Как работает и для чего нужен транзистор

Первым прибором, предназначенным для усиления сигналов, стала радиолампа. По мере развития радиотехники стали очевидны недостатки этого прибора, мешавшие эволюции электроники. В 1947 году был изобретен, а в 1948 году представлен техническому миру полупроводниковый прибор, названный транзистором, который произвел революцию в этой области.

Для чего нужен транзистор, где применяется

Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, и используется для усиления и преобразования сигналов. Усиливающие свойства позволяют применять транзистор для генерации сигналов (генератор представляет собой усилитель, охваченный положительной (да и отрицательной) обратной связью). Преобразовательную функцию этот полупроводниковый прибор выполняет за счет нелинейности характеристики. Это свойство дает возможность применять транзистор в смесителях, модуляторах и детекторах.

Принцип работы, виды и особенности конструкции

Под термином транзистор понимается прибор на основе полупроводников с тремя (не всегда) выводами, поэтому параллельно употребляется термин полупроводниковый триод. На самом деле эта категория содержит несколько подклассов, иногда имеющих между собой больше отличий, чем сходства.

Биполярный полупроводниковый триод

Первые транзисторы были биполярными. Такой тип триода состоит из трех слоев полупроводника с разной проводимостью – p-n-p или n-p-n. К центральному слою подключен вывод, называемый базой, к двум крайним – выводы коллектора и эмиттера. Слой базы тонкий, зато площадь контакта слоев база-коллектор больше, чем площадь контакта база-эмиттер. Если создать ток в цепи база-эмиттер, то в цепи коллектор-эмиттер также пойдет ток (если к этим выводам приложено напряжение). Регулируя ток в цепи базы, можно управлять током в главной цепи (от коллектора к эмиттеру), причем небольшое изменение тока в управляющей цепи вызовет большее изменение тока в коллекторной цепи, а это и есть усиление.

Например, если у конкретного триода менять ток в цепи базы от 5 до 10 мА, то в цепи коллектора ток может меняться при заданном напряжении, условно, от 50 до 100 мА. Величина, характеризующая усиление и представляющая собой отношение приращения коллекторного тока к вызвавшему его приращению тока базы, служит одной из главных характеристик биполярного транзистора и называется статическим коэффициентом передачи тока. Для рассмотренного случая он равен h21э= ΔIk/ΔIб =(100-50)/(10-5)=50/5 =10.

Современные биполярные триоды могут иметь h21э составляющий несколько сотен, а при составной конструкции – несколько тысяч.

Полевой (униполярный) транзистор

Эта категория полупроводниковых триодов содержит несколько подклассов, объединенных одним определяющим признаком. Управление током главной цепи производится действием электрического поля. Отсюда и название – полевые транзисторы (ПТ), их еще называют униполярными.

С p-n переходом

Устройство этого униполярного прибора сходно с устройством обычного диода – всего один p-n переход. Но транзистор имеет три вывода:

• исток и сток соединены с одним слоем диэлектрика.
• затвор соединен со слоем диэлектрика, имеющего противоположный тип проводимости.

В зависимости от материала затвора, полевые транзисторы с p-n переходом (j-fet) могут быть p-канальными или n- канальными. Между слоями полупроводников возникает обедненная область, имеющая большое сопротивление. При подаче на затвор напряжения соответствующей полярности, обедненная область увеличивается, «перекрывая» канал.

В отличие от биполярных триодов, у ПТ на затвор напряжение подается в запирающем направлении.

Тем самым, в зависимости от напряжения на затворе, изменяется проводимость канала. Если между стоком и истоком приложить напряжение, то изменяя напряжение на затворе, можно изменять ток в основной цепи. Аналогично статическому коэффициенту усиления для БТ, у ПТ (любого типа) имеется важный параметр – крутизна. Она равна отношению изменению тока стока к вызвавшему ее изменению напряжения на затворе (относительно истока) при фиксированном напряжении сток-исток:

S=ΔIc/ΔUзи.

Например, если напряжение изменилось от 2 до 4 вольт, а ток при этом изменился от 5 до 10 мА, то крутизна может быть вычислена, как S=(10-5)/(4-2)=5/2=2,5 мА/В.

С изолированным затвором

Другой класс полевых транзисторов – с изолированным затвором (MOSFET, отечественный термин – МОП транзистор). У них затвор изолирован от остальной части конструкции слоем диэлектрика. Этот слой очень тонкий, поэтому легко пробивается статическим электричеством. Чтобы этого избежать, в современных MOSFET устанавливают защитные диоды.

С встроенным каналом

MOSFET бывают со встроенным каналом. Проводящий канал образуется из слоя полупроводника, к которому подключены сток и исток. Этот слой смонтирован на подложке из полупроводника обратной проводимости (в зависимости от типа проводимости, ПТ также делят на триоды с каналом p-типа и n-типа). Если к затвору приложить напряжение соответствующей полярности, то неосновные носители из подложки посредством электрического поля втягиваются в канал, концентрация носителей в канале возрастет, его проводимость станет больше, и ток в главной цепи увеличится. Если приложить напряжение обратной полярности, то основные носителя выталкиваются в подложку, сопротивление канала возрастает, ток в цепи исток-сток падает.

С индуцированным каналом

У этого типа транзисторов при изготовлении канал не формируется. Если напряжения к затвору не приложено, или оно отрицательно, ток в главной цепи отсутствует, так как его сопротивление велико. Если на затвор подать положительное относительно стока напряжение, электрическое поле втянет неосновные для подложки носители заряда в область, прилегающую к затвору. В этом месте возрастет концентрация электронов (или дырок для ПТ противоположного типа), и возникнет (индуцируется) проводящий канал между стоком и истоком.

Ключевые отличия биполярного от полевого транзистора

Принципиальным отличие полевого транзистора от биполярного в том, что биполярный требует расхода мощности в управляющей цепи. Иными словами, биполярный прибор управляется током, а униполярный – напряжением.

Этот принцип управления позволяет избежать явления рассасывания основных зарядов в области p-n переходов, и дает полевым транзисторам преимущества:

• более высокое быстродействие;
• пониженные шумы.

Отсутствие тока в цепи управления повышает экономичность устройств, выполненных на униполярных приборах, а также улучшает развязку между схемой управления и главной цепью (сток-исток). Хорошая развязка повышает устойчивость и надежность работы схем. А главное, что дает отсутствие тока во входной цепи – очень высокое входное сопротивление каскадов на полевых транзисторах (иногда приходится принимать схемотехнические меры по снижению этого параметра). Из недостатков ПТ надо отметить высокое значение сопротивления открытого канала и меньшую способность работать при повышенных температурах.

Маркировка и графическое обозначение на схеме

На схеме биполярные транзисторы обозначаются следующим образом. Стрелка показывает направление тока через эмиттерный переход.

По графическому обозначению ПТ можно однозначно определить его тип, а также тип канала.

Международные стандарты не предусматривают единого подхода к маркировке транзисторов, поэтому зарубежные транзисторы могут обозначаться разным набором букв и цифр. Например, J310, IRF840, ARF1519 и т.п. В отечественной системе транзисторы принято обозначать буквенно-цифровым индексом:

• первая буква – материал (К или 2 – кремний, Г или 1 – германий и т.п.);
• вторая буква – класс транзистора (П — полевой, Т – биполярный);
• цифровая часть индекса означает модель триода.

После цифровой части могут добавляться буквы, уточняющие характеристики транзистора. Например, КП303 означает, что это полевой кремниевый транзистор, тип 303. А германиевый биполярный триод серии 311 может быть обозначен, как ГТ311 или 1Т311.

Еще встречаются старые модели полупроводниковых триодов, имеющие действующую тогда маркировку П или МП (П208, МП39Б и т.п.).

Рекомендуем прочесть: Как прозвонить транзисторы не выпаивая из платы

Основные схемы включения транзисторов

Существует три основные схемы включения биполярного транзистора. Остальные сводятся к ним в той или иной степени.

Схема с общим коллектором

Такое включение часто называют эмиттерным повторителем (ЭП), потому что выходной сигнал снимается с резистора, включенного в цепь эмиттера (а входной подается на базу), и он почти равен входному по амплитуде. Усиления по напряжению такой каскад не дает. Более того, он уменьшает входное напряжение на величину падения на переходе база-эмиттер (зависит от примененного полупроводника):

• для кремниевого прибора это падение составляет примерно 0,6 вольт;
• для германиевого 0,2 вольт.

Если уровень на базе ниже этого значения, то транзистор не откроется совсем, и на выходе сигнала не будет.

Чтобы исключить это явление, транзистор можно предварительно приоткрыть. Это часто делают с помощью резистивного делителя, подав напряжение на базу. Если его уровень будет около 0,6 (0,2) вольта для соответствующего типа, то каскад будет полностью повторять входной сигнал (не будет вычитать падение напряжения на переходе). Если еще повысить напряжение на базе, выведя рабочую точку примерно на середину линейной части, то повторитель будет «повторять» и переменное двуполярное напряжение.

Зато подобное включение позволяет получить усиление по току. Это определяет основные назначения эмиттерного повторителя:

1. Буферные (развязывающие) каскады;
2. Согласующие (по сопротивлению) каскады (со стороны входа ЭП имеет большое сопротивление, со стороны выхода – малое);
3. Стабилизаторы постоянного напряжения (усилители тока параметрических стабилизаторов).

Разработчики радиоэлектронной аппаратуры находят и другие применения транзистору, включенному в схеме с общим коллектором.

С общим эмиттером

Наиболее часто встречающаяся схема, дающая усиление не только по току, но и по напряжению. Входной сигнал, как и в предыдущем случае, подается на базу, выходной снимается с коллектора. Резисторы Rб1 и Rб2 задают смещение на базе. Коэффициент усиления схемы составляет K=Rk/(Rэ+rэ), где:

• Rk и Rэ – соответствующие резисторы на схеме;
• rэ – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.

Rk и Rэ можно изменять в широких пределах, устанавливая нужное усиление каскада.

Rэ может отсутствовать (эмиттер надо подключить к общему проводу). Тогда максимально возможное усиление составит K=Rk/rэ.

С общей базой

Этот вариант включения (ОБ) встречается реже всего. Общей точкой источника сигнала и нагрузки является база. Подается сигнал на эмиттер, а снимается с коллектора. Особенность каскада – малое входное и большое выходное сопротивление.

По току такой каскад не усиливает (даже ослабляет), коэффициент усиления по напряжению, в основном, определяется отношением сопротивления нагрузки к rэ. Достоинством схемы является широкополосность. Такие каскады используют, преимущественно, на высоких частотах.

Для униполярных приборов тоже существует три основных схемы включения, они схожи с соответствующими схемами для биполярных.

С общим стоком

Этот каскад является аналогом эмиттерного повторителя, его часто называют истоковым повторителем. Сток подключается к питающей шине напрямую (без резистора), сигнал подается в затвор, а снимается с резистора, включенного в цепь истока.

Усиление данной схемы по напряжению, также, как и в случае с ЭП, примерно равно единице (на самом деле, чуть меньше). Но причина здесь не в падении напряжения на p-n переходе – через переходы в полевом транзисторе ток не течет. Коэффициент усиления зависит от крутизны характеристики примененного транзистора, и равен K=SR/(1+SR), где:

• S – крутизна характеристики, мА/В;
• R – сопротивление в цепи истока, Ом.

Резистор Rз задает режим транзистора по постоянному току и определяет входное сопротивление каскада.

При SR>>1, коэффициент усиления по напряжению стремится к единице, а коэффициент усиления по току у такой схемы на порядки выше, чем у ЭП.

С общим истоком

Схема с общим истоком является аналогичной схеме с общим эмиттером для униполярных приборов. Сигнал подается в затвор относительно истока, а снимается со стока (также относительно истока). Коэффициент усиления также зависит от крутизны характеристики, и определяется, как K=Rc*S/(1+Rи*S), где:

• S – крутизна характеристики, ма/В;
• Rс – сопротивление в цепи стока, Ом.
• Rи – сопротивление в цепи истока, Ом.

Сопротивление Rи может отсутствовать, тогда K=Rc*S.

С общим затвором

В этом случае входной сигнал подается на исток, снимается со стока. Несложно заметить, что входной ток равен выходному, поэтому усиление по току равно единице. При повышении входного напряжения, потенциал истока относительно затвора увеличивается, транзистор закрывается, ток через транзистор уменьшается, падение напряжения на резисторе в цепи стока тоже уменьшается. Таким способом осуществляется параллельная отрицательная обратная связь, характерная для такого каскада.

Изучив принцип работы транзисторов различного типа, можно перейти к более глубокому изучению возможностей этого прибора. Для этого понадобится изучить остальные свойства триодов, особенности ВАХ и т.п., но затраченные усилия этого стоят.