Rádioelektronický prvok z polovodičového materiálu vytvára, zosilňuje a modifikuje impulzy v integrovaných obvodoch a systémoch na ukladanie, spracovanie a prenos informácií pomocou vstupného signálu. Tranzistor je odpor, ktorého funkcia je regulovaná napätím medzi emitorom a bázou alebo zdrojom a hradlom, v závislosti od typu modulu.
Obsah
Typy tranzistorov
Tranzistory sa široko používajú pri výrobe digitálnych a analógových obvodov na vynulovanie statického prúdu spotrebiča a dosiahnutie lepšej linearity. Typy tranzistorov sa líšia tým, že niektoré sú riadené zmenou napätia, zatiaľ čo iné sú riadené zmenou prúdu.
Tranzistory s efektom poľa pracujú pri vyššom jednosmernom odpore, transformácia pri vysokej frekvencii nezvyšuje náklady na energiu. Zjednodušene povedané, čo je tranzistor, je to modul s vysokou hranou zosilnenia. Táto vlastnosť je väčšia pre typy polí ako pre bipolárne typy. Prvé z nich nemajú rozptyl nosičov náboja, čo urýchľuje prevádzku.
Polovodiče sa používajú častejšie kvôli výhodám oproti bipolárnym typom:
- Silná vstupná impedancia pri jednosmernom prúde a vysokej frekvencii znižuje straty energie pri riadení;
- Nedochádza k hromadeniu nepodstatných elektrónov, čo urýchľuje činnosť tranzistora;
- transport mobilných častíc;
- stabilita počas teplotných výkyvov;
- Nízka hlučnosť v dôsledku nedostatočného vstrekovania;
- Nízka spotreba energie počas prevádzky.
Typy tranzistorov a ich vlastnosti definujú účel. Zahrievanie bipolárneho tranzistora zvyšuje prúd na ceste od kolektora k emitoru. Majú záporný koeficient odporu a pohyblivé nosiče prúdia do kolektora z emitora. Tenká základňa je oddelená p-n prechodmi a prúd vzniká len vtedy, keď sa pohyblivé častice nahromadia a vstreknú do základne. Niektoré nosiče náboja sú zachytené susedným p-n prechodom a urýchlené, takto sú tranzistory navrhnuté.
Tranzistory s poľovým efektom majú ešte jednu výhodu, ktorú je potrebné spomenúť pre hlupákov. Sú zapojené paralelne bez vyrovnania odporu. Odpory sa na tento účel nepoužívajú, pretože ich hodnota sa automaticky zvyšuje so zmenou zaťaženia. Na dosiahnutie vysokej hodnoty spínacieho prúdu sa naberá komplex modulov, ktorý sa používa v meničoch alebo iných zariadeniach.
Bipolárny tranzistor nesmie byť zapojený paralelne, určenie funkčných parametrov vedie k zisteniu tepelného rozpadu nevratného charakteru. Tieto vlastnosti súvisia s technickými vlastnosťami jednoduchých p-n kanálov. Moduly sú zapojené paralelne pomocou rezistorov na vyrovnanie prúdu v emitorových obvodoch. V závislosti od funkčných vlastností a individuálnych špecifík sa tranzistory klasifikujú na bipolárne a poľom riadené typy.
Bipolárne tranzistory
Bipolárne konštrukcie sa vyrábajú ako polovodičové zariadenia s tromi vodičmi. V každej z elektród sa nachádzajú vrstvy s dierovou p-vodivosťou alebo prímesovou n-vodivosťou. Výber usporiadania vrstiev určuje uvoľnenie p-n-p alebo n-p-n typov zariadení. Keď je zariadenie zapnuté, diery a elektróny súčasne prenášajú rôzne typy nábojov, ide o 2 typy častíc.
Nosiče sa prenášajú difúznym mechanizmom. Atómy a molekuly látky prenikajú cez medzimolekulovú mriežku susedného materiálu a ich koncentrácia sa v celom objeme vyrovnáva. Presun sa uskutočňuje z oblastí s vysokou hustotou do oblastí s nízkou hustotou.
Elektróny sa šíria aj pôsobením silového poľa okolo častíc, keď sú legujúce prísady nerovnomerne začlenené do základnej hmoty. Aby sa urýchlila činnosť zariadenia, elektróda pripojená k strednej vrstve je tenká. Krajné vodiče sa nazývajú emitor a kolektor. Charakteristika spätného napätia prechodu nie je dôležitá.
Tranzistory s efektom poľa
Tranzistor s poľovým efektom riadi odpor pomocou elektrického priečneho poľa vznikajúceho z privedeného napätia. Miesto, z ktorého elektróny prechádzajú do kanála, sa nazýva zdroj a odtok vyzerá ako konečné miesto vstupu nábojov. Riadiace napätie prechádza vodičom nazývaným hradlo. Zariadenia sa delia na 2 typy:
- p-n prechod;
- Tranzistory TIR s izolovaným hradlom.
Prvý typ obsahuje polovodičovú doštičku, ktorá je pripojená k riadenému obvodu elektródami na opačných stranách (drain a source). Iný druh vodivosti nastáva po pripojení dosky k hradlu. Zdroj jednosmerného predpätia vložený do vstupného obvodu vytvára na spoji blokovacie napätie.
Zdroj zosilneného impulzu je tiež vo vstupnom obvode. Po zmene vstupného napätia sa príslušná hodnota na p-n prechode transformuje. Mení sa hrúbka vrstvy a plocha prierezu kanálového spoja v kryštáli, ktorý umožňuje tok nabitých elektrónov. Šírka kanála závisí od priestoru medzi deplečnou oblasťou (pod hradlom) a substrátom. Riadiaci prúd v počiatočnom a koncovom bode sa ovláda zmenou šírky vyčerpávajúcej oblasti.
Tranzistor TIR sa vyznačuje tým, že hradlo je od kanálovej vrstvy oddelené izolantom. V kryštáli polovodiča, ktorý sa nazýva substrát, sa vytvoria dopované miesta s opačným znamienkom. Vodiče - dren a zdroj - sú na nich namontované, pričom dielektrikum medzi nimi je vzdialené menej ako jeden mikrón. Na izolátore je umiestnená kovová elektróda - hradlo. Vzhľadom na výslednú štruktúru obsahujúcu kov, dielektrickú vrstvu a polovodič sa tranzistory označujú skratkou TIR.
Konštrukcia a obsluha pre začiatočníkov
Technológia pracuje nielen s elektrickým nábojom, ale aj s magnetickým poľom, svetelnými kvantami a fotónmi. Princíp činnosti tranzistora spočíva v stavoch, medzi ktorými zariadenie prepína. Opačný malý a veľký signál, otvorený a zatvorený stav - to je dvojitá prevádzka zariadení.
Spolu s polovodičovým materiálom v jeho zložení, ktorý sa používa vo forme monokryštálu dopovaného na niektorých miestach, má tranzistor vo svojej konštrukcii:
- kovové prívody;
- dielektrické izolátory;
- Puzdro tranzistora vyrobené zo skla, kovu, plastu, kovovej keramiky.
Pred vynájdením bipolárnych alebo polárnych zariadení sa ako aktívne prvky používali elektronické vákuové trubice. Obvody pre ne vyvinuté sa po úprave používajú pri výrobe polovodičových zariadení. Mohli by byť zapojené ako tranzistor a použité, pretože mnohé funkčné charakteristiky vákuových trubíc sú vhodné pri popise činnosti poľných zariadení.
Výhody a nevýhody nahradenia elektrónok tranzistormi
Vynález tranzistorov je hnacou silou zavádzania inovatívnych technológií v elektronike. V sieti sa používajú moderné polovodičové prvky a v porovnaní so staršími elektrónkovými obvodmi má takýto vývoj výhody:
- Malé rozmery a nízka hmotnosť, čo je dôležité pre miniatúrnu elektroniku;
- možnosť uplatnenia automatizovaných procesov pri výrobe zariadení a zoskupovanie krokov, čo znižuje náklady na výrobu;
- Použitie malých zdrojov prúdu kvôli požiadavke na nízke napätie;
- okamžitá aktivácia, bez potreby zahrievania katódy;
- Zvýšená energetická účinnosť vďaka nižšiemu rozptylu energie;
- robustnosť a spoľahlivosť;
- hladkú interakciu s ďalšími prvkami v sieti;
- odolnosť voči vibráciám a nárazom.
Nevýhody sa prejavujú v nasledujúcich ustanoveniach:
- Kremíkové tranzistory nefungujú pri napätí vyššom ako 1 kW; lampy sú účinné pri napätí nad 1 až 2 kW;
- Pri použití tranzistorov vo vysokovýkonných vysielačoch alebo vysielačoch UHF musia byť paralelne zapojené zosilňovače s nízkym výkonom zosúladené;
- Zraniteľnosť polovodičových prvkov voči elektromagnetickému signálu;
- citlivú odozvu na kozmické žiarenie a radiáciu, čo si v tejto súvislosti vyžaduje vývoj mikroobvodov odolných voči žiareniu.
Spínacie diagramy
Aby mohol tranzistor pracovať v jednom obvode, potrebuje 2 vstupné a výstupné piny. Takmer všetky polovodičové zariadenia majú len 3 body pripojenia. Aby sme sa dostali z tejto situácie, jeden z koncov je označený ako spoločný. Preto existujú 3 spoločné schémy pripojenia:
- pre bipolárny tranzistor;
- polárne zariadenie;
- s otvoreným odtokom (kolektorom).
Bipolárna jednotka je pripojená so spoločným emitorom na zosilnenie napätia aj prúdu (OE). V iných prípadoch zodpovedá pinom digitálneho čipu, keď je medzi vonkajším obvodom a vnútorným plánom pripojenia vysoké napätie. Takto funguje spoločné kolektorové zapojenie a dochádza len k zvýšeniu prúdu (OK). Ak sa vyžaduje zvýšenie napätia, prvok sa zavedie so spoločnou základňou (CB). Táto možnosť dobre funguje v zložených kaskádových obvodoch, ale zriedkavo sa používa v jednotranzistorových konštrukciách.
V obvode sú zahrnuté polovodičové zariadenia typu TIR a p-n prechod:
- spoločný emitor (JE) - zapojenie podobné JE bipolárneho modulu
- so spoločným výstupom (OC) - pripojenie podobné typu OC
- so spoločnou bránou (CG) - podobne ako OE.
V plánoch s otvoreným vypúšťaním je tranzistor súčasťou čipu so spoločným emitorom. Kolektorový kolík nie je pripojený k žiadnym iným častiam modulu a záťaž ide na vonkajší konektor. Výber napätia a kolektorového prúdu sa vykoná po zostavení projektu. Zariadenia s otvoreným odtokom pracujú v obvodoch s výkonnými výstupnými stupňami, ovládačmi zbernice a logickými obvodmi TTL.
Na čo slúžia tranzistory?
Aplikácia sa rozlišuje podľa toho, či ide o bipolárny modul alebo tranzistor s poľom. Prečo sú potrebné tranzistory? Ak sa vyžadujú nízke prúdy, napr. v digitálnych plánoch, používajú sa typy polí. Analógové obvody dosahujú vysokú linearitu zosilnenia v širokom rozsahu napájacích napätí a výstupných parametrov.
Medzi aplikácie bipolárnych tranzistorov patria zosilňovače, kombinácie, detektory, modulátory, tranzistorové logické obvody a logické invertory.
Oblasti použitia tranzistorov závisia od ich vlastností. Pracujú v 2 režimoch:
- Pri regulácii zosilňovača zmena výstupného impulzu pri malých odchýlkach riadiaceho signálu;
- V kľúčovacom poradí riadi napájanie záťaže, keď je vstupný prúd nízky, tranzistor je úplne uzavretý alebo úplne otvorený.
Typ polovodičového modulu nemení jeho prevádzkové podmienky. Zdroj je pripojený k záťaži, napr. k spínaču, zosilňovaču zvuku, svietidlu, môže to byť elektronický snímač alebo výkonný susedný tranzistor. Prúd spustí činnosť záťažovej jednotky a tranzistor je zapojený v obvode medzi jednotkou a zdrojom. Polovodičový modul obmedzuje príkon jednotky.
Odpor na výstupe tranzistora sa transformuje podľa napätia na riadiacom vodiči. Prúd a napätie na začiatku a na konci obvodu sa menia, zvyšujú alebo znižujú a závisia od typu tranzistora a spôsobu jeho zapojenia. Ovládanie riadeného napájania vedie k zvýšeniu prúdu, výkonovému impulzu alebo zvýšeniu napätia.
Oba typy tranzistorov sa používajú v nasledujúcich aplikáciách:
- V digitálnej regulácii. Boli vyvinuté experimentálne návrhy digitálnych zosilňovacích obvodov založených na digitálno-analógových prevodníkoch (DAC).
- V pulzných generátoroch. V závislosti od typu jednotky pracuje tranzistor v kľúčovom alebo lineárnom poradí na reprodukciu obdĺžnikových, resp. ľubovoľných signálov.
- V elektronických hardvérových zariadeniach. Ochrana informácií a programov pred krádežou, nezákonnou manipuláciou a používaním. Prevádzka je v kľúčovom režime, prúd je riadený analógovo a regulovaný šírkou impulzu. Tranzistory sa používajú v pohonoch elektromotorov, pulzných regulátoroch napätia.
Monokryštalické polovodiče a moduly na otváranie a zatváranie obvodov zvyšujú výkon, ale fungujú len ako spínače. Tranzistory s efektom poľa sa používajú v digitálnych zariadeniach ako cenovo výhodné moduly. Výrobné techniky v koncepcii integrovaných experimentov zahŕňajú výrobu tranzistorov na jednom kremíkovom čipe.
Miniaturizácia kryštálov vedie k rýchlejším počítačom, nižšej spotrebe energie a nižšej produkcii tepla.
Súvisiace články:
