Radioelektronisks elements, kas izgatavots no pusvadītāju materiāla, rada, pastiprina un pārveido impulsus integrētajās shēmās un sistēmās informācijas glabāšanai, apstrādei un pārraidei, izmantojot ieejas signālu. Tranzistors ir pretestība, kuras darbību regulē spriegums starp emiteri un bāzi vai avotu un aizvaru atkarībā no moduļa tipa.
Saturs
Tranzistoru veidi
Tranzistori tiek plaši izmantoti digitālo un analogo shēmu ražošanā, lai nulles statisko patērētāju strāvu un iegūtu uzlabotu linearitāti. Tranzistoru veidi atšķiras ar to, ka dažus no tiem vada sprieguma izmaiņas, bet citus - strāvas izmaiņas.
Lauka tranzistori darbojas ar lielāku līdzstrāvas pretestību, pārveidojot ar augstu frekvenci, enerģijas izmaksas nepalielinās. Vienkārši runājot, tranzistors ir modulis ar augstu pastiprinājuma robežu. Šī īpašība ir raksturīgāka lauka tipiem nekā bipolāriem tipiem. Pirmajiem nav lādiņa nesēja izkliedes, kas paātrina darbību.
Lauka pusvadītājus izmanto biežāk, jo tiem ir priekšrocības salīdzinājumā ar bipolārajiem tipiem:
- Spēcīga ieejas pretestība pie līdzstrāvas un augstas frekvences, kas samazina jaudas zudumus kontrolei;
- Neveidojas nebūtisku elektronu uzkrāšanās, kas paātrina tranzistora darbību;
- pārvietojamo daļiņu transportēšana;
- stabilitāte temperatūras svārstību laikā;
- Zems trokšņa līmenis iesmidzināšanas trūkuma dēļ;
- Zems enerģijas patēriņš darbības laikā.
Tranzistoru veidi un to īpašības nosaka mērķi. Bipolārā tipa tranzistora sildīšana palielina strāvu ceļā no kolektora uz emiteri. Tiem ir negatīvs pretestības koeficients, un kustīgie nesēji no emitora plūst uz kolektoru. Plāno bāzi atdala p-n savienojumi, un strāva rodas tikai tad, kad kustīgās daļiņas uzkrājas un ieplūst bāzē. Daļu lādiņnesēju pārņem blakus esošais p-n pāreja un paātrina, un šādi ir konstruēti tranzistori.
Lauka efekta tranzistoriem ir vēl viena veida priekšrocība, kas jāpiemin manekeniem. Tie ir savienoti paralēli bez pretestības izlīdzināšanas. Šim nolūkam netiek izmantoti rezistori, jo, mainoties slodzei, vērtība automātiski palielinās. Lai iegūtu augstu komutācijas strāvas vērtību, tiek pieņemts darbā moduļu komplekss, kas tiek izmantots inverteros vai citās ierīcēs.
Bipolāro tranzistoru nedrīkst savienot paralēli, funkcionālo parametru noteikšana noved pie neatgriezeniska rakstura termiskā sadalījuma noteikšanas. Šīs īpašības ir saistītas ar vienkāršu p-n kanālu tehniskajām īpašībām. Moduļi ir savienoti paralēli, izmantojot rezistorus, lai izlīdzinātu strāvu emiteru ķēdēs. Atkarībā no funkcionālajām īpašībām un individuālajām īpatnībām tranzistori tiek iedalīti bipolāros un lauka efekta tipos.
Bipolārie tranzistori
Bipolārās konstrukcijas tiek ražotas kā pusvadītāju ierīces ar trim vadītājiem. Katrā elektrodā ir slāņi ar caurumu p-vadītspēju vai piemaisījumu n-vadītspēju. Slāņu izvietojuma izvēle nosaka p-n-p vai n-p-n tipa ierīču atbrīvošanu. Kad ierīce ir ieslēgta, caurumi un elektroni vienlaikus nes dažāda veida lādiņus, ir iesaistīti 2 daļiņu veidi.
Nesējvielas tiek transportētas, izmantojot difūzijas mehānismu. Vielas atomi un molekulas iekļūst blakus esošā materiāla starpmolekulārajā režģī, un to koncentrācija visā tilpumā izlīdzinās. Pārvietošana notiek no augsta blīvuma apgabaliem uz zema blīvuma apgabaliem.
Arī tad, ja leģējošās piedevas nevienmērīgi iekļaujas pamatmasā, elektroni izplatās spēka lauka ietekmē ap daļiņām. Lai paātrinātu ierīces darbību, elektrods, kas savienots ar vidējo slāni, ir plāns. Par malas vadītājiem sauc emiteri un kolektoru. Savienojuma reversā sprieguma raksturlielums nav svarīgs.
Lauka-efekta tranzistori
Lauka efekta tranzistors kontrolē pretestību, izmantojot elektrisko šķērsvirziena lauku, ko rada pieliktais spriegums. Vietu, no kuras elektroni pārvietojas kanālā, sauc par avotu, un drenāžas vieta izskatās kā lādiņu galīgais ieejas punkts. Vadības spriegums plūst caur vadītāju, ko sauc par aizvaru. Ierīces iedala 2 veidos:
- p-n savienojums;
- TIR tranzistori ar izolētu aizvaru.
Pirmā tipa pusvadītāju plāksnītē ir pusvadītāja plāksnīte, kas ir savienota ar vadāmo ķēdi ar elektrodiem pretējās pusēs (drenā un avotā). Cita veida vadītspēja rodas pēc tam, kad plāksnīte ir savienota ar vārtiem. Ieejas ķēdē ievietots līdzstrāvas novirzes avots rada bloķēšanas spriegumu krustpunktā.
Pastiprinātā impulsa avots arī ir ieejas ķēdē. Pēc ieejas sprieguma maiņas tiek pārveidots atbilstošais skaitlis p-n krustojumā. Tiek mainīts slāņa biezums un šķērsgriezuma laukums kanāla savienojumā kristālā, kas nodrošina lādētu elektronu plūsmu. Kanāla platums ir atkarīgs no telpas starp noplicināšanas apgabalu (zem aizvara) un pamatni. Vadības strāvu sākuma un beigu punktos kontrolē, mainot noplicināšanas apgabala platumu.
TIR tranzistoru raksturo tas, ka tā aizvaru no kanāla slāņa atdala izolators. Pusvadītāja kristālā, ko sauc par substrātu, tiek izveidotas leģētas vietas ar pretēju zīmi. Uz tiem ir uzstādīti vadītāji - dren un avots -, starp kuriem dielektriķis ir mazāk nekā mikrona attālumā. Uz izolatora ir novietots metāla elektrods - vārti. Tā kā iegūtā struktūra sastāv no metāla, dielektriķa slāņa un pusvadītāja, tranzistoriem tiek dots saīsinājums TIR.
Dizains un darbība iesācējiem
Tehnoloģija darbojas ne tikai ar elektrības lādiņu, bet arī ar magnētisko lauku, gaismas kvantiem un fotoniem. Tranzistora darbības princips ir atkarīgs no stāvokļiem, starp kuriem ierīce pārslēdzas. Pretējs mazs un liels signāls, atvērts un aizvērts stāvoklis - tā ir divējāda ierīču darbība.
Kopā ar pusvadītāju materiālu, ko izmanto monokristāla veidā, kas dažās vietās ir leģēts, tranzistora konstrukcijā ir šādi elementi.
- metāla vadi;
- dielektriskie izolatori;
- Tranzistora korpuss izgatavots no stikla, metāla, plastmasas, metālkeramikas.
Pirms bipolāro vai polāro ierīču izgudrošanas kā aktīvos elementus izmantoja elektroniskās vakuuma lampas. Tām izstrādātās shēmas pēc pārveidošanas tiek izmantotas pusvadītāju ierīču ražošanā. Tos varētu pieslēgt kā tranzistoru un pielietot, jo daudzas vakuumlampu funkcionālās īpašības ir piemērotas, aprakstot lauka ierīču darbību.
Priekšrocības un trūkumi, aizstājot lampas ar tranzistoriem
Tranzistoru izgudrošana ir dzinējspēks, kas veicināja inovatīvu tehnoloģiju ieviešanu elektronikā. Tīklā tiek izmantoti mūsdienīgi pusvadītāju elementi, un, salīdzinot ar vecākām lampu shēmām, šādiem izstrādājumiem ir priekšrocības:
- Mazs izmērs un neliels svars, kas ir svarīgi miniatūrās elektronikas izstrādājumos;
- iespēja iekārtu ražošanā izmantot automatizētus procesus un grupēt posmus, kas samazina ražošanas izmaksas;
- Nelielu strāvas avotu izmantošana zema sprieguma dēļ;
- tūlītēja aktivizācija, katoda sildīšana nav nepieciešama;
- Lielāka energoefektivitāte, jo zemāka enerģijas izkliedēšana;
- izturība un uzticamība;
- vienmērīga mijiedarbība ar tīkla papildu elementiem;
- izturība pret vibrāciju un triecieniem.
Trūkumi izpaužas šādos noteikumos:
- Silīcija tranzistori nedarbojas pie sprieguma, kas lielāks par 1 kW; lampas ir efektīvas pie sprieguma, kas lielāks par 1 līdz 2 kW;
- Lietojot tranzistorus lieljaudas apraides vai UHF raidītājos, paralēli savienotiem mazjaudas pastiprinātājiem jābūt saskaņotiem;
- Pusvadītāju elementu neaizsargātība pret elektromagnētisko signālu;
- Jūtīga reakcija uz kosmisko starojumu un radiāciju, tādēļ ir jāizstrādā pret radiāciju noturīgas mikroshēmas.
Pārslēgšanas diagrammas
Lai tranzistors darbotos vienā ķēdē, tam nepieciešami 2 ieejas un izejas savienojumi. Gandrīz visām pusvadītāju ierīcēm ir tikai 3 savienojuma punkti. Lai izkļūtu no sarežģītās situācijas, viens no galiem tiek apzīmēts kā kopīgs. Tādējādi ir 3 kopīgas savienojumu shēmas:
- bipolārajam tranzistoram;
- polārā ierīce;
- ar atvērtu drenāžu (kolektoru).
Bipolārais bloks ir savienots ar kopīgu emiteri gan sprieguma, gan strāvas pastiprināšanai (OE). Citos gadījumos tas atbilst digitālās mikroshēmas tapām, ja starp ārējo ķēdi un iekšējo savienojuma plānu ir augsts spriegums. Šādi darbojas kopējais kolektora savienojums, un ir tikai strāvas pieaugums (OK). Ja nepieciešams palielināt spriegumu, elements tiek ieviests ar kopēju bāzi (CB). Šī opcija labi darbojas saliktās kaskādes shēmās, bet reti tiek izmantota viena tranzistora konstrukcijās.
Shēmā ir iekļautas TIR un p-n savienojuma tipa lauka pusvadītāju ierīces:
- kopējais emiteris (JE) - savienojums, kas līdzīgs divpolārā moduļa JE.
- ar kopējo izeju (OC) - savienojums, kas līdzīgs OC tipa savienojumam.
- ar koplietošanas vārtiem (SW) - līdzīgi kā OE.
Atvērtā drenā plānos tranzistors ir iekļauts ar kopīgu emiteri kā mikroshēmas daļa. Kolektora kontakts nav savienots ar citām moduļa daļām, un slodze ir savienota ar ārējo savienotāju. Spriegumu un kolektora strāvu izvēle tiek veikta pēc projekta montāžas. Atvērtās drenāžas ierīces darbojas ķēdēs ar jaudīgiem izejas posmiem, kopņu draiveriem un TTL loģikas shēmām.
Kādam nolūkam tiek izmantoti tranzistori?
Pielietojums tiek diferencēts atkarībā no tā, vai ierīce ir bipolārais modulis vai lauka tranzistors. Kāpēc ir nepieciešami tranzistori? Ja nepieciešamas zemas strāvas, piemēram, digitālajos plānos, tiek izmantoti lauka tipi. Analogās shēmas nodrošina augstu pastiprinājuma linearitāti plašā barošanas spriegumu un izejas parametru diapazonā.
Bipolāro tranzistoru lietojumi ietver pastiprinātājus, kombinācijas, detektorus, modulatorus, tranzistoru loģiskās shēmas un loģiskos invertorus.
Tranzistoru pielietojuma jomas ir atkarīgas no to īpašībām. Tie darbojas 2 režīmos:
- Pastiprinātāja regulēšanā, mainot izejas impulsu ar nelielām vadības signāla novirzēm;
- Atslēgšanas kārtībā, kontrolējot jaudas padevi slodzēm, kad ieejas strāva ir zema, tranzistors ir pilnībā aizvērts vai pilnībā atvērts.
Pusvadītāju moduļa tips nemaina tā darbības apstākļus. Avots ir savienots ar slodzi, piemēram, slēdzi, skaņas pastiprinātāju, apgaismes ierīci, tas var būt elektronisks sensors vai jaudīgs blakus esošs tranzistors. Strāva iedarbina slodzes bloka darbību, un tranzistors ir savienots ķēdē starp bloku un avotu. Pusvadītāju modulis ierobežo ierīcei pievadīto jaudu.
Tranzistora izejas pretestība tiek pārveidota atbilstoši spriegumiem uz vadības vadītāja. Strāva un spriegums ķēdes sākumā un beigās mainās, palielinās vai samazinās un ir atkarīgs no tranzistora tipa un tā savienojuma veida. Kontrolējamā barošanas avota vadība izraisa strāvas, jaudas impulsa vai sprieguma palielināšanos.
Abi tranzistoru veidi tiek izmantoti šādos lietojumos:
- Digitālajā regulējumā. Ir izstrādāti digitālo pastiprinātāju shēmu eksperimentālie projekti, kas balstīti uz ciparu-analogu pārveidotājiem (DAC).
- Impulsu ģeneratoros. Atkarībā no ierīces tipa tranzistors darbojas atslēgas vai lineārā secībā, lai atveidotu attiecīgi taisnstūra vai patvaļīgus signālus.
- Elektroniskās aparatūras ierīcēs. lai aizsargātu informāciju un programmas no zādzības, nelikumīgas manipulācijas un izmantošanas. Darbība notiek atslēgas režīmā, strāva tiek vadīta analogā veidā un regulēta ar impulsa platumu. Tranzistori tiek izmantoti elektromotoru piedziņās, impulsu sprieguma regulatoros.
Monokristāliskie pusvadītāji un moduļi ķēžu atvēršanai un slēgšanai palielina jaudu, bet darbojas tikai kā slēdži. Lauka tranzistori tiek izmantoti digitālajās ierīcēs kā rentabli moduļi. Integrēto eksperimentu koncepcijas ražošanas metodes ietver tranzistoru ražošanu uz vienas silīcija mikroshēmas.
Kristālu miniaturizācijas rezultātā datori kļūst ātrāki, patērē mazāk enerģijas un rada mazāk siltuma.
Saistītie raksti:
