В этих книгах описаны различные средства программируемой электроники. Конечно, в основе каждой программируемой схемы лежит транзистор. Благодаря этим книгам у вас появятся не только новые знания о транзисторах, но и навыки, приносящие доход.
Биполярные транзисторы. For dummies
Поскольку проблема транзисторов настолько широка, есть две статьи для биполярных транзисторов и одна для полевых транзисторов.
Транзисторы, как и диоды, основаны на явлении P-N. Желающие вспомнить физику этого явления могут сделать это здесь или здесь.
Теперь, когда необходимые объяснения даны, давайте разберемся с проблемой.
Транзисторы. Определение и история
Транзистор — это электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в двухэлектродной цепи управляется третьим электродом. (tranzistors.com)
Первым был изобретен полевой транзистор (1928 год), а биполярный транзистор был изобретен в Bell Labs в 1947 году. И это была, без преувеличения, революция в электронике.
Вскоре транзисторы заменили вакуумные лампы в широком спектре электронных устройств. В результате эти устройства стали более надежными и значительно уменьшились в размерах. До сих пор, каким бы «умным» ни был чип, он содержит множество транзисторов (диодов, конденсаторов, резисторов и т.д.). Они просто очень маленькие.
Кстати, «транзисторы» изначально называются резисторами, сопротивление которых изменяется в зависимости от величины приложенного напряжения. В дополнение к физике процесса, современные транзисторы также можно представить как резисторы в соответствии с приложенным сигналом.
В чем разница между полевым транзистором и биполярным транзистором? Ответ кроется в самом названии. В биполярном транзисторе в переносе грузов участвуют как электроны, так и дырки («bis» — дважды). В полевых транзисторах (также называемых монопольными транзисторами) есть либо электроны, либо дырки.
Эти типы транзисторов также имеют различные применения. Биполярные транзисторы в основном используются в аналоговой технологии, а полевые транзисторы — в цифровой.
И, наконец, основное применение каждого транзистора — усиление слабых сигналов с помощью вспомогательной мощности.
Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики
Биполярные транзисторы состоят из трех областей, широкополосной, базовой и коллекторной, каждая из которых находится под напряжением. В зависимости от типа проводимости этих областей выделяют N-P-N и P-N транзисторы. Область коллектора обычно шире, чем область разряда. Основа изготовлена из низколегированных полупроводников (дающих высокое сопротивление) и очень тонкая. Площадь контакта эмиттера намного меньше площади сбора базы, поэтому изменение полярности не может заменить эмиттер и коллектор. Поэтому транзисторы имеют несимметричное расположение.
Прежде чем рассматривать физику транзистора, давайте обсудим общую проблему.
Действует следующее: большой ток протекает между разрядом и коллектором (ток коллектора), а малый управляющий ток протекает между разрядом и базой (ток базы). Ток коллектора изменяется в зависимости от тока базы. Почему; рассмотрим контакты P-N транзистора. Их два: базисно-эвазивный (EB) и базисный (BC). Если транзистор находится в активном режиме, то первый связан с правильной поляризацией, а второй — с обратной. Как насчет контактов P-N? Для определенности рассматриваются N-N транзисторы. В случае P-N-P все то же самое, только слово «электрон» нужно заменить на «дырка».
Благодаря открытому контакту EB электроны могут легко «убегать» в базу. Там они частично рекомбинируют с дыркой, но большинство из них могут достичь соединения база-коллектор из-за малой толщины базы и слабого легирования. Как мы помним, он становится активным при обратной поляризации. А поскольку электроны в основании являются носителями заряда, не принадлежащими основанию, электрическое поле соединения помогает им преодолеть его. Поэтому ток коллектора немного меньше тока эмиттера. Теперь посмотрите на свою руку. При увеличении тока базы контакт EB размыкается, и между эмиттером и коллектором проходит больше электронов. Это изменение также очень заметно, поскольку ток коллектора изначально больше тока базы. Это усиливает слабый сигнал, достигающий базы. Опять же, сильное изменение тока коллектора является отражением соответствующего слабого изменения тока базы.
Помню, как одноклассник объяснял принцип работы биполярных транзисторов на примере крана. Вода в нем — это коллекторный и базовый токи, которые управляют тем, насколько сильно повернута ручка. Достаточно приложить небольшое усилие (управляющее воздействие), чтобы увеличить поток воды из крана.
Помимо рассматриваемого процесса, на p-n контакте транзистора могут происходить различные другие явления. Например, внезапное увеличение напряжения на соединении база-коллектор может инициировать лавинное умножение нагрузки из-за столкновительной ионизации. Это, в сочетании с туннельным эффектом, вызывает сначала электрический пробой, а затем (по мере увеличения тока) тепловой пробой. Однако тепловой пробой транзистора может происходить и без электрического пробоя (т.е. без увеличения коллекторного напряжения до напряжения пробоя). Достаточно простого перенапряжения через коллектор.
Другое явление заключается в том, что напряжение соединения коллектора с эмиттером изменяется в зависимости от толщины. Если основание слишком тонкое, может возникнуть эффект стягивания (известный как перфорация основания). Это означает, что контакты коллектора соединены с контактами эмиттера. В этом случае область базы исчезает, и транзистор не работает должным образом.
Кроме того, размер базы транзистора намного меньше, чем размер коллектора или эмиттера. База только открывает транзистор. И он не должен быть большим, чтобы ток утекал и чтобы на него не тратилось много энергии.
Для чего нужны транзисторы и как они работают
Транзисторы являются основой всей цифровой электроники 21 века. Они выполняют самые разнообразные функции. Они являются преемниками и наследниками так называемого вакуумного триода, лампочки. В этой статье будут рассмотрены простые примеры, иллюстрирующие концепцию, принцип работы и применение транзисторов в электронике.
Что такое концепция? Это общее представление об объекте или процессе. Например, концепция автомобиля — это четыре колеса, руль, кузов, двигатель и коробка передач. Хотя концепция одна и та же, автомобили имеют разный дизайн, конструкцию и назначение.
Транзисторы, как и вакуумные триоды, имеют очень простую концепцию и принцип работы.
Triodus — это деталь с тремя контактами.
Представьте себе резервуар для воды с клапаном посередине.
Что вы можете сделать с потоком воды? Она может управляться с помощью задвижки.
Например, если вода поступает в бак, а в баке нет клапана, вода течет беспрепятственно.
В то же время, если проход полностью перекрыт клапаном, вода также не попадет во вторую виртуальную часть резервуара, и поток прекратится.
Регулируя клапан, можно также полностью контролировать поток воды.
Большим объемом потока воды можно управлять с помощью небольшого клапана. Небольшое колебание (движение) затвора заставляет большой объем воды течь с той же частотой.
И в этом смысл транзисторов и вакуумных триодов. С их помощью можно управлять большими токами без особых усилий.
В то же время, однако, транзисторы могут быть установлены по-разному.
Полевые транзисторы
Приведенный выше пример — это полевой транзистор. Простейшие полевые транзисторы имеют сток, исток и затвор.
Транзисторы изготавливаются из полупроводникового материала. Поэтому они имеют второе название — полупроводниковый триод.
Полупроводники могут быть использованы для создания p-n соединений.
Каждый транзистор состоит из p-n-перехода, проводящего ток в одном направлении. Это соединение позволяет управлять электричеством, как ворота.
Полевые транзисторы управляются напряжением, приложенным к затвору.
Так выглядит полевой транзистор с каналом p-типа.
Канал транзистора — это область между истоком и стоком.
Почему транзисторы имеют разную проводимость? Транзисторы типа n управляются при положительном потенциале, а транзисторы типа p — при отрицательном. Это позволяет усиливать сигналы различных потенциалов.
Полевой транзистор фактически имеет два затвора, но поскольку функция одна и та же, выводы объединены в один. Зачем вам нужны двое ворот? Это делается для облегчения управления транзистором.
Характеристики
Поскольку полупроводниковые транзисторы состоят из полупроводников, на них также влияет окружающая среда. Например, при изменении температуры окружающей среды транзистор может вносить нелинейные искажения в выходной сигнал. С этим справляются схемы термостабилизации, которые позволяют транзистору стабилизироваться при высоких температурах.
Транзисторы также имеют вольт-амперную характеристику (VAM), которая, в отличие от вакуумной технологии, быстро насыщается.
Все транзисторы имеют следующие параметры
- Коэффициент усиления по току;
- Коэффициент усиления по напряжению;
- Коэффициент усиления по току;
- Коэффициент обратной связи;
- Коэффициент передачи по току;
- Входное сопротивление;
- Выходное сопротивление;
- Время включения;
- Максимально допустимый ток и др.
- Обратный ток коллектор-эмиттер;
- Частота коэффициента передачи тока базы;
- Обратный ток коллектора;
- Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером и др.
Режимы работы
В целом, можно выделить несколько режимов работы.
Функции транзисторов
Транзисторы выполняют следующие функции
- Позволяют усиливать электрические сигналы. Транзисторы усиливают любые электрические сигналы, как высокие так и низкие частоты.
- Могут работать как ключ, включать и выключать поступление электрического тока. Благодаря этому простому включению и выключению работают все современные процессоры. Транзисторы – это основа всей современной цифровой техники.
- Генерируют электрические сигналы за счет положительной обратной связи. На их основе можно сделать генераторы звука и сигналов.
- Могут согласовывать сопротивления электрических цепях за счет различных схем включения и работают как ограничители тока. В блоках питания транзисторы могут ограничивать ток короткого замыкания, а также работать как предохранитель.
Чем транзисторы уступают лампам
Несмотря на очевидные преимущества транзисторов перед лампами, ламповые триодные вакуумные лампы все еще имеют некоторые преимущества.
- Устойчивость к высоким электромагнитным наводкам и помехам. Это не значит, что полупроводниковая техника может выйти из строя от любых помех. Но если случится сильнейшая магнитная буря от Солнца (или мощный ЭМИ удар от ядерных бомб), то все p-n переходы в полупроводниковой технике могут выйти из строя из-за высоких токов наводки. Вакуумная техниках намного устойчивее к таким помехам.
- Ламповая техника намного лучше и стабильнее работает на высоких частотах. И это уже особенности конструкции. Так как в транзисторах есть p-n переходы, то у них тоже есть своя емкость. А паразитная емкость на высоких частотах негативно влияет на усиление сигнала. Появляются нелинейные искажения. А в вакуумной технике есть такие лампы, у которых по несколько экранирующих сеток, которые позволяют снизить эффект паразитных емкостей. Пример радиолампы — это клистрон.
Нельзя сразу сказать, что транзисторы полностью устранили лампы. Каждая часть имеет свои преимущества и недостатки в различных областях. Конечно, в цифровой технологии транзисторы нельзя сравнивать с лампами. Однако транзисторы все еще уступают лампам очень высокой частоты.
Впоследствии были изобретены электронные лампы. Там ток уже может контролироваться другим током. Однако трубы могут перегреваться, ломаться, и над ними могут летать мотыльки.
Подтипы:
Биотранзисторы основаны на биологических полимерах, которые могут быть использованы в медицине и биотехнологии без вреда для живых организмов. Исследования проводились на основе металлопротеинов, хлорофилла А (из шпината) и вируса табачной мозаики.
Одноэлектронный транзистор — впервые разработан российскими учеными в 1996 году. В отличие от своих предшественников, он может работать при комнатной температуре. Принцип работы похож на принцип работы полевых транзисторов, но более тонкий. Передатчиком сигнала является один или несколько электронов. Этот транзистор также называют нанотранзистором и квантовым транзистором. Ожидается, что с помощью этой технологии будущие транзисторы на основе графена будут иметь размер менее 10 нм.
Для чего используются транзисторы?
Транзисторы используются в усилителях, лампах, электродвигателях и других устройствах, требующих быстрого включения-выключения тока или изменения положения. Транзисторы могут ограничивать ток плавно или импульсным методом. Второй чаще всего используется для управления ШИМ. Он использует источник высокой мощности и направляет ее через себя, регулируя ее слабым током.
Если ток недостаточен для активации транзисторной цепи, используется множество транзисторов с повышенной чувствительностью к водопадному соединению.
Мощные транзисторы, сопряженные в одном или нескольких корпусах, используются в полностью цифровых усилителях на основе ЦАП. Часто требуется дополнительное охлаждение. Большинство схем работают в режиме переключателя.
Транзисторы также используются в цифровых и аналоговых источниках питания (например, в материнских платах, видеокартах, блоках питания).
Центральные процессоры, микроконтроллеры и SOC также состоят из миллионов и миллиардов транзисторов, связанных с определенной последовательностью вычислений.
Каждая группа транзисторов кодирует и передает сигналы для дальнейшей обработки определенным образом. Все типы ОЗУ и ПЗУ также состоят из транзисторов.
Без изобретения и использования транзисторов все разработки в области микроэлектроники были бы практически невозможны. Трудно представить себе электронное устройство без хотя бы одного транзистора.
Для того чтобы реализовать определенные электрические параметры за счет использования одного элемента, разработчики транзисторов придумали композитные структуры. Некоторые из них следующие.
Подключение транзисторов для управления мощными компонентами
Стандартная задача микроконтроллера — активировать и деактивировать определенные элементы схемы. Сам микроконтроллер обычно средний по силовому сопротивлению. Например, Arduino может выдержать ток 40 мА 5 В со всплеском. Мощный двигатель или очень легкий светодиод могут потреблять несколько сотен миллисекунд. Если такие нагрузки связаны напрямую, микросхема может быстро выйти из строя. Кроме того, для работы некоторых компонентов требуется напряжение выше 5 В, а Arduino не может извлекать более 5 В из скачков цифрового выхода.
Однако очень легко управлять ведущими транзисторами с большим током. Предположим, вам нужно подключить большую светодиодную ленту, которая требует 12 В и потребляет 100 мА.
Теперь, когда выход изменяется до разумного (высокого) диапазона, 5 В, поступающие на базу, открывают ток через транзистор и полосу — он светится. Если на выходе установлен логический ноль, база заземляется через микроконтроллер, и протекание тока блокируется.
Обратите внимание на сопротивление тока r. Это необходимо для того, чтобы при подаче управляющего напряжения не закоротить цепь микроконтроллер — транзистор — земля. Главное, чтобы допустимый ток 40 мА контакта Arduino не был превышен. Поэтому следует использовать резисторы с минимальным номинальным значением.
= \ frac<5\unit- 0.3\unit><0.04\unit<А>> \ ampt118 \ unit $ » />
Здесь ud — это падение напряжения на самом транзисторе. Этот показатель зависит от материала, из которого он изготовлен, и обычно составляет 0,3-0,6 В.
Однако нет необходимости поддерживать ток до предела. Необходимо только, чтобы транзистор был достаточным для управления требуемым током. В нашем случае это 100 мА. Например, если используемый транзистор hfe= 100, тогда достаточный ток управления 1ma
= \ frac<5\unit- 0.3\unit><0.001\unit<А>> = 4700 \ единицы = 4,7 \ единицы $ » />.
Номинальное сопротивление от 118 Ом до 4,7 комб делает нас Для стабильной работы с одной стороны и небольшой нагрузки на другую микросхему хорошим выбором будет 2,2 Ом.
Если вместо биполярных транзисторов можно использовать резисторы, то можно использовать полевые транзисторы.
Это связано с тем, что шлюз к этим транзисторам управляется только напряжением. Ток в секции пилотной опоры микроконтроллера отсутствует. Кроме того, благодаря своей высокой производительности, схемы, использующие МОП-транзисторы, могут управлять очень мощными компонентами.
Если не указано иное, содержание этой вики лицензировано под: CC Attribution-NonCommercial-Share Alike 4.0 International
