Транзистор – устройство для репликации сигнала с увеличением амплитуд, с основной функцией управления электрическим током. Копирование сигнала осуществляется благодаря наличию источника тока у другого прибора.
Читайте в новой статье: принцип работы диода.
Концепция транзисторов
Концепция – это универсальное понятие. Оно используется во всех областях и сферах жизни человека. Но для понимания темы транзисторов, появившихся менее 100 лет назад, целесообразно рассматривать данную дефиницию с наиболее общих и знакомых позиций.
По своей сути термин, заимствованный у латинян, раскрывает понятие смысла происходящих процессов между объектами, находящихся в определенной иерархической соподчиненности. И, согласно физическому закону, имеющих связи между собой. Эти элементы образуют систему.
См. также: Как пользоваться осциллографом
Чтобы представить, в чем принцип механизма работы транзистора, следует рассмотреть отрытую систему. Например, сосуд, через который проходит вода: неизменно поступает сверху и вытекает снизу.
Но, допуская возможность регулировки (управления) током, емкость можно разделить на две части с помощью задвижки. Таким образом, при ее открытии и закрытии будет создаваться преграда, не позволяющая (либо позволяющая) воде пройти во вторую часть. Само собой, жидкость можно перекрывать частично.
Это и есть механизм, объясняющий, что такое транзистор и в чем его суть. А именно – в управлении энергией токов высоких значений с приложением минимальных затрат.
Транзисторы могут быть отличны друг от друга по принципу своего устройства.
Из чего состоят и каковы принципы их работы, мы рассмотрим ниже.
Полевые транзисторы
В приведенном выше описании давалось представление о том, как устроен полевой транзистор. В литературе встречается еще одно название – полупроводниковый триод. Объясняется это тем, что в производстве транзисторов используются полупроводниковые материалы. Триоды имеют сток, исток и затвор.
Управление полевым транзистором осуществляется простым ходом напряжения, подающимся на затвор. Такой тип триодов включает в себя p-n переходы, пропускающие ток в одну сторону.
Проводя электрический ток в одном направлении, они управляют им наподобие задвижки.
Типовые полупроводниковые триоды подразделяются на два вида. А именно:
- Полевой транзистор с каналом p-типа. Данное устройство – с p-областью между истоком и стоком.
- Полевой транзистор с каналом n-типа. Это устройство – с n-областью между истоком и стоком.
В схеме первого типа затворы взаимодействуют с n-областями, второго типа – с p-областями. Подобное различие имеет значение для их проводимости. Р-тип управляется плюсовым потенциалом, с n-типом наблюдается обратная картина.
Полевые триоды могут быть однозатворными и двухзатворными.
Зачем нужен второй затвор, и за что он отвечает? Он будет создавать преимущество в простоте управления, выраженное в моделирование сигнала при подаче на затвор напряжения. Причем – с последующим увеличением его амплитуды в проходе между истоком и стоком.
Биполярные транзисторы
Эти конструкции являются более популярными, в сравнении с предыдущими. Биполярник, так же как и полярный, имеет триодную монокристальную полупроводниковую природу. Простыми словами – имеют три контакта. Но предназначен для использования как электронов, так и «дырок» в виде носителей.
Кремневый монокристалл (ранее изготавливаемый из германия) состоит из 3-х участков:
- База (Б). Располагается на входе и имеет противоположность по типу проводимости к двум другим участкам. Имеет малый размер для экономии энергии.
- Эмиттер (Э). Его функция – пропускать носители заряда (электроны и дырки).
- Коллектор (К). Собирает заряды с эмиттера. В мощных транзисторах он напаивается прямо на корпус для рассеивания тепла.
Биполярные триоды, точно так же как и полярные, делятся на два типа. Но в отличие от них имеют 2 p-n перехода. Поэтому прибор и получил свое самоназвание:
- n-p-n тип – Э (n)-Б (р)- К (n);
- p-n-p тип – Э (p)-Б (n)- К (p).
Разница этих подключений – в направлении тока, или в основных носителях заряда.
Функционал данного типа проводимости осуществляется методом легирования зон монокристалла кремния. Легирование – процесс добавления к основе примесей с целью повышения химических и физических качеств изначального вещества. База, в отличие от эмиттера и коллектора, легируется незначительно. То есть, содержит малое количество примесей.
Принцип работы
Как работает транзистор биполярного принципа? По основным режим его функционирование не отличается от полевого. Это принцип «открыто – закрыто». Но в отличие от полевого, который управляется электрическим полем, для открытия биполярного нужен электрический ток.
Как он работает, можно объяснить нетехническим языком, дав определение его применению и не вдаваясь в нюансы теоретической физики. Также можно опустить историю создания данного прибора.
Чтобы получить электрический ток, между эмиттером и базой необходимо подключить однотипное напряжение: p будет замкнуто на (+), а n – на (−).
В этом случае в базе появятся носители зарядов. Количество носителей в базе тем выше, чем выше подаваемое напряжение. Ток на базе будет управляющим.
Если нужно создать разницу потенциалов между эмиттером и коллектором с перетеканием тока, тогда к коллектору подключают напряжение с обратным знаком:
- Коллектор (n) на (+);
- Коллектор (p) на (−).
В данном случае при большем количестве носителей заряда зашедшим в базу будет наблюдаться более сильный ток между коллектором и эмиттером. Но если транзистор в цепи с управляющим напряжением испытывает на себе растущую нагрузку, то есть идет увеличение этого напряжения, тогда связка «эмиттер – коллектор» получит прирост тока на базе.
Данная особенность применяется в изготовлении усилителей. Причем разница между увеличением напряжения и ростом тока на базе компенсируется с лихвой. Принцип «закрытости» режима биполярника проявляется ввиду подключения к его базе и эмиттеру противоположного напряжения.
После этого ток прекращается, а транзистор – закрывается. Чтобы проверить этот принцип наглядно, можно использовать щупы. После переключения их на зажимы базы и эмиттера, с соблюдением полярности, триод вновь перейдет в «открытое» состояние.
Другие типы транзисторов
Управление электрическим током заложено в основу всех транзисторов. Однако используются они в различных сферах, обладают своей спецификой, служат для выполнения специальных задач. Нужны ли триоды там, где используются лампы, например, в производстве музыкальных усилителей? В среде профессионалов идут споры по этому вопросу.
Появляются новые виды устройств, причем используются разработки 100-летней давности, которые невозможно было реализовать из-за отсутствия технологической базы. Так, в свое время был изобретен транзистор без p-n перехода. Разгорались целые научные баталии, что это за устройство на самом деле.
Есть основы, из которых происходят определения транзисторов, а их производство базируются на нескольких договоренностях. Так, р-n переход служит для того, чтобы получить сильное внутреннее поле с целью управления слабым внешним. Ведется работа и на полном управлении на внешних полях.
Но получить необходимые характеристики пока нереально – устройство выходит чересчур громоздким. А вот нашумевшую новинку сделали с маленьким ключевым элементом.
Микроэлектроника стоит на большом «ките» – триоде, использующим p-n переход и МДП структуру (металл – диэлектрик – полупроводник). Не брать в расчет МДП – выйдет биполярник, забыть про p-n переход – триод со встроенным каналом. Наряду с ноу-хау существуют однопереходные триоды, комплементарные, КМОП и др.
