Russian Arabic English French German Hungarian Japanese Romanian Turkish Ukrainian

Транзисторы

Одним из значительных изобретений XX века по праву считается изобретение транзистора, пришедшего на замену электронным лампам.История транзистора

Долгое время лампы были единственным активным компонентом всех радиоэлектронных устройств, хотя и имели множество недостатков. Прежде всего, это большая потребляемая мощность, большие габариты, малый срок службы и малая механическая прочность. Эти недостатки все острее ощущались по мере усовершенствования и усложнения электронной аппаратуры.

Революционный переворот в радиотехнике произошел, когда на смену устаревшим лампам пришли полупроводниковые усилительные приборы – транзисторы, лишенные всех упомянутых недостатков.

Первый работоспособный транзистор появился на свет в 1947 году, благодаря стараниям сотрудников американской фирмы Bell Telephone Laboratories. Их имена теперь известны всему миру. Это ученые – физики У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтен. Уже в 1956 году за это изобретение все трое были удостоены нобелевской премии по физике.

Но, как и многие великие изобретения, транзистор был замечен не сразу. Лишь в одной из американских газет было упомянуто, что фирма Bell Telephone Laboratories продемонстрировала созданный ею прибор под названием транзистор. Там же было сказано, что его можно использовать в некоторых областях электротехники вместо электронных ламп.

Показанный транзистор имел форму маленького металлического цилиндрика длиной 13 мм и демонстрировался в приемнике, не имевшем электронных ламп. Ко всему прочему, фирма уверяла, что прибор может использоваться не только для усиления, но и для генерации или преобразования электрического сигнала.

Первый транзистор

Рис. 1. Первый транзистор

Первый транзистор

Рис. 2. Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн. За сотрудничество в разработке первого в мире действующего транзистора в 1948 году они разделили Нобелевскую премию 1956 года.

Но возможности транзистора, как, впрочем, и многих других великих открытий, были поняты и оценены не сразу. Чтобы вызвать интерес к новому прибору, фирма Bell усиленно рекламировала его на семинарах и в статьях, и предоставляла всем желающим лицензии на его производство.

Производители электронных ламп не видели в транзисторе серьезного конкурента, ведь нельзя было так сразу, одним махом, сбросить со счетов тридцатилетнюю историю производства ламп нескольких сотен конструкций, и многомиллионные денежные вложения в их развитие и производство. Поэтому транзистор вошел в электронику не так быстро, поскольку эпоха электронных ламп еще продолжалась.

Транзистор и электронная лампа

Рис. 3. Транзистор и электронная лампа

С давних времен в электротехнике использовались в основном два вида материалов – проводники и диэлектрики (изоляторы). Способностью проводить ток обладают металлы, растворы солей, некоторые газы. Эта способность обусловлена наличием в проводниках свободных носителей заряда – электронов. В проводниках электроны достаточно легко отрываются от атома, но для передачи электрической энергии наиболее пригодны те металлы, которые обладают низким сопротивлением (медь, алюминий, серебро, золото).

К изоляторам относятся вещества с высоким сопротивлением, у них электроны очень крепко связаны с атомом. Это фарфор, стекло, резина, керамика, пластик. Поэтому свободных зарядов в этих веществах нет, а значит нет и электрического тока.

Здесь уместно вспомнить формулировку из учебников физики, что электрический ток это есть направленное движение электрически заряженных частиц под действием электрического поля. В изоляторах двигаться под действием электрического поля просто нечему.

Однако, в процессе исследования электрических явлений в различных материалах некоторым исследователям удавалось «нащупать» полупроводниковые эффекты. Например, первый кристаллический детектор (диод) создал в 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун на основе контакта свинца и пирита. (Пирит – железный колчедан, при ударе о кресало высекается искра, отчего и получил название от греческого «пир» - огонь). Позднее этот детектор с успехом заменил когерер в первых приемниках, что значительно повысило их чувствительность.

В 1907 году Беддекер, исследуя проводимость йодистой меди обнаружил, что ее проводимость возрастает в 24 раза при наличии примеси йода, хотя сам йод проводником не является. Но все это были случайные открытия, которым не могли дать научного обоснования. Систематическое изучение полупроводников началось лишь в 1920 - 1930 годы.

Большой вклад в изучение полупроводников внес советский ученый сотрудник знаменитой Нижегородской радиолаборатории О.В. Лосев. Он вошел в историю в первую очередь как изобретатель кристадина (генератор колебаний и усилитель на основе диода) и светодиода.

На заре производства транзисторов основным полупроводником являлся германий (Ge). В плане энергозатрат он весьма экономичен, напряжение отпирания его pn – перехода составляет всего 0,1…0,3В, но вот многие параметры нестабильны, поэтому на замену ему пришел кремний (Si).

Температура, при которой работоспособны германиевые транзисторы не более 60 градусов, в то время, как кремниевые транзисторы могут продолжать работать при 150. Кремний, как полупроводник, превосходит германий и по другим свойствам, прежде всего по частотным.

Кроме того, запасы кремния (обычный песок на пляже) в природе безграничны, а технология его очистки и обработки проще и дешевле, нежели редкого в природе элемента германия. Первый кремниевый транзистор появился вскоре после первого германиевого - в 1954 году.

Полупроводниковые транзисторы делятся на биполярные и полевые.
Биполярные транзисторы представляют собой трехслойную структуру из полупроводников с разной проводимостью, условно обозначаемых: n-p-n и p-n-p.

В отличии от биполярных, полевые транзисторы управляются не током, а напряжением.

 Схематическое изображение биполярного транзистора типа р-n-р

Эмиттер (Э) – это область с высокой концентрацией положительных носителей заряда-дырок,база (Б) - тонкая область между эмиттером и коллектором (К). Переход, который образуется на границе областей эмиттер-база, называют эмиттерным, а на границе база-коллектор – коллекторным. Площадь коллекторного перехода в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.

Классификация биполярны тханзисторов производится по материалу полупроводника (германиевые, кремниевые, на основе арсенида галлия), по порядку следования областей (р-п-р и п-р-п – транзисторы), по механизму движения неосновных носителей заряда в базе (дрейфовые и диффузионные), по мощности (малой, средней и большой) и по частоте (низкой, средней, высокой и сверхвысокой частоты).

Принцип действия транзистора рассмотрим на примере биполярного транзистора р-п-р типа. С приложением к эмиттерно - базовому переходу прямого напряжения происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. Ввиду того, что эмиттер легирован много сильнее базы, поток инжектированных дырок будет намного превышать поток электронов. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться к коллекторному переходу и почти все дырки (за исключением успевших рекомбинировать в тонком базовом промежутке) достигнут коллектора. Возникающий при этом коллекторный ток лишь немного меньше тока эмиттера .  Поскольку дырки в области базы являются неосновными носителями заряда часто говорят, транзистор работает на неосновных носителях заряда, кроме того, наличие двух источников смещения переходов объясняет происхождение термина «биполярный». Т.к. коллекторный переход смещён в обратном направлении, то его сопротивление на несколько порядков выше сопротивления эмиттерного перехода. При включении в цепь коллектора нагрузочного сопротивления относительно малое изменение напряжения на эмиттере будет вызывать большое изменение напряжения на сопротивлении нагрузки. Таким образом, в результате различия входного и выходного напряжений транзистор даёт усиление по мощности. В зависимости от сочетаний величин и полярности напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах транзистор может работать в области отсечки, активной области и области насыщения. Область отсечки характеризуется обратным смещением на обоих переходах, активная область – прямым смещением на одном переходе и обратным на другом; область насыщения – прямым смещением на обоих переходах. Кроме того, при различном сочетании напряжений, транзистор может работать в прямом (нормальном) и в обратном (инверсном) включениях. В последнем случае эмиттер служит коллектором, а коллектор – эмиттером. В режиме усиления при малых сигналах транзистор работает только в активной области, а при больших сигналах – в области отсечки и в активной области. В режиме переключения транзистор работает во всех трёх областях – активной, отсечки и насыщения.

В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК)

 Основные схемы включения транзистора:

с общей базой

с общей базой (ОБ);

с общим эмиттером

с общим эмиттером (ОЭ);

с общим коллектором

с общим коллектором (ОК)

Для схемы с ОБ входной ток – , а выходной – . В схеме с ОЭ входным током является ток базы, выходным – , а в схеме с ОК входной ток – ток базы, а выходной – .

Принцип работы транзистора для всех схем включения одинаков.

 

Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика