Tranzistor – polovodičové zařízení schopné řídit velký výstupní proud pomocí malého vstupního signálu. Tato vlastnost umožňuje jeho použití ve spínacích, zesilovacích a generovacích obvodech elektrických signálů.
Tranzistor, vynalezený v polovině minulého století, způsobil doslova revoluci v elektronice: začátek jejich praktického použití znamenal konec éry elektronek. Extrémně nedokonalá a objemná vakuová zařízení ustoupila kompaktní, ekonomické elektronické součástce – tranzistor и polovodičové technologie obecně, která v prvních dnech své existence začala usilovat o zvýšení míry své miniaturizace, která dnes dosáhla vysokého stupně rozvoje. Dnes skutečně může plátek polovodičového materiálu o ploše několika čtverečních milimetrů obsahovat miliardy takových prvků, schopných rychle a efektivně řešit ty nejsložitější výpočetní problémy.
Tento článek vám řekne, jak byly vytvořeny tranzistory, představí jim jejich funkčnost a odrůdy, stejně jako základní spínací obvody, standardní zařízení a kaskády na nich založené.
Doba čtení: 12 minut
Expert – Vasily Mokretsov
Objev tranzistorů
Polovodičová elektronika je obor náročný na znalosti a vynález tak jednoduchého zařízení, jako je dioda nebo tranzistor, vyžadoval obrovské úsilí a úzkou interakci mezi teoretickými fyziky, aplikovanou elektrotechnikou a chemií. Vědci ze všech těchto oblastí se spojili ve výzkumné společnosti Bell Labs (později se stala existující společností AT&T), kterou otevřel Alexander Bell, zakladatel telefonie.
Teoretické premisy pro existenci určité přechodové blokující vrstvy na rozhraní látek s různou vodivostí, tedy pn přechod, byly předloženy již ve 30. letech XNUMX. století mnoha vědci z USA, Evropy a Sovětského svazu. . Byly předloženy i nápady na jeho ovládání a to zase slibovalo možnost zesilování a generování elektrických signálů. Vlastně funkční Pn přechod vyvinul, nebo spíše objevil, chemik Russell Ohl v Bellových laboratořích.
Odezvu na světelné záření a jednosměrnou vodivost křemíkových plátků s různými typy vodivosti zaznamenali Ohl a jeho kolega Walter Brattain v roce 1943. Až do konce druhé světové války byly informace drženy v nejpřísnější tajnosti. Po jejím dokončení si vojenský průmysl vyžádal nové přístupy k elektrotechnice a začalo další kolo výzkumu polovodičů.
První polovodičová trioda na světě – Germaniový bipolární tranzistor vynalezli v roce 1947 američtí vědci William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain. Tento prototranzistor, který byl ještě velmi daleko k dokonalosti, již ukázal obrovskou výhodu oproti rádiovým elektronkám: mohl zesilovat a generovat elektrické oscilace.
Paralelně s Amerikou probíhal výzkum v Evropě a SSSR. Již v roce 1948 byla zahájena jejich sériová výroba. Ve stejném roce se skupina vynálezců rozpadla: William Shockley a John Bardeen opustili Bell Labs a založili vlastní výrobu tranzistorů. V roce 1956 ale opět stáli vedle sebe na Nobelově ceně za fyziku za vynález tohoto revolučního zařízení.
Základní operace
Odrůdy
Než řekneme, na čem je jejich práce založena, je nutné stručně představit hlavní typy tranzistorů, a to: bipolární (BT) и pole (unipolární – PT).
bipolární tranzistor
Jedná se o tříelektrodové polovodičové zařízení, které se skládá ze dvou pn křižovatky. Další informace o přechodu pn naleznete v článku „Co je to polovodič? Přenos elektrického náboje je prováděn dvěma typy nosičů: elektrony (n) a díry (p). Proto se tomu říká „bipolární“. Jeho elektrody mají následující názvy: emitor, kolektor a základna. Řízení hlavního proudu mezi emitorem a kolektorem je realizováno mírnou změnou proudu báze.
Tranzistor s efektem pole (unipolární).
Jedná se také o tříelektrodový polovodič, konstrukčně sestávající z křemíkového kanálu n- nebo p-vodivosti s elektronovým nebo děrovým typem, kde buď elektrony nebo díry působí jako nosiče náboje. Proto se nazývá „unipolární“. Jeho elektrody jsou pojmenovány takto: zdroj, odtok a brána. Proud mezi nimi je řízen elektrické pole (odtud název polovodičů – „pole“), vytvořeného napětím na jeho bráně.
Zařízení a princip činnosti
bipolární tranzistor
Obrázky ukazují, jak jsou uspořádány BT struktury pnp a npn. Jejich konstrukce zahrnuje tři oblasti s různou vodivostí se dvěma pn přechody vytvořenými na jejich hranicích. Stručně, princip fungování BT lze popsat takto:
- Když je na emitor a bázi přivedeno napětí, vznikne mezi těmito elektrodami rozdíl potenciálů a začne protékat proud. V základně jsou vytvořeny nosiče náboje. Počet nosičů náboje je úměrný rozdílu potenciálů mezi elektrodami.
- Pokud je přiveden k emitoru a kolektoru, objeví se mezi nimi také rozdíl potenciálů doprovázený tokem proudu. Jeho hodnota je přímo úměrná počtu nosičů náboje vytvořených v bázi.
- S rostoucím základním napětím se zvyšuje proud mezi emitorem a kolektorem a jeho sebemenší zvýšení způsobí výrazné zvýšení kolektorového proudu.
Tranzistor s efektem pole s řídicím pn-přechodem
Na obrázcích je zařízení PN přechod FET. Strukturálně se skládají z kanálu vytvořeného mezi zdrojem a odtokem, jednoho řídicího pn přechodu a substrátu, na kterém je vytvořen PT krystal. Zařízení funguje takto:
PT je zařazen do hlavního, regulovaného okruhu u zdroje a odvodu.
- K hradlu je připojen zdroj konstantního předpětí, který vytváří zpětné blokovací napětí na přechodu pn.
- Je také připojeno řídicí (zesílené) napětí, jehož změny také mění blokovací napětí, které řídí průřezovou plochu kanálové zóny – protékají jím hlavní nosiče náboje.
- Protože zpětný proud pn přechodu je nízký, výkon odebraný ze zdroje řídicího napětí je extrémně malý
Tranzistor s efektem pole s izolovaným hradlem a vestavěným kanálem
Jak je vidět z obrázku, konstrukce se skládá z kanálu vytvořeného mezi zdrojem a odtokem, izolované brány a substrátu, na kterém je vytvořen krystal zařízení. Zjednodušený princip jejich fungování vypadá takto:
- Je zařazen do okruhu jako zdroj a odvod. Strukturálně kanál vykazuje vodivost i při absenci potenciálu na bráně.
- K bráně je připojen zdroj řídicího napětí.
- Vodivost kanálu se může buď zvyšovat (režim obohacení) až do nasycení, nebo klesat (režim vyčerpání) až do přerušení.
- Vzhledem k tomu, že brána je elektricky izolovaná, je výkon odebraný ze zdroje extrémně malý a je vynaložen pouze na dobití své elektrické kapacity.
Tento typ PT není díky své neobvyklé konstrukci příliš žádaný a používá se pouze ve speciálních analogových zařízeních.
Tranzistor s efektem pole s indukovaným kanálem
Z obrázku je zřejmé, že PT zařízení je podobné rádiovým součástem s konfigurací diskutovanou výše. Jejich princip fungování je následující:
- Zařízení je připojeno k okruhu pomocí zdroje a odpadu. Strukturálně má kanál extrémně nízkou vodivost.
- Na bránu je přivedeno řídicí napětí.
- Díky elektrické izolaci brány je výkon odebraný ze zdroje extrémně malý a jeho spotřeba dobíjí elektrickou kapacitu.
Základní schémata zapojení
Tato část se bude zabývat běžnými metodami připojení BT a poskytne jejich srovnávací popis. Jejich polní odrůdy jsou do schémat zařazeny obdobným způsobem.
Nejčastěji se používá v zesilovacích stupních. Vstupní signál je přiveden na bázi vzhledem k emitoru a zátěž je zapojena do obvodu mezi kolektor a emitor. Výstupní a vstupní signály mají opačné fáze. Poskytuje maximální zesílení výkonu, protože zesiluje napětí i proud.
Říká se tomu také sledovač emitoru. Vstupní signál je přiveden na bázi vzhledem ke kolektoru se zátěží obsaženou v obvodu mezi ním a emitorem. Takový obvod se vyznačuje napěťovým zesílením blízkým jednotce, tedy jeho hodnota na vstupu a výstupu je podobná (proto se nazývá zapínací opakovač). Zvyšuje se pouze proud. BT zde má vysoký vstupní odpor a nízký výstupní odpor. Fáze výstupního a vstupního signálu jsou stejné.
V něm je vstupní signál přiváděn do emitoru vzhledem k základně, zatímco zátěž je zařazena do obvodu mezi ním a kolektorem. Má proudový zisk blízký jednotě, tzn. nezesiluje, ale napěťový zisk je velmi vysoký. Jedná se o tepelně nejstabilnější okruh. Často se používá v obvodech pro nastavení výstupů lineárních napájecích zdrojů.
Typické obvody zařízení na bázi tranzistorů a kaskád
Tato část se bude zabývat oblíbenými zařízeními obsahujícími základnu BT.
Používá se v lineárních napájecích zdrojích k regulaci výstupního napětí. Stejně tak se reguluje ve známých lineárních integrálních regulátorech jako LM317 a podobných. BT je zapojen podle společného základního schématu. Řídicí napětí je přiváděno přes potenciometr R1. Jeho zvýšení vede k otevření tranzistoru a zvýšení výstupních hodnot.
Jedná se o upravenou verzi regulátoru napětí a je určen pro stabilizaci výstupních parametrů. Nachází se v lineárních napájecích zdrojích. Elektřina je dodávána přes „napěťový dělič“ tvořený zenerovou diodou ZD1 a rezistorem R1, který nastavuje její proud. Průrazné napětí zenerovy diody při opětovném zapnutí nezávisí na vstupním napětí, ale je jasně specifikováno při výrobě tohoto polovodičového zařízení. Zenerova dioda nastavuje řídicí napětí na bázi, čímž udržuje výstupní charakteristiku stabilní. Další informace o zenerových diodách naleznete v článku „Co je to polovodič?
Zde se zařízení nepoužívá v režimu zesílení, ale v režimu klíče k sepnutí elektromagnetického relé K1 pomocí digitálního signálu vysoké úrovně. Upit může být až několik desítek voltů. Ucontrol = 5V. Dioda D1 je navržena tak, aby tlumila zpětné EMF emise generované na vinutí relé, když je BT uzamčen. Bez něj je možný elektrický průraz součásti. Další informace o diodách naleznete v článku „Co je to polovodič? Rezistor R1 omezuje proud v řídicím obvodu.
Jedná se o typický jednostupňový nízkofrekvenční (zvukový) zesilovač, používaný v naprosté většině zařízení pro reprodukci zvuku. Toto zapojení demonstrují i integrované nízkofrekvenční zesilovače. Zde je součástka zapojena podle obvodu se společným emitorem. Vstupní signál jde do báze přes kondenzátor, který zabraňuje průchodu stejnosměrného proudu v obvodu. Další informace o něm naleznete v článku „Jak vybrat kondenzátor?“. Rezistor R1 nastavuje provozní režim a R2 je zátěž. Přes kondenzátor C2 je výstupní signál, zesílený napětím a proudem, odstraněn.
Jedná se o klasický čtvercový pulzní generátor založený na dvoutranzistorové sestavě. Rezistory a kondenzátory slouží jako zařízení pro nastavení frekvence. Pokud jsou ramena stejná (R1=R4, R2=R3, C1=C2), nazývá se takový multivibrátor symetrický a frekvence generování výstupního signálu se vypočítá pomocí jednoduchého vzorce:
Vzorec pro generovací frekvenci výstupního signálu multivibrátoru
Tranzistory, bezpochyby, jsou základní aktivní prvky moderní elektroniky. Pracují ve výkonových měničích, spínacích a zesilovacích stupních, a to jak samostatně, tak jako součást mikroobvodů, v nichž jejich počet může dosahovat až miliard. Ani jeho vynálezci zprvu nevěřili v nekonečně velký potenciál jejich vývoje: tranzistory však nahradily elektronky ze všech oblastí elektrotechniky.
Právě jejich vzhled urychlil vývoj výpočetní techniky, která by bez tohoto úžasného rádiového prvku zůstala velmi objemná a pomalá. Tranzistory létají do vesmíru a klesají do nepředstavitelných hlubin oceánů a budou v tom pokračovat po mnoho dalších desetiletí: prostě k nim neexistuje žádná alternativa a jejich možnosti jsou prostě neomezené.
Elektronika nás obklopuje všude. Téměř nikdo se ale nezamýšlí nad tím, jak to celé funguje. Je to vlastně docela jednoduché. Přesně to se dnes pokusíme ukázat. Začněme tak důležitým prvkem, jakým je tranzistor. Řekneme vám, co to je, co dělá a jak tranzistor funguje.
Co je to tranzistor?
Tranzistor – polovodičové zařízení určené k řízení elektrického proudu.
Kde se používají tranzistory? Ano všude! Téměř žádný moderní elektrický obvod se neobejde bez tranzistorů. Jsou široce používány při výrobě výpočetní techniky, audio a video zařízení.
Časy, kdy Sovětské mikroobvody byly největší na světě, prošly a velikost moderních tranzistorů je velmi malá. Nejmenší zařízení tedy dosahují velikosti řádově nanometrů!
Předpona nano- označuje hodnotu řádově od deseti do mínus deváté mocniny.
Existují však i obří exempláře, které se používají především v oblastech energetiky a průmyslu.
Existují různé typy tranzistorů: bipolární a polární, přímé a reverzní vedení. Provoz těchto zařízení je však založen na stejném principu. Tranzistor je polovodičová součástka. Jak je známo, v polovodiči jsou nosiče náboje elektrony nebo díry.
Oblast s přebytečnými elektrony je označena písmenem n (negativní) a oblast s vodivostí otvoru je p (pozitivní).
Jak funguje tranzistor?
Aby bylo vše velmi jasné, podívejme se na práci bipolární tranzistor (nejoblíbenější typ).
bipolární tranzistor (dále jen tranzistor) je polovodičový krystal (nejčastěji používaný křemík nebo germanium), rozdělené do tří zón s různou elektrickou vodivostí. Podle toho jsou zóny pojmenovány kolektor, základna и emitor. Zařízení tranzistoru a jeho schematické znázornění je znázorněno na obrázku níže
Oddělené tranzistory s dopředným a zpětným vedením. Tranzistory PNP se nazývají tranzistory s dopředným vedením a tranzistory NPN se nazývají tranzistory se zpětným vedením.
Nyní si povíme o dvou provozních režimech tranzistorů. Provoz samotného tranzistoru je podobný provozu vodovodního kohoutku nebo ventilu. Jen místo vody je tam elektrický proud. Existují dva možné stavy tranzistoru – provozní (tranzistor otevřený) a klidový stav (tranzistor uzavřen).
Co to znamená? Když je tranzistor vypnutý, neprotéká jím žádný proud. V otevřeném stavu, kdy je do báze přiveden malý řídicí proud, se tranzistor otevře a emitorem-kolektorem začne protékat velký proud.
Fyzikální procesy v tranzistoru
A nyní více o tom, proč se vše děje tímto způsobem, tedy proč se tranzistor otevírá a zavírá. Vezměme si bipolární tranzistor. Nech to být npn tranzistor.
Pokud mezi kolektor a emitor připojíte zdroj energie, začnou se elektrony kolektoru přitahovat ke kladnému pólu, ale mezi kolektorem a emitorem nebude proud. Tomu brání základní vrstva a samotná vrstva emitoru.
Pokud mezi základnu a emitor připojíte další zdroj, začnou elektrony z oblasti n emitoru pronikat do oblasti báze. V důsledku toho bude oblast báze obohacena o volné elektrony, z nichž některé se rekombinují s dírami, některé budou proudit do plusu báze a některé (většina) půjdou do kolektoru.
Tranzistor se tedy ukáže jako otevřený a protéká v něm proud emitor-kolektor. Pokud se základní napětí zvýší, zvýší se také proud kolektor-emitor. Navíc při malé změně řídicího napětí je pozorováno výrazné zvýšení proudu kolektorem-emitorem. Právě na tomto efektu je založen provoz tranzistorů v zesilovačích.
To je v kostce podstata fungování tranzistorů. Potřebujete spočítat výkonový zesilovač pomocí bipolárních tranzistorů přes noc, nebo provést laboratorní práce pro studium činnosti tranzistoru? To není problém ani pro začátečníka, pokud využijete pomoci našich specialistů studentského servisu.
V důležitých věcech, jako je studium, neváhejte vyhledat odbornou pomoc! A teď, když už máte představu o tranzistorech, doporučujeme vám odpočinout si a podívat se na video od Korna „Twisted tranzistor“! Rozhodnete se například pro zakoupení protokolu z praxe, obraťte se na Korespondenta.
- Kontrolní práce od 1 dne / od 120 rublů. Zjistěte cenu
- Práce od 7 dnů / od 9540 rublů Zjistěte cenu
- Kurz od 5 dnů / od 2160 rublů. Zjistěte cenu
- Abstrakt od 1 dne / od 840 rublů Zjistěte cenu
Ivan Kolobkov, také známý jako Joni. Marketér, analytik a copywriter ve společnosti Zaochnik. Mladý nadějný spisovatel. Má lásku k fyzice, vzácným věcem a dílu C. Bukowského.
