Jak działa tranzystor i gdzie się go używa?

Element radioelektroniczny wykonany z materiału półprzewodnikowego tworzy, wzmacnia i modyfikuje impulsy w układach scalonych i systemach do przechowywania, przetwarzania i przesyłania informacji z wykorzystaniem sygnału wejściowego. Tranzystor to rezystor, którego działanie jest regulowane przez napięcie między emiterem a bazą lub źródłem a bramką, w zależności od typu modułu.

Rodzaje tranzystorów

Tranzystory są powszechnie stosowane w produkcji obwodów cyfrowych i analogowych w celu wyzerowania statycznego prądu odbiornika i uzyskania lepszej liniowości. Typy tranzystorów różnią się tym, że niektóre są sterowane zmianą napięcia, a inne zmianą natężenia prądu.

Tranzystory polowe pracują przy wyższej rezystancji przy prądzie stałym, a przekształcanie przy wysokiej częstotliwości nie zwiększa kosztów energii. Najprościej rzecz ujmując, tranzystor to moduł o dużym wzmocnieniu krawędziowym. Ta cecha jest większa dla typów polowych niż dla typów bipolarnych. W przypadku tych pierwszych nie występuje rozpraszanie nośników ładunku, co przyspiesza działanie.

Półprzewodniki polowe są częściej stosowane ze względu na ich zalety w porównaniu z typami bipolarnymi:

• Wysoka impedancja wejściowa przy prądzie stałym i wysokiej częstotliwości zmniejsza straty mocy podczas sterowania;
• Nie gromadzą się zbędne elektrony, co przyspiesza działanie tranzystora;
• transport cząstek ruchomych;
• stabilność podczas wahań temperatury;
• Niski poziom hałasu ze względu na brak wtrysku;
• Niskie zużycie energii podczas pracy.

Rodzaje tranzystorów i ich właściwości określają przeznaczenie. Podgrzewanie tranzystora bipolarnego powoduje wzrost prądu na drodze od kolektora do emitera. Mają one ujemny współczynnik oporu, a poruszające się nośniki przepływają do kolektora z emitera. Cienka baza jest oddzielona złączami p-n i prąd powstaje tylko wtedy, gdy ruchome cząsteczki gromadzą się i są wstrzykiwane do bazy. Niektóre z nośników ładunku są wychwytywane przez sąsiednie złącze p-n i przyspieszane - tak właśnie projektuje się tranzystory.

Tranzystory polowe mają jeszcze jedną zaletę, o której należy wspomnieć. Są one połączone równolegle bez wyrównywania rezystancji. Nie używa się do tego celu rezystorów, ponieważ ich wartość wzrasta automatycznie wraz ze zmianą obciążenia. Aby uzyskać wysoką wartość prądu przełączania, rekrutuje się zespół modułów, który jest stosowany w falownikach lub innych urządzeniach.

Tranzystor bipolarny nie może być łączony równolegle, określenie parametrów funkcjonalnych prowadzi do wykrycia nieodwracalnej awarii termicznej. Właściwości te są związane z technicznymi właściwościami prostych kanałów p-n. Moduły są połączone równolegle za pomocą rezystorów, aby wyrównać prąd w obwodach emiterów. W zależności od cech funkcjonalnych i indywidualnej specyfiki, w klasyfikacji tranzystorów wyróżnia się typy bipolarne i polowe.

Tranzystory bipolarne

Konstrukcje bipolarne są produkowane jako przyrządy półprzewodnikowe z trzema przewodnikami. W każdej z elektrod znajdują się warstwy o przewodności dziur p lub o przewodności zanieczyszczeń n. Wybór układu warstw decyduje o zwolnieniu urządzeń typu p-n-p lub n-p-n. Gdy urządzenie jest włączone, dziury i elektrony niosą jednocześnie różne rodzaje ładunków, co oznacza, że mamy do czynienia z dwoma rodzajami cząstek.

Nośniki są transportowane za pomocą mechanizmu dyfuzji. Atomy i cząsteczki danej substancji przenikają przez siatkę międzycząsteczkową sąsiedniego materiału, a ich stężenie wyrównuje się w całej objętości. Transfer odbywa się z obszarów o dużej gęstości zaludnienia do obszarów o małej gęstości zaludnienia.

Elektrony rozchodzą się również pod wpływem działania pola sił wokół cząstek, gdy dodatki stopowe są nierównomiernie wbudowane w masę podstawową. Aby przyspieszyć działanie urządzenia, elektroda połączona z warstwą środkową jest cienka. Przewodniki skrajne są nazywane emiterem i kolektorem. Charakterystyka napięcia wstecznego złącza jest nieistotna.

Tranzystory z efektem polowym

Tranzystor polowy steruje rezystancją za pomocą elektrycznego pola poprzecznego powstającego w wyniku przyłożonego napięcia. Miejsce, z którego elektrony przechodzą do kanału, nazywane jest źródłem, a dren jest końcowym punktem wejścia ładunków. Napięcie sterujące przepływa przez przewodnik zwany bramką. Urządzenia są podzielone na 2 typy:

• złącze p-n;
• Tranzystory TIR z izolowaną bramką.

Pierwszy typ zawiera płytkę półprzewodnikową, która jest połączona z obwodem sterującym za pomocą elektrod po przeciwnych stronach (dren i źródło). Inny rodzaj przewodnictwa występuje po połączeniu płytki z bramką. Źródło napięcia stałego włączone w obwód wejściowy wytwarza na złączu napięcie blokujące.

Źródło wzmocnionego impulsu również znajduje się w obwodzie wejściowym. Po zmianie napięcia wejściowego odpowiednia liczba na złączu p-n ulega przekształceniu. Modyfikowana jest grubość warstwy i pole przekroju poprzecznego złącza kanału w krysztale, który umożliwia przepływ naładowanych elektronów. Szerokość kanału zależy od przestrzeni między obszarem zubożenia (pod bramką) a podłożem. Prąd sterujący w punktach początkowym i końcowym jest kontrolowany przez zmianę szerokości obszaru zubożenia.

Tranzystor TIR charakteryzuje się tym, że bramka jest oddzielona od warstwy kanału izolatorem. W krysztale półprzewodnika, zwanym podłożem, powstają miejsca domieszkowane o przeciwnym znaku. Przewodniki - dren i źródło - są na nich zamocowane, a pomiędzy nimi znajduje się dielektryk w odległości mniejszej niż mikron. Na izolatorze umieszczona jest metalowa elektroda - bramka. Ze względu na powstałą w ten sposób strukturę zawierającą metal, warstwę dielektryczną i półprzewodnik, tranzystorom nadaje się skrót TIR.

Konstrukcja i obsługa dla początkujących

Technologia operuje nie tylko ładunkiem elektrycznym, ale także polem magnetycznym, kwantami światła i fotonami. Zasada działania tranzystora polega na stanach, między którymi urządzenie się przełącza. Przeciwstawny mały i duży sygnał, stan otwarty i zamknięty - to jest właśnie podwójne działanie urządzeń.

Wraz z materiałem półprzewodnikowym w swoim składzie, stosowanym w postaci pojedynczego kryształu domieszkowanego w niektórych miejscach, tranzystor ma w swojej budowie

• przewody metalowe;
• izol izol izolacje dielektryczne;
• Obudowa tranzystora wykonana ze szkła, metalu, tworzywa sztucznego, ceramiki metalowej.

Przed wynalezieniem urządzeń bipolarnych lub polarnych jako elementy aktywne stosowano elektroniczne lampy próżniowe. Obwody opracowane dla nich są, po modyfikacji, wykorzystywane do produkcji przyrządów półprzewodnikowych. Można je podłączyć jako tranzystor i zastosować, ponieważ wiele cech funkcjonalnych lamp próżniowych jest odpowiednich do opisywania działania urządzeń polowych.

Zalety i wady zastąpienia lamp tranzystorami

Wynalazek tranzystorów jest siłą napędową wprowadzania innowacyjnych technologii w elektronice. W sieci zastosowano nowoczesne elementy półprzewodnikowe, które w porównaniu ze starszymi układami lampowymi mają zalety:

• Mały rozmiar i niewielka masa, co jest ważne w przypadku miniaturowych układów elektronicznych;
• możliwość zastosowania zautomatyzowanych procesów do produkcji urządzeń i grupowania etapów, co obniża koszty produkcji;
• Wykorzystanie źródeł prądu o małym natężeniu ze względu na wymagane niskie napięcie;
• natychmiastowa aktywacja, bez konieczności podgrzewania katody;
• Zwiększona wydajność energetyczna dzięki mniejszemu rozproszeniu mocy;
• solidność i niezawodność;
• płynna interakcja z dodatkowymi elementami sieci;
• odporność na wibracje i wstrząsy.

Wady przejawiają się w następujących zapisach:

• Tranzystory krzemowe nie działają przy napięciu większym niż 1 kW; lampy są skuteczne przy napięciu powyżej 1 do 2 kW;
• W przypadku stosowania tranzystorów w nadajnikach dużej mocy lub UHF należy dopasować równolegle połączone wzmacniacze małej mocy;
• Podatność elementów półprzewodnikowych na działanie sygnału elektromagnetycznego;
• Wrażliwa reakcja na promienie kosmiczne i promieniowanie, wymagająca opracowania odpornych na promieniowanie mikroukładów w tym zakresie.

Schematy połączeń

Aby tranzystor mógł działać w jednym obwodzie, wymaga dwóch połączeń wejściowych i wyjściowych. Prawie wszystkie urządzenia półprzewodnikowe mają tylko 3 punkty przyłączeniowe. Aby wyjść z tej sytuacji, jeden z końców jest oznaczony jako wspólny. Istnieją więc 3 wspólne schematy połączeń:

• dla tranzystora bipolarnego;
• urządzenie polarne;
• z otwartym drenem (kolektorem).

Moduł bipolarny jest połączony ze wspólnym emiterem w celu wzmocnienia zarówno napięciowego, jak i prądowego (OE). W innych przypadkach harmonizuje styki układu cyfrowego, gdy pomiędzy obwodem zewnętrznym a wewnętrznym planem połączeń występuje wysokie napięcie. W ten sposób działa wspólne połączenie kolektorów i następuje tylko wzrost prądu (OK). Jeśli wymagany jest wzrost napięcia, element jest wprowadzany ze wspólną podstawą (CB). Opcja ta sprawdza się w złożonych układach kaskadowych, ale jest rzadko stosowana w projektach z pojedynczym tranzystorem.

W układzie znajdują się półprzewodnikowe przyrządy polowe typu TIR i p-n:

• wspólny emiter (JE) - połączenie podobne do JE modułu bipolarnego
• z wyjściem wspólnym (OC) - połączenie podobne do typu OC
• ze wspólną bramą (SW) - podobnie jak OE.

W układach z otwartym drenem tranzystor jest dołączony do układu scalonego ze wspólnym emiterem. Styki kolektora nie są połączone z żadnymi innymi częściami modułu, a obciążenie trafia do złącza zewnętrznego. Wyboru napięć i prądów kolektora dokonuje się po zmontowaniu projektu. Urządzenia z otwartym drenem pracują w obwodach ze stopniami wyjściowymi o dużej mocy, sterownikami magistrali i układami logicznymi TTL.

Do czego służą tranzystory?

Zastosowanie jest zróżnicowane w zależności od tego, czy urządzenie jest modułem bipolarnym, czy urządzeniem polowym. Dlaczego tranzystory są potrzebne? Jeśli wymagane są małe prądy, np. w planach cyfrowych, stosuje się typy polowe. Obwody analogowe osiągają wysoką liniowość wzmocnienia w szerokim zakresie napięć zasilania i parametrów wyjściowych.

Zastosowania tranzystorów bipolarnych obejmują wzmacniacze, kombinacje, detektory, modulatory, tranzystorowe układy logiczne i inwertery logiczne.

Obszary zastosowań tranzystorów zależą od ich właściwości. Działają one w dwóch trybach:

• W regulacji wzmacniacza, zmiana impulsu wyjściowego przy małych odchyleniach sygnału sterującego;
• W układzie kluczowania, sterującym zasilaniem odbiorników, gdy prąd wejściowy jest niski, tranzystor jest całkowicie zamknięty lub całkowicie otwarty.

Typ modułu półprzewodnikowego nie zmienia warunków jego pracy. Źródło jest podłączone do obciążenia, np. przełącznika, wzmacniacza dźwięku, oprawy oświetleniowej, może to być czujnik elektroniczny lub sąsiedni tranzystor o dużej mocy. Prąd uruchamia działanie zespołu obciążenia, a tranzystor jest podłączony w obwodzie między zespołem a źródłem. Moduł półprzewodnikowy ogranicza moc pobieraną przez urządzenie.

Rezystancja na wyjściu tranzystora jest przekształcana zgodnie z napięciami na przewodzie sterującym. Prąd i napięcie na początku i na końcu obwodu zmieniają się, zwiększając się lub zmniejszając, i zależą od typu tranzystora oraz sposobu jego podłączenia. Sterowanie sterowanym zasilaczem prowadzi do zwiększenia prądu, impulsu mocy lub wzrostu napięcia.

Oba typy tranzystorów są używane w następujących zastosowaniach:

1. W regulacji cyfrowej. Opracowano eksperymentalne projekty układów wzmacniaczy cyfrowych opartych na przetwornikach cyfrowo-analogowych (DAC).
2. W generatorach impulsów. W zależności od typu urządzenia, tranzystor działa w układzie kluczującym lub liniowym, aby odtworzyć odpowiednio sygnały prostokątne lub arbitralne.
3. W elektronicznych urządzeniach sprzętowych. Ochrona informacji i programów przed kradzieżą, nielegalną manipulacją i wykorzystaniem. Tryb pracy jest kluczowy, prąd jest sterowany analogowo i regulowany szerokością impulsu. Tranzystory są stosowane w napędach silników elektrycznych, impulsowych regulatorach napięcia.

Monokrystaliczne półprzewodniki i moduły do otwierania i zamykania obwodów zwiększają moc, ale działają tylko jako przełączniki. Tranzystory polowe są stosowane w urządzeniach cyfrowych jako ekonomiczne moduły. Techniki produkcyjne w koncepcji eksperymentów zintegrowanych polegają na wytwarzaniu tranzystorów na pojedynczym układzie scalonym z krzemu.

Miniaturyzacja kryształów prowadzi do powstania szybszych komputerów, zużywających mniej energii i wytwarzających mniej ciepła.

Powiązane artykuły: