Jak funguje tranzistor a kde se používá?

Rádioelektronický prvek z polovodičového materiálu vytváří, zesiluje a modifikuje impulsy v integrovaných obvodech a systémech pro ukládání, zpracování a přenos informací pomocí vstupního signálu. Tranzistor je odpor, jehož funkce je regulována napětím mezi emitorem a bází nebo zdrojem a hradlem, v závislosti na typu modulu.

Typy tranzistorů

Tranzistory se široce používají při výrobě digitálních a analogových obvodů k vynulování statického proudu spotřebiče a k dosažení lepší linearity. Typy tranzistorů se liší tím, že některé jsou řízeny změnou napětí, zatímco jiné změnou proudu.

Polní tranzistory pracují s vyšším stejnosměrným odporem, transformace při vysoké frekvenci nezvyšuje energetické náklady. Zjednodušeně řečeno, co je tranzistor, je to modul s vysokou hranou zesílení. Tato vlastnost je větší pro polní typy než pro bipolární typy. U prvních nedochází k rozptylu nosičů náboje, což urychluje provoz.

Polní polovodiče se používají častěji kvůli výhodám oproti bipolárním typům:

• Silná vstupní impedance při stejnosměrném proudu a vysoké frekvenci snižuje ztráty výkonu při řízení;
• Nedochází k hromadění nepodstatných elektronů, což urychluje provoz tranzistoru;
• transport mobilních částic;
• stabilitu při teplotních výkyvech;
• Nízká hlučnost díky absenci vstřikování;
• Nízká spotřeba energie během provozu.

Typy tranzistorů a jejich vlastnosti určují účel. Zahřívání bipolárního tranzistoru zvyšuje proud na cestě od kolektoru k emitoru. Mají záporný součinitel odporu a pohyblivé nosiče proudí z emitoru do kolektoru. Tenká báze je oddělena p-n přechody a proud vzniká pouze tehdy, když se pohybující se částice hromadí a vstřikují se do báze. Některé nosiče náboje jsou zachyceny sousedním p-n přechodem a urychleny, což je způsob, jakým jsou tranzistory konstruovány.

Polní tranzistory mají ještě jednu výhodu, o které je třeba se zmínit. Jsou zapojeny paralelně bez vyrovnání odporu. Rezistory se k tomuto účelu nepoužívají, protože jejich hodnota se automaticky zvyšuje se změnou zátěže. Pro získání vysoké hodnoty spínacího proudu se rekrutuje komplex modulů, který se používá v měničích nebo jiných zařízeních.

Bipolární tranzistor nesmí být zapojen paralelně, určení funkčních parametrů vede k detekci tepelného průrazu nevratné povahy. Tyto vlastnosti souvisejí s technickými vlastnostmi jednoduchých p-n kanálů. Moduly jsou zapojeny paralelně pomocí rezistorů, aby se vyrovnal proud v emitorových obvodech. Podle funkčních vlastností a individuálních specifik se tranzistory dělí na bipolární a polní.

Bipolární tranzistory

Bipolární konstrukce se vyrábějí jako polovodičové součástky se třemi vodiči. V každé z elektrod se nacházejí vrstvy s děrovou p-vodivostí nebo příměsovou n-vodivostí. Volba uspořádání vrstev určuje uvolnění zařízení typu p-n-p nebo n-p-n. Když je zařízení zapnuto, nesou díry a elektrony současně různé typy nábojů, jedná se o 2 typy částic.

Nosiče jsou transportovány difuzním mechanismem. Atomy a molekuly látky pronikají mezimolekulární mřížkou sousedního materiálu a jejich koncentrace se v celém objemu vyrovnává. Přesun probíhá z oblastí s vysokou hustotou do oblastí s nízkou hustotou.

Elektrony se šíří také působením silového pole kolem částic, pokud jsou legující přísady nerovnoměrně začleněny do základní hmoty. Aby se urychlila činnost zařízení, je elektroda připojená ke střední vrstvě tenká. Krajní vodiče se nazývají emitor a kolektor. Charakteristika zpětného napětí přechodu není důležitá.

Polní tranzistory

Polní tranzistor řídí odpor pomocí elektrického příčného pole vznikajícího v důsledku přiloženého napětí. Místo, odkud elektrony přecházejí do kanálu, se nazývá source a drain vypadá jako konečné místo vstupu nábojů. Řídicí napětí protéká vodičem zvaným hradlo. Zařízení se dělí na 2 typy:

• p-n přechod;
• Tranzistory TIR s izolovaným hradlem.

První typ obsahuje polovodičovou destičku, která je připojena k řízenému obvodu elektrodami na opačných stranách (drain a source). K jinému druhu vodivosti dochází po připojení destičky k hradlu. Zdroj stejnosměrného předpětí vložený do vstupního obvodu vytváří na přechodu blokovací napětí.

Zdroj zesíleného impulsu je rovněž ve vstupním obvodu. Po změně vstupního napětí se změní odpovídající údaj na p-n přechodu. Mění se tloušťka vrstvy a plocha průřezu kanálového spoje v krystalu, který umožňuje tok nabitých elektronů. Šířka kanálu závisí na prostoru mezi depleční oblastí (pod hradlem) a substrátem. Řídicí proud v počátečním a koncovém bodě se řídí změnou šířky vyčerpávací oblasti.

Tranzistor TIR se vyznačuje tím, že hradlo je od kanálové vrstvy odděleno izolantem. V krystalu polovodiče, který se nazývá substrát, se vytvoří dopovaná místa s opačným znaménkem. Na nich jsou upevněny vodiče - drain a source - a mezi nimi dielektrikum ve vzdálenosti menší než jeden mikron. Na izolátoru je umístěna kovová elektroda - hradlo. Vzhledem k výsledné struktuře obsahující kov, dielektrickou vrstvu a polovodič se pro tranzistory používá zkratka TIR.

Konstrukce a obsluha pro začátečníky

Technologie pracuje nejen s elektrickým nábojem, ale také s magnetickým polem, světelnými kvanty a fotony. Princip činnosti tranzistoru spočívá ve stavech, mezi kterými zařízení přepíná. Opačný malý a velký signál, otevřený a zavřený stav - to je duální provoz zařízení.

Společně s polovodičovým materiálem, který je ve svém složení použit ve formě monokrystalu dopovaného na některých místech, má tranzistor ve své konstrukci

• kovové přívody;
• dielektrické izolátory;
• Pouzdro tranzistoru ze skla, kovu, plastu, kovové keramiky.

Před vynálezem bipolárních nebo polárních zařízení se jako aktivní prvky používaly elektronické elektronky. Obvody pro ně vyvinuté se po úpravě používají při výrobě polovodičových součástek. Mohly by být zapojeny jako tranzistor a použity, protože mnohé funkční vlastnosti elektronek jsou vhodné při popisu činnosti polních zařízení.

Výhody a nevýhody nahrazení elektronek tranzistory

Vynález tranzistorů je hnací silou zavádění inovativních technologií v elektronice. V síti jsou použity moderní polovodičové prvky a ve srovnání se staršími elektronkovými obvody má tento vývoj své výhody:

• Malé rozměry a nízká hmotnost, což je důležité pro miniaturní elektroniku;
• možnost použití automatizovaných procesů při výrobě zařízení a seskupování kroků, což snižuje náklady na výrobu;
• Použití malých zdrojů proudu z důvodu požadavku na nízké napětí;
• okamžitá aktivace, bez nutnosti zahřívat katodu;
• Vyšší energetická účinnost díky nižšímu rozptylu energie;
• robustnost a spolehlivost;
• hladkou interakci s dalšími prvky v síti;
• odolnost proti vibracím a nárazům.

Nevýhody se projevují v následujících ustanoveních:

• Křemíkové tranzistory nefungují při napětí vyšším než 1 kW; výbojky jsou účinné při napětí nad 1 až 2 kW;
• Při použití tranzistorů ve vysílačích vysokého výkonu nebo vysílačích UHF musí být paralelně zapojené zesilovače nízkého výkonu sladěny;
• Zranitelnost polovodičových prvků elektromagnetickým signálem;
• citlivou odezvu na kosmické záření a radiaci, což vyžaduje vývoj mikroobvodů odolných vůči radiaci.

Spínací schémata

Aby tranzistor mohl pracovat v jednom obvodu, potřebuje 2 vstupní a výstupní vývody. Téměř všechny polovodičové součástky mají pouze 3 připojovací body. Abyste se dostali z této svízelné situace, je jeden z konců označen jako společný. Proto existují 3 společná schémata připojení:

• pro bipolární tranzistor;
• polární zařízení;
• s otevřeným odtokem (kolektorem).

Bipolární jednotka je připojena se společným emitorem pro napěťové i proudové zesílení (OE). V jiných případech odpovídá pinům digitálního čipu, když je mezi vnějším obvodem a plánem vnitřního připojení vysoké napětí. Takto funguje společné zapojení kolektorů a dochází pouze ke zvýšení proudu (OK). Pokud je požadováno zvýšení napětí, zavádí se prvek se společnou základnou (CB). Tato možnost dobře funguje ve složených kaskádních obvodech, ale v jednotranzistorových konstrukcích se používá jen zřídka.

V obvodu jsou zahrnuty polopolovodičové součástky typu TIR a p-n přechod:

• společný emitor (JE) - zapojení podobné JE bipolárního modulu.
• se společným výstupem (OC) - připojení podobné typu OC
• se sdílenou bránou (SW) - podobně jako OE.

V plánech s otevřeným vypínáním je tranzistor se společným emitorem součástí čipu. Kolektorový kolík není připojen k žádným dalším částem modulu a zátěž jde na vnější konektor. Volba napětí a kolektorových proudů se provádí až po sestavení projektu. Zařízení s otevřeným odběrem pracují v obvodech s výkonnými výstupními stupni, ovladači sběrnice a logickými obvody TTL.

K čemu slouží tranzistory?

Aplikace se rozlišuje podle toho, zda se jedná o bipolární modul nebo o polní zařízení. Proč jsou tranzistory potřeba? Pokud jsou požadovány nízké proudy, např. v digitálních plánech, používají se typy polí. Analogové obvody dosahují vysoké linearity zesílení v širokém rozsahu napájecích napětí a výstupních parametrů.

Mezi aplikace bipolárních tranzistorů patří zesilovače, kombinace, detektory, modulátory, tranzistorové logické obvody a logické invertory.

Oblasti použití tranzistorů závisí na jejich vlastnostech. Pracují ve dvou režimech:

• Při regulaci zesilovače změna výstupního impulsu s malými odchylkami řídicího signálu;
• V klíčovacím pořadí, které řídí napájení zátěže, když je vstupní proud nízký, je tranzistor zcela uzavřen nebo zcela otevřen.

Typ polovodičového modulu nemění jeho provozní podmínky. Zdroj je připojen k zátěži, např. ke spínači, zesilovači zvuku, svítidlu, může to být elektronický senzor nebo výkonný sousední tranzistor. Proud spustí činnost zátěžové jednotky a tranzistor je zapojen v obvodu mezi jednotkou a zdrojem. Polovodičový modul omezuje příkon jednotky.

Odpor na výstupu tranzistoru se mění podle napětí na řídicím vodiči. Proud a napětí na začátku a na konci obvodu se mění, zvyšují nebo snižují a závisí na typu tranzistoru a způsobu jeho zapojení. Ovládání řízeného napájení vede ke zvýšení proudu, impulsu výkonu nebo zvýšení napětí.

Oba typy tranzistorů se používají v následujících aplikacích:

1. V digitální regulaci. Byly vyvinuty experimentální návrhy digitálních zesilovacích obvodů založených na digitálně-analogových převodnících (DAC).
2. V pulzních generátorech. V závislosti na typu jednotky pracuje tranzistor v klíčovaném nebo lineárním uspořádání, aby reprodukoval obdélníkové, resp. libovolné signály.
3. V elektronických hardwarových zařízeních. Chránit informace a programy před krádeží, nezákonnou manipulací a použitím. Provoz je v klíčovém režimu, proud je řízen analogově a regulován šířkou impulsu. Tranzistory se používají v pohonech elektromotorů, pulzních regulátorech napětí.

Monokrystalické polovodiče a moduly pro otevírání a zavírání obvodů zvyšují výkon, ale fungují pouze jako spínače. Polní tranzistory se používají v digitálních zařízeních jako cenově výhodné moduly. Výrobní techniky v koncepci integrovaných experimentů zahrnují výrobu tranzistorů na jednom křemíkovém čipu.

Miniaturizace krystalů vede k rychlejším počítačům, nižší spotřebě energie a nižší produkci tepla.

Související články: