Как работает транзистор? ну очень доступное видео-объяснение

Какова роль тока базы?

Как же заставить работать наш электронный прибор? Принцип действия транзистора заключается во влиянии тока базы на состояние закрытого перехода база-коллектор. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, небольшой ток будет поступать в базу. Здесь его носителями являются положительно заряженные дырки. Они комбинируются с электронами, поступающими из эмиттера, обеспечивая ток I_BE. Однако вследствие того, что эмиттер очень сильно легирован, гораздо больше электронов поступает из него в базу, чем способно соединиться с дырками. Это означает, что возникает большая концентрация электронов в базе, и большинство из них пересекает ее и попадает в обедненный электронами слой коллектора. Здесь они попадают под влияние сильного электрического поля, приложенного к переходу база-коллектор, проходят через обедненный электронами слой и основной объем коллектора к его выводу.

Изменения тока, втекающего в базу, влияют на количество привлеченных от эмиттера электронов. Таким образом, принципы работы транзистора могут быть дополнены следующим утверждением: очень небольшие изменения в базовом токе вызывают очень большие изменения в токе, протекающем от эмиттера к коллектору, т.е. происходит усиление тока.

Принцип работы прибора

Транзистор – это полупроводниковое устройство, предназначенное для усиления электрического сигнала. Благодаря особой структуре кристаллической решетки и полупроводниковым свойствам это устройство способно увеличивать амплитуду протекающего тока.

Полупроводники – это вещества, способные проводить ток, а также препятствовать его прохождению. Наиболее важные их представители – кремний и германий. Есть два типа полупроводников:

1. Электронный.
2. Отверстие.

В полупроводниках электрический ток возникает из-за недостатка или избытка свободных электронов. Например, кристаллическая решетка атома состоит из трех электронов. Однако если ввести в это вещество атом, состоящий из четырех электронов, один будет лишним. Это свободный электрон. Соответственно, чем больше таких электронов, тем ближе это вещество по своим свойствам к металлу. Это означает, что проводимость тока больше. Такие полупроводники называют электронными.

Теперь поговорим о дырявых. Для их создания в вещество, кристаллическая решетка которого содержит больше атомов, вводятся атомы другого вещества. В результате в нашем полупроводнике меньше электронов. Для электронов образуются вакансии. Валентные связи разрываются, когда электроны стремятся занять эти пустые места. Также будем называть их дырами.

Электроны постоянно стремятся заполнить дыру и, начав движение, образуют новую дырку. Абсолютно все электроны имеют такое поведение. Их движение происходит в полупроводнике, а значит, начинает проводиться ток. Такие полупроводники называются дырочными полупроводниками.

Таким образом, вводя недостаток или избыток электронов в кремний или германий, мы облегчаем их движение. Получается тока. Транзисторы состоят из соединений этих полупроводников по определенному принципу. С их помощью можно управлять протекающими токами и другими параметрами электрических сигналов.

Виды транзисторов

Существует несколько видов транзисторов. Их около четырёх. Однако основные из них это:

• Полевые.
• Биполярные.

Остальные виды собираются из полевых и биполярных. Рассмотрим более подробно каждый вид.

Полевые

Суть этого прибора заключается в управлении параметрами электрического сигнала с помощью электрического поля. Оно появляется при подаче напряжения к какому-либо из выводов:

1. Затвор нужен для регулирования параметров сигнала, благодаря подаче напряжения на него.
2. Сток — вывод, через который из канала уходят носители заряда (дырки и электроны).
3. Исток — вывод, через который в канал приходят электроны и дырки.

Такой транзистор состоит из полупроводника с определённой проводимостью и двух областей, помещённых в него с противоположной проводимостью. При подаче напряжения на затвор между этими двумя областями появляется пространство, через которое протекает ток. Это пространство называется каналом. Ширина этого канала регулируется напряжением, которое мы подаём на затвор. Соответственно, можно увеличивать и уменьшать ширину канала и управлять протекающим током.

Теперь поговорим о приборе с изолированным затвором. Разница в том, что в первом случае этот переход есть всегда, даже когда на затвор не подавалось напряжение. А при его подаче, переход и токопроводящий канал менялись в зависимости от полярности и амплитуды напряжения. Металлический затвор в таких транзисторах изолирован диэлектриком от полупроводниковой области. Их входное сопротивление гораздо больше.

Существует два вида приборов с изолированным затвором:

• Со встроенным каналом.
• С индуцированным каналом.

Встроенный канал позволяет протекать электрическому току с определённой амплитудой. При подаче напряжения с определённой амплитудой и полярностью мы можем менять ширину канала и его проводимость. Этот канал встраивается в транзисторы на производственных предприятиях.

Индуцированный канал появляется между двумя областями, о которых мы говорили выше, только при подаче напряжения определённой полярности на затвор. То есть, когда на затвор напряжение не подаётся, ток в нем не протекает.

Все виды полевых транзисторов отличаются друг от друга по следующим параметрам:

1. Входное сопротивление.
2. Амплитуда напряжения, которое необходимо подать на затвор.
3. Полярность.

Каждый из этих видов полевых транзисторов необходим для сборки определённых электрических и логических схем. Так как для реализации двух разных устройств необходимо разные электрические параметры.

Биполярные

Слово «биполярные» означает две полярности. То есть, такие приборы имеют две полярности, благодаря особенностям своего строения. Особенность их строения заключается в том, что они состоят из трёх полупроводниковых областей. Типы проводимости бывают следующими:

1. Электронная, далее n.
2. Дырочная, далее p.

Соответственно, можно сделать вывод, что существует два вида биполярных транзисторов:

• pnp;
• npn.

Разница между ними заключается в том, что для корректной работы необходимо подавать напряжение разной полярности. К каждой из трёх полупроводниковых областей подключено по одному выводу. Всего их три:

1. База — центральный слой. Он является самым тонким. На выводе базы находится управляющий ток с небольшой амплитудой.
2. Коллектор — один из крайних слоёв. Он является самым широким. На него подаётся ток с большой амплитудой.
3. Эмиттер — вывод, на который подаётся ток с коллектора. На его выходе амплитуда тока немного больше, чем на входе.

Существует три схемы подключения биполярных транзисторов:

1. С общим эмиттером — входной сигнал подаётся на базу, а выходной снимается с коллектора.
2. С общим коллектором — входной сигнал подаётся на базу, а снимается с эмиттера.
3. С общей базой — входной сигнал подаётся на эмиттер, а снимается с коллектора.

Благодаря нескольким электронно-дырочным переходам, образующимся в биполярном транзисторе, можно управлять параметрами электрического сигнала. Полярность и амплитуда подаваемого напряжения зависят от типа биполярного транзистора.

Как выбрать MOSFET-транзистор

В приведенном выше примере используется N-канальный полевой транзистор. Полевые транзисторы с P-каналом работают так же, только ток течет в противоположном направлении, а напряжение затвор-исток должно быть отрицательным.

На выбор доступны тысячи различных полевых транзисторов. Но если вы хотите построить схему, приведенную выше, то вы можете применить BS170 или IRF510.

При выборе полевого транзистора следует учитывать две вещи:

1. Пороговое напряжение затвор-исток. Для включения транзистора требуется более высокое напряжение.
2. Непрерывный ток стока. Это максимальный ток, который может протекать через транзистор.

Есть и другие важные параметры, о которых следует помнить, в зависимости от области применения. Но это выходит за рамки данной статьи. Помните об этих двух параметрах, и у вас будет хорошая отправная точка.

Электронно-дырочный переход

Основа работы прибора заключается в способности n-p перехода пропускать ток в одну сторону. При подаче напряжения на одном переходе возникает его прямое падение, а на другом обратное. Зона перехода с прямым напряжением обладает малым сопротивлением, а с обратным — большим. Между базой и эмиттером протекает небольшой ток управления. От значения этого тока изменяется сопротивление между коллектором и эмиттером. Биполярный прибор бывает двух типов:

• p-n-p;
• n-p-n.

Отличие заключается лишь в основных носителях заряда, т. е. направлении тока.

Если соединить два полупроводника разного типа между собой, то на границе соединения возникает область или, как принято называть, p-n переход. Тип проводимости зависит от атомного строения материала, а именно насколько прочны связи в материале. Атомы в полупроводнике располагаются в виде решётки, и сам по себе такой материал не является проводником. Но если в решётку добавить атомы другого материала, то физические свойства полупроводника изменяются. Примешанные атомы образовывают, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки.

Образованные свободные электроны формируют отрицательный заряд, а дырки — положительный. В области перехода существует потенциальный барьер. Он образуется контактной разностью потенциалов, и его высота не превышает десятые доли вольта, препятствуя протеканию носителей заряда вглубь материала. Если переход находится под прямым напряжением, то величина потенциального барьера уменьшается, а величина проходящего через него тока увеличивается. При прикладывании обратного напряжения, величина барьера увеличивается и сопротивление барьера прохождению тока возрастает. Понимая работу p-n перехода, можно разобраться, как устроен транзистор.

Основные схемы включения фототранзистора

Схема усилителя с общим эмиттером

В данном случае формируется выходной сигнал, который переходит из высокого состояния в низкое в момент освещения фототранзистора.

Данная схема получается путем подключения резистора между источником питания и коллектором фототранзистора. Выходное напряжение снимается с коллектора.

Схема усилителя с общим коллектором

Усилитель с общим коллектором формирует выходной сигнал, который при освещении фототранзистора, переходит из низкого состояния в высокое состояние.

Схема создается путем подключения резистора между эмиттером и минусом источника питания (земля). Выходной сигнал снимается с эмиттера.

В обоих случаях фототранзистор может быть использован в двух режимах, в активном режиме и в режиме переключения.

• Работа в активном режиме означает, что фототранзистор генерирует выходной сигнал пропорциональный степени его освещенности. Когда количество света превышает определенный уровень, фототранзистор насыщается, и выходной сигнал уже не будет увеличиваться, даже при дальнейшем увеличении освещения. Этот режим работы фототранзистора полезен в устройствах, где необходимо различить для сравнения два порога освещенности.
• Работа в режиме переключения означает, что фототранзистор в ответ на его освещение будет либо «выключен» (отсечка), либо включен (насыщенные). Этот режим полезен, когда необходимо получить цифровой выходной сигнал.

Изменяя сопротивление резистора нагрузки в цепи усилителя, можно выбрать один из двух режимов работы. Необходимое значение резистора может быть определено с помощью следующих уравнений:

• Активный режим: Vcc> R х I
• Переключатель режима: Vcc

Для работы в режиме переключения обычно используют резистор сопротивлением 5 кОм или выше. Выходное напряжение высокого уровня (лог.1) в режиме переключения будет равно напряжению питания. Выход низкого уровня (лог.0) должно быть не более 0,8 вольт.

Применение транзисторов в жизни

Транзисторы применяются в очень многих технических устройствах. Самые яркие примеры:

1. Усилительные схемы.
2. Генераторы сигналов.
3. Электронные ключи.

Во всех устройствах связи усиление сигнала необходимо. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, довольно часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала недостаточно для корректной работы устройства. Информация передаётся с помощью электрических сигналов. Чтобы доставка была гарантированной и качество информации высоким, нам необходимо усиливать сигналы.

Транзисторы способны влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора.

Электронные ключи нужны для управления силой тока в цепи. В состав этих ключей входит множество транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов схем. На их основе работают компьютеры, телевизоры и другие электрические приборы, без которых в современной жизни не обойтись.

Основные характеристики

Главная особенность всех типов транзисторов – возможность управлять сильным током небольшим. Их отчет показывает, насколько эффективным является полупроводниковый прибор.

В биполярных транзисторах это называется статическим коэффициентом передачи базового тока. Он характеризует, во сколько раз ток главного коллектора больше, чем вызвавший его базовый ток. Этот параметр имеет очень большое значение и может достигать 800.

Для полевых транзисторов параметр подобного типа называется крутизной входной характеристики или проводимостью прямого переноса тока. Короче говоря, он показывает, насколько изменится напряжение, проходящее через канал, если вы измените напряжение затвора на 1 В.

Если на транзистор подать сигнал определенной частоты, он многократно усилит его. Это свойство полупроводниковых приборов используется в электронике. Однако существует предел усиления частоты, за которым триод больше не может усиливать сигнал.

Еще одна важная особенность транзистора – максимально допустимая рассеиваемая мощность. Дело в том, что при работе любого электрического устройства выделяется тепло. Чем он больше, тем больше значения тока и напряжения в цепи.

Отводится несколькими способами: с помощью специальных радиаторов, принудительного обдува и других. Таким образом, существует определенный предел количества тепла для каждого триода (оно отличается для каждого), которое он может рассеять в пространстве. Поэтому при выборе устройства исходят из характеристик электрической цепи, на которой предполагается установить транзистор.

Цветовая и цифровая маркировка

Транзисторы, как и другие радиокомпоненты, маркируют с помощью цветового кода. Цветовой код состоит из изображения геометрических фигур (треугольников, квадратов, прямоугольников и др.), цветных точек и латинских букв.

Код наносится на плоских частях, крышке и других местах транзистора. По нему можно узнать тип транзистора, месяц и год изготовления. Места маркировки и расшифровка цветовых кодов некоторых типов транзисторов приведены на рис. 2…3 и в табл. 1…4. Практикуется также маркировка некоторых типов транзисторов цифровым кодом (табл. 4).

Таблица 1. Цветовая и кодовая маркировки маломощных среднечастотных и высокочастотных транзисторов.

Тип транзистора	Группы транзисторов	Месяц выпуска	Год выпуска
Обозначение	Маркировка	Обозначение	Маркировка	Обозначение	Маркировка	Обозначение	Маркировка
				ян в.	бежевая
		А	розовая	фев.	синяя	1977	бежевая
		Б	желтая	март	зеленая	1978	еалатовая
		В	синяя	апр.	красная	1979	оранжевая
		Г	бежевая	май	еалатовая	1980	электрик
		Д	оранжевая	июнь	серая	1981	бирюзовая
КТ3107	голубая	Е	электрик	июль	коричневая	1982	белая
		Ж	еалатовая	авг.	оранжевая	1983	красная
		И	зеленая	сент.	электрик	1984	коричневая
		К	красная	окт.	белая	1985	зеленая
		Л	серая	ноябр.	желтая	1986	голубая
				декаб.	голубая

Таблица 2.  Цветовая маркировка транзистора КТ3107 .

Рис. 2. Места цветовой и кодовой маркировки маломощных среднечастотных и высокочастотных транзисторов в корпусе КТ-26 (ТО-92).

Рис. 3. Места цветовой маркировки транзистора КТ3107 в корпусе КТ-26 (ТО-92).

Рис. 4. Места кодовой маркировки транзисторов в корпусе КТ-27 (ТО-126).

Таблица 3.  Цветовая и кодовая маркировки транзисторов.

Код	Тип
4	КТ814
5	КТ815
6	КТ816
7	КТ817
8	КТ683
9	КТ9115
12	К.У112
40	КТ940

Год выпуска	Код	Месяц выпуска	Код
1986	и	Январь	1
1987	V	Февраль	2
1988	W	Март	3
1989	X	Апрель	4
1990	А	Май	5
1991	В	Июнь	6
1992	С	Июль	7
1993	D	Август	8
1994	Е	Сентябрь	9
1995	F	Октябрь
1996	Н	Ноябрь	N
1997	1	Декабрь	D
1998	К	—	—
1999	L	—	—
2000	М	—	—

Таблица 4. Кодовая маркировка мощных транзисторов.

Как работает транзистор?

Чтобы все было предельно ясно, рассмотрим работу биполярного транзистора (самый популярный вид).

Биполярный транзистор (далее – просто транзистор) представляет собой кристалл полупроводника (чаще всего используется кремний или германий), разделенный на три зоны с разной электропроводностью. Зоны называются соответственно коллектором, базой и эмиттером. Устройство транзистора и его схематическое изображение показаны на рисунке ни же

Разделяют транзисторы прямой и обратной проводимости. Транзисторы p-n-p называются транзисторами с прямой проводимостью, а транзисторы n-p-n – с обратной.

Теперь о том, какие есть два режима работы транзисторов. Сама работа транзистора похожа на работу водопроводного крана или вентиля. Только вместо воды – электрический ток. Возможны два состояния транзистора – рабочее (транзистор открыт) и состояние покоя (транзистор закрыт).

Что это значит? Когда транзистор закрыт, через него не течет ток. В открытом состоянии, когда на базу подается малый управляющий ток, транзистор открывается, и большой ток начинает течь через эмиттер-коллектор.

Как выбрать MOSFET-транзистор

В приведенном выше примере используется N-канальный полевой транзистор. Полевые транзисторы с P-каналом работают так же, только ток течет в противоположном направлении, а напряжение затвор-исток должно быть отрицательным.

На выбор доступны тысячи различных полевых транзисторов. Но если вы хотите построить схему, приведенную выше, то вы можете применить BS170 или IRF510.

При выборе полевого транзистора следует учитывать две вещи:

1. Пороговое напряжение затвор-исток. Для включения транзистора требуется более высокое напряжение.
2. Непрерывный ток стока. Это максимальный ток, который может протекать через транзистор.

Есть и другие важные параметры, о которых следует помнить, в зависимости от области применения. Но это выходит за рамки данной статьи. Помните об этих двух параметрах, и у вас будет хорошая отправная точка.

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.

Комбинированные транзисторы

Гибрид полевого и биполярного устройства обладает положительными чертами двух приборов. Суть с том, что биполярный транзистор большой мощности управляется полевым. Большую нагрузку можно изменять, используя малую мощность, т. к. регулирующий импульс подается на затвор устройства полевого типа.

Внутреннее строение комбинированных транзисторов — каскадное подсоединение двух входных ключей для регулировки конечного плюса. При подаче положительного вольтажа с истока на затвор начинает работать полевой тип, возникает канал передачи между истоком и стоком.

Перемещение зарядных носителей между участками p-n переходов включает биполярное устройство, поэтому происходит перемещение электротока к коллектору от эмиттера.

Схемы включения полевых транзисторов

 Сфера применения полевых транзисторов та же, что и у биполярных. В основном они применяются в качестве усилительных элементов. Биполярные триоды при применении в усилительных каскадах имеют три основные схемы включения:

• с общим коллектором (эмиттерный повторитель);
• с общей базой;
• с общим эмиттером.

Полевые транзисторы включаются подобными способами.

Схема с общим стоком

Схема с общим стоком (истоковый повторитель), так же, как и эмиттерный повторитель на биполярном триоде, усиления по напряжению не дает, но предполагает усиление по току.

Достоинством схемы является высокое входное сопротивление, оно же в некоторых случаях является недостатком – каскад становится чувствительным к электромагнитным помехам. При необходимости Rвх можно уменьшить включением резистора R3.

Схема с общим затвором

Эта схема подобна схеме включения биполярного транзистора с общей базой. Эта схема дает хорошее усиление по напряжению, но усиление по току отсутствует. Как и включение с общей базой, такой вариант применяется нечасто.

Схема с общим истоком

Наиболее распространена схема включения полевых триодов с общим истоком. Её коэффициент усиления зависит от соотношения сопротивления Rс к сопротивлению в цепи стока (для регулировки усиления в цепи стока может быть установлен дополнительный резистор), а также зависит от крутизны характеристики транзистора.

Также полевые транзисторы используются в качестве управляемого сопротивления. Для этого рабочая точка выбирается в пределах линейного участка. По этому принципу можно реализовать управляемый делитель напряжения. А на двухзатворном триоде в таком режиме можно реализовать, например, смеситель для приёмной аппаратуры – на один затвор подается принимаемый сигнал, а на другой – сигнал с гетеродина.

Если принять теорию о том, что история развивается по спирали, можно увидеть закономерность в развитии электроники. Уйдя от ламп, управляемых напряжением, технологии пришли к биполярным транзисторам, которым для управления нужен ток. Спираль сделала полный виток – сейчас наблюдается доминирование униполярных триодов, не требующих, как и лампы, расхода мощности в цепях управления. Куда дальше выведет циклическая кривая – будет видно. Пока альтернативы полевым транзисторам не наблюдается.

Как работает транзистор и где используется?

Что такое биполярный транзистор и какие схемы включения существуют

Назначение, характеристики и аналоги транзистора 13001

Что такое тиристор, как он работает, виды тиристоров и описание основных характеристик

Что такое термистор, их разновидности, принцип работы и способы проверки на работоспособность

Что такое электромагнитное реле, их виды и принцип работы

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.