Транзисторы

Транзистор – это электронный полупроводниковый преобразовательный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий 3 (или более) электрода, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Изобретен в 1948 году американскими учеными У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. В СССР первые транзисторы были разработаны в 1953 г. под руководством А.В. Красилова.

Обычно выделяют два основных класса транзисторов: полевые транзисторы (их часто называют униполярными) и биполярные транзисторы.

В полевых транзисторах протекание тока через кристалл обусловлено носителем заряда только одного знака – электронами или дырками.

В биполярных транзисторах ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков.

Транзисторы классифицируются по типам и группам в зависимости от физических, эксплуатационных и других параметров.

В соответствии с максимальной частотой усиливаемого или генерируемого сигнала различают низкочастотные (до 3 МГц), высокочастотные (до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (более 300 МГц).

По допустимой рассеиваемой мощности – маломощные (до 1 Вт) и мощные (свыше 1 Вт).

Кроме того, транзисторы классифицируются:

§ по предельно допустимому напряжению;

§ по шумовым свойствам;

§ в соответствии с механизмом переноса неосновных носителей заряда (дрейфовый, лавинный транзистор, туннельный);

§ по области применения – маломощный малошумящий (применяется во входных цепях усилительных устройств);

§ импульсные;

§ генераторные (в радиопередающих устройствах);

§ ключевые (в системах автоматического регулирования);

§ фототранзисторы (в устройствах преобразования световых сигналов в электрические с одновременным их усилением).

В качестве полупроводниковых материалов для изготовления транзисторов используются в основном кремний, германий и арсенид галлия.

В соответствии с технологией изготовления различают сплавные, диффузионные, конверсионные транзисторы, меза-транзисторы, эпитаксиальные, планарные транзисторы и т.д.

К основным технологическим методам изготовления относятся: диффузия и ионное легирование для получения p-n – перехода, осаждение металлов в вакууме для получения контактов и барьеров Шоттке, фото- и электронолитография – для создания электродов и т.д.

По сравнению с аппаратурой на радиолампах, аналогичная по назначению аппаратура на полупроводниковых приборах имеет в сотни раз меньшие габариты и вес, потребляет значительно меньшую электрическую мощность, обладает более высокой надежностью и долговечностью. Интенсивность отказов лежит в пределах 10^-7 – 10^-8 отказов в час.

Обозначения транзисторов:

- первый элемент – материал, из которого изготовлена основа: Г (или 1) – германий или его соединения, К (или 2) – кремний или его соединения; А (или 3) – соединения галлия;

- второй элемент – подкласс (например, для биполярных транзисторов – буква Т);

- третий элемент – назначение прибора (например, при малой мощности и частоте до 3 МГц – от 101 до 199, при частоте до 30 МГц – от 201 до 299, при средней мощности и низкой частоте – от 401 до 799 и т.д.);

- четвертый и пятый элемент – порядковый номер разработки и технологического типа (от 01 до 99);

- шестой элемент – деление технологического типа на параметрические на группы (русские буквы от А до Я).

Например, транзистор германиевый, малой мощности, 15-я разработка, для устройств широкого применения – Г 115А или 1Т115А.

Ранее обозначение состояло из трех элементов: первый – П (полупроводниковый прибор), второй – цифра, порядковый номер разработки, третий – буква, соответствующая разновидности. Перед обозначением модернизированного прибора ставилась буква М. Например, МП101А, МП21В и т.д.

Транзистор представляет собой как бы объединенные два диода с p-n переходами (рис. 1).

Область p в середине структуры называется базой, одна из n -областей – эмиттером («излучатель»), другая – коллектором («собиратель»). Из самих названий ясно, что эмиттер должен испускать носители зарядов, а для этого на эмиттерный переход нужно подать отпирающее напряжение, чтобы пошел ток, и возникло движение зарядов.

Ниже на рисунке 2 показано включение транзистора, которое называют «включение с общей базой». Стрелка эмиттера показывает направление тока через эмиттерный переход.

Этот ток создается источником напряжения (батареей) G₁, а чтобы он не достигал очень больших значений (сопротивление открытого p-n перехода очень мало), в цепь включен ограничивающий ток резистор R_Э.

Работа транзистора в этой схеме основана на том, что практически 99 % электронов, «излучаемых» эмиттером и двигающихся в цепи эмиттер ‑ база, перехватываются коллектором, т.к. на нем находится сравнительно большое напряжение. Следовательно, коэффициент «перехвата», т.е. отношение коллекторного тока к эмиттерному, равен 0,99. Этот коэффициент называется коэффициентом передачи тока в схеме с общей базой.

В этой схеме и коллекторный и базовый токи прямо пропорциональны эмиттерному, и если последний прекратился, то прекратился и коллекторный ток. То есть, в этой схеме нет усиления по току, но можно получить усиление по напряжению и по мощности, если в цепь коллектора включить вместо измерительного прибора резистор нагрузки с достаточно большим сопротивлением. Тогда изменение коллекторного тока вызовет изменение напряжения тем большее, чем больше сопротивление нагрузки.

Такая схема включения транзистора используется довольно редко. Чаще применяется схема с общим эмиттером, в которой отпирающее напряжение подается на базу (рис. 3). Как и в предыдущей схеме, происходит отпирание перехода эмиттер – база, и эмиттер испускает носители заряда – электроны. Однако, в данной схеме ток коллектора зависит от тока базы – чем больше ток базы, тем больше ток коллектора. Если в цепь базы включить источник сигнала, то такой же сигнал, но уже значительно усиленный выделится на резисторе нагрузки R_Н в коллекторе цепи. Именно так построены простейшие транзисторные усилители аналоговых сигналов.

		Рис. 3. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Однако, подобным образом можно строить и цепи с релейным управлением, в которых с помощью транзистора можно подобно дискретному реле включать или выключать большую нагрузку при управлении малыми токами и напряжениями (рис. 4).

Если ресурс работы электромагнитного реле ограничен износостойкостью контактов, то срок службы транзисторного реле практически ничем не ограничен.

Полевой (униполярный) транзистор был разработан Уильямом Шокли, а свое название «полевой» он получил от электрического поля, принимающего непосредственное участие в работе этого прибора.

При изготовлении полевого транзистора на поверхности чистого полупроводника с помощью примесей формируют токопроводящий канал p - или n - типа (рис. 5). От концов канала сделаны выводы, называемые истоком (аналог эмиттера) и стоком (аналог коллектора). В середине канала его сечение уменьшается, и в этом месте сделан еще один вывод – затвор. Проводимость затвора противоположна проводимости канала, на него подают запирающее напряжение смещения, и ток через затвор отсутствует. В некоторых конструкциях затвор вообще изолирован от канала тончайшим (доли микрометра) слоем диэлектрика.

Когда на сток подано напряжение питания, через канал проходит некоторый ток, обусловленный движением носителей-электронов (в канале n ‑типа) или дырок (в канале p -типа). Запирающее поле затвора сужает канал, увеличивает его сопротивление. Чем больше запирающее напряжение U _З на затворе, тем меньше становится эффективное сечение канала, по которому движутся носители тока, общий ток стока при этом уменьшается. При напряжении на затворе, равном U _ОТС (напряжение отсечки), ток стока прекращается полностью (рис. 6).

	Рис. 6. Изменение тока через полевой транзистор при изменении напряжения на затворе: а – ток есть, б – тока нет, переход заперт

Важным достоинством полевого транзистора является его исключительно высокое входное сопротивление, т.к. электрическая цепь затвора никакого тока практически не потребляет (в этом есть сходство с электронной лампой).

Схема включения полевых транзисторов не отличается от схемы включения биполярных (рис. 7).

Последние конструкции этих транзисторов чрезвычайно экономичны и широко используются как в радио, так и в цифровых интегральных микросхемах.

Внешний вид некоторых типов транзисторов показан на рис. 8.

У полевых транзисторов, конструкция которых, в частности, напоминает тип, изображенный на рис. 8 а, имеется четыре вывода. Четвертый вывод – масса (припаян к металлическому корпусу транзистора). Это необходимо в связи с тем, что полевые транзисторы очень чувствительны к статическому электричеству, и в состоянии поставки все три активных вывода замкнуты на массу.

В технике широко применяются транзисторные сборки. Они представляют собой единый корпус, в котором размещены несколько (иногда десятки) транзисторов. Внешне такие сборки похожи на интегральные микросхемы.

Мощные транзисторы (например, в и г на рис. 8) имеют конструктивные элементы (например, отверстия) для установки на них радиаторов охлаждения во избежание перегрева во время работы.

Контрольные вопросы

1. Что такое транзистор, и для чего он используется?
2. Как классифицируются транзисторы?
3. Какие преимущества имеют транзисторы по сравнению с радиолампами?
4. Как обозначаются транзисторы отечественного производства?
5. Нарисуйте схему включения транзистора с общим эмиттером и поясните его работу.
6. Как устроен полевой транзистор, и как он работает?
7. Для чего на транзисторы устанавливаются радиаторы?

Дата добавления: 2014-10-31