молекулы гораздо меньше размера сегодняшних МДП-триодов на кристалле кремниевого чипа.
Транзисторами (transistors, англ.) называют полупроводниковые триоды у которых расположено три выхода. Их основным свойством является возможность посредством сравнительно низких входных сигналов осуществлять управление высоким током на выходах цепи.
Для радиодеталей, которые используются в современных сложных электроприборах, применяются полевые транзисторы. Благодаря свойствам этих элементов выполняется включение или выключение тока в электрических цепях печатных плат, или его усиление.
Что представляет собой полевой транзистор
Полевые транзисторы - это трех или четырех контактные устройства, в которых ток, идущий на два контакта может регулироваться посредством напряжения электрополя третьего контакта. на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. В результате этого подобные транзисторы называются полевыми.
Название расположенных на устройстве контактов и их функции:
- Истоки – контакты с входящим электрическим током, которые находится на участке n;
- Стоки – контакты с исходящим, обработанным током, которые находятся на участке n;
- Затворы – контакты, находящиеся на участке р, посредством изменения напряжения на котором, выполняется регулировка пропускной способности на устройстве.
Полевые транзисторы с n-p переходами – особые виды, позволяющие управлять током. От простых они, как правило, отличаются тем, через них протекает ток, без пересечения участка р-n переходов, участка который образуется на границах этих двух зон. Размеры р-n участка являются регулируемыми.
Видео «Подробно о полевых транзисторах»
Виды полевых транзисторов
Полевой транзистор с n-р переходами подразделяется на несколько классов в зависимости:
- От типа каналов проводников: n или р. Каналы воздействую на знаки, полярности, сигналы управления. Они должны быть противоположны по знакам n-участку.
- От структуры приборов: диффузных, сплавных по р -n - переходам, с затворами Шоттки, тонкопленочными.
- От общего числа контактов: могут быть трех или четырех контактными. Для четырех контактных приборов, подложки также являются затворами.
- От используемых материалов: германия, кремния, арсенид галлия.
В свою очередь разделение классов происходит в зависимости от принципа работы транзистора:
- устройства под управлениями р-n переходов;
- устройства с изолированными затворами или с барьерами Шоттки.
Принцип работы полевого транзистора
Говоря простыми словами о том, как работает полевой транзистор для чайников с управляющими p-n переходами, стоит отметить: радиодетали состоят из двух участков: p-переходов и n-переходов. По участку n проходит электроток. Участок р является перекрывающей зоной, неким вентилем. Если оказывать определенное давление на нее, то она будет перекрывать участок и препятствовать прохождению тока. Либо, же наоборот, при снижении давления количество проходящего тока возрастет. В результате такого давления осуществляется увеличение напряжения на контактах затворов, находящихся на участке р.
Приборы с управляющими p-n канальными переходами - это полупроводниковые пластины, имеющие электропроводность с одним из данных типов. К торцевым сторонам пластин выполняется подсоединение контактов: стока и истока, в середину - контакты затвора. Принцип работы прибора основан на изменении пространственных толщин p-n переходов. Так как в запирающих областях практически отсутствуют подвижные носители заряда, их проводимость равняется нулю. В полупроводниковых пластинах, на участках которых не воздействует запирающий слой, создаются проводящие ток каналы. Если подается отрицательное напряжение в отношении истока, на затворе образуется поток, через который протекают носителя заряда.
Для изолированных затворов, характерно расположение на них тонкого слоя диэлектрика. Такое устройство работает по принципу электрических полей. Для его разрушения понадобится всего лишь небольшое электричество. В связи с этим, чтобы предотвратить статическое напряжение, которое может превышать 1000 В, необходимо создание специальных корпусов для приборов, которые минимизируют эффект от воздействия вирусных типов электричества.
Для чего нужен полевой транзистор
При рассмотрении работы сложных видов электротехники, стоит рассмотреть работу такого важного компонента интегральной схемы, как полевой транзистор. Основная задача от использования данного элемента заключается в пяти ключевых направлениях, в связи с чем транзистор применяется для:
- Усиления высокой частоты.
- Усиления низкой частоты.
- Модуляции.
- Усиления постоянного тока.
- Ключевых устройств (выключателей).
В качестве простого примера работа транзистора-выключателя, может быть представлена как микрофон и лампочка в одной компановке. Благодаря микрофону улавливаются звуковые колебания, что влияет на появление электрического тока, поступающего на участок запертого устройства. Присутствие тока влияет на включение устройства и включение электрической цепи, к которой подключаются лампочки. Последние загораются после того как микрофон уловил звук, но горят они за счет источников питания не связанных с микрофоном и более мощных.
Модуляцию применяют с целью управления информационными сигналами. Сигналы управляют частотами колебаний. Модуляцию применяют для качественных звуковых радиосигналов, для передачи звуковых частот в телевизионные передачи, для трансляции цветовых изображений и телевизионных сигналов с высоким качеством. Модуляцию применяют повсеместно, где нужно проводить работу с высококачественными материалами.
Как усилители полевые транзисторы в упрощенном виде работают по такому принципу: графически любые сигналы, в частности, звукового ряда, могут быть представлены как ломаная линия, где ее длиной является временной промежуток, а высотой изломов – звуковая частотность. Чтобы усилить звук к радиодетали подается поток мощного напряжения, приобретаемого нужную частотность, но с более большим значением, из-за подачи слабых сигналов на управляющие контакты. Иначе говоря, благодаря устройству происходит пропорциональная перерисовка изначальной линии, но с более высоким пиковым значением.
Как применять полевой транзистор для чайников
Первыми приборами, которые поступили на рынок для реализации, и в которых были использованы полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, были слуховые аппараты. Их изобретение состоялось еще в пятидесятые годы XX века. В более крупным масштабах они применялись, как элементы для телефонных станций.
В наше время, применение подобных устройств можно увидеть во многих видах электротехники. При наличии маленьких размеров и большому перечню характеристик, полевые транзисторы встречаются в кухонных приборах (тостерах, чайниках, микроволновках), в устройстве компьютерной, аудио и видео техники и прочих электроприборах. Они используются для сигнализационных систем охраны пожарной безопасности.
На промышленных предприятиях транзисторное оборудование применяют для регуляции мощности на станках. В сфере транспорта их устанавливают в поезда и локомотивы, в системы впрыскивания топлива на личных авто. В жилищно-коммунальной сфере транзисторы позволяют следить за диспетчеризацией и системами управления уличного освещения.
Также самая востребованная область, в которой применяются транзисторы – изготовление комплектующих, используемых в процессорах. Устройство каждого процессора предусматривает множественные миниатюрные радиодетали, которые при повышении частоты более чем на 1,5 ГГц, нуждаются в усиленном потреблении энергии. В связи с этими разработчики процессорной техники решил создавать многоядерные оборудования, а не увеличивать тактовую частоту.
Достоинства и недостатки полевых транзисторов
Использование полевых транзисторов благодаря их универсальным характеристикам позволило обойти другие виды транзисторов. Они широко применяются для интегральной схемы в качестве выключателя.
Достоинства:
- каскады детали расходуют малое количество энергии;
- показатели усиления превышают, значения других аналогичных устройств;
- достижение высокой помехоустойчивости осуществляется за счет того, что отсутствует ток в затворе;
- обладают более высокой скоростью включения и выключения, работают с недоступными для других транзисторов частотами.
Недостатки:
- менее устойчивы к высоким температурам, которые приводят к разрушению;
- на частотах более 1,5 ГГц, количество потребляемой энергии стремительно увеличивается;
- чувствительны к статическим видам электричества.
Благодаря характеристикам, которыми обладают полупроводниковые материалы, взятые в качестве основы для полевого транзистора, позволяют использовать устройство в бытовой и производственной сфере. Полевыми транзисторами оснащается различная бытовая техника, которая используется современным человеком.
Видео «Устройство и принцип работы полевого транзистора»
Прежде чем рассматривать типы транзисторов, следует выяснить, что вообще представляет собой транзистор и для чего используется.
Что такое транзистор
Транзистором называется полупроводниковый триод, представляющий собой компонент, используемый в области радиоэлектроники, изготавливаемый из полупроводниковых материалов. Он имеет три вывода, позволяющие управлять в цепи электрическим током с помощью входного сигнала.
Из-за своих качеств применяется в тех случаях, когда необходимо преобразовать, сгенерировать или усилить электрические сигналы. Название транзистора применяется и для других устройств, имитирующих основное качество транзистора - способность изменять сигнал в двух различных состояниях, при одновременном изменении сигнала управляющего электрода.
Виды и характеристика
Все транзисторы подразделяются на два вида - NPN и PNP. В этих на первый взгляд сложных аббревиатурах, нет ничего особо сложного. Данными буквенными обозначениями определяется порядок наложения специфических слоев. Такими слоями являются pn-переходы в полупроводниковых материалах, использованных для их изготовления. Глядя визуально на любой полупроводник, невозможно определить тип полупроводниковой структуры, расположенной внутри корпуса. Эти данные обозначаются маркировкой, нанесенной на корпус. Тип транзистора необходимо знать заранее, поскольку использование его в схеме может быть самым различным.
Следует помнить о том, что NPN и PNP совершенно разные. Поэтому их нельзя просто так перепутать или заменить между собой. Заменить один на другой возможно при определенных условиях. Основное условие - значительное изменение схемы включения этих транзисторов. Таким образом, для определенных узлов радиотехнических устройств, применяются только свои, конкретные марки, в противном случае, устройство просто выйдет из строя, и не будет работать.
Технологические различия
Помимо типа pn-перехода, все они различаются технологией применяемой для их изготовления.
В связи с этим, можно отметить два видаа транзисторов, различающихся параметрами:
- Биполярные - отличаются подачей в их базу тока небольшой величины. Этот ток, в свою очередь, служит для управления количеством тока, проходящего между эмиттером и коллектором.
- - оборудуются тремя выводами, носящими название затвор, сток и исток. В данном случае, на затвор транзистора воздействует не ток, а напряжение. Эти транзисторы отличаются различной полярностью.