Полевые транзисторы:
Как работают транзисторы: типы и различия
Транзистор – это полупроводниковый прибор с тремя или более электродами. Сопротивление спая является нелинейным и зависит от напряжения, приложенного к управляющему электроду.
Эти устройства делятся на полевые и биполярные транзисторы (некоторые другие типы были введены позже). Сегодня транзисторы выполняют почти все основные функции усилителей-генераторов и переключателей.
Первые транзисторы могли работать только при низких напряжениях порядка десятков вольт и частотах до сотен МГц. Позже появились маломощные образцы с частотой выше 1 ГГц. Во время первого космического полета корабля “Восток-1” на его борту находилось более 600 транзисторов. Однако основные функции выполняли электронные радиолампы. Промышленность продолжала выпускать их до 1980-х и 1990-х годов. Однако со временем вакуумные лампы были вытеснены появлением сверхвысокочастотных, мощных и высоковольтных транзисторов, IGBT, мосфетов и других.
На сегодняшний день существуют десятки транзисторов, и их число продолжает расти. Давайте рассмотрим некоторые из них.
Биполярные транзисторы
Это наиболее распространенные усиливающие устройства, имеющие 3 электрода:
• Коллекционер;
Четвертый электрод, корпус, иногда используется при экранировании кристалла. Чтобы включить транзистор в схему с двумя цепями (цепь управления и цепь контроля), необходимо общее соединение между одним из выводов. Существуют цепи с:
• ОК – усиливается только ток;
• OE – усиливается как ток, так и напряжение;
• OB – напряжение усиливается.
Кристалл в биполярных устройствах изготавливается из кремния, реже из германия. Последний имеет более низкое напряжение смещения, около 0,45 В. Он подается на базу, обеспечивая нормальную работу устройства.
В полупроводниковых структурах для эмиттера используются p-n-p плюс и n-p-n минус. Существуют и другие типы, которые относятся к биполярным транзисторам.
Транзисторы с одним переходом имеют эмиттер на одной стороне перехода и 2 базы, прикрепленные на противоположных сторонах другого перехода. В этих устройствах дифференциальное сопротивление оказывает негативное влияние на вольт-амперные характеристики.
Многоэмиттерные транзисторы в основном используются в качестве встроенных компонентов в логических устройствах. Однако существуют сборки, содержащие биполярные транзисторы с несколькими эмиттерами, которые эффективно изолируют несколько входных или выходных цепей.
Сверхвысокочастотные транзисторы также используются в интегральных схемах. Однако существуют дискретные компоненты, возможности усиления которых заканчиваются при приближении к 100 ГГц.
Полевые транзисторы
Выходы полевых транзисторов:
И биполярные, и полевые транзисторы имеют 3 типа переключения, при которых схема:
• z OC (общий сток) только усиливает ток;
• ОМ – ток и напряжение;
• OZ – напряжение.
Работа полевого транзистора заключается в сужении/расширении токоведущей части под воздействием электрического поля, создаваемого приложением определенного напряжения к управляющему электроду (затвору).
Приборы этого класса могут иметь затвор в виде p-n-перехода, а сам электрод прикреплен либо к n-каналу (- на стоке), либо к p-каналу (+ на стоке). Также были разработаны полевые транзисторы с изолированным затвором, которые имеют встроенный или индуктивный канал. Кроме того, все они разделены полюсами с n- или p-каналом.
Транзисторы Мосфета содержат более сложную так называемую МОП-структуру. По этой причине эти устройства имеют сопротивления спаев от единиц ом до нескольких мом. Токи могут достигать десятков и даже сотен ампер.
IGBT транзисторы представляют собой составные устройства, в которых мощный биполярный транзистор снабжен полевым транзистором на входе. В этом случае составное устройство имеет высокий коэффициент усиления и входной импеданс. Структура IGBT может быть построена из биполярного транзистора большой мощности, биполярного транзистора малой мощности и полевого транзистора. Такое устройство используется в выходных каскадах мощных преобразователей напряжения, импульсных источниках питания.
В современной электронике транзисторы играют очень важную роль, они используются практически на всех ее этапах. В каталоге ZUM-SMD представлены практически все транзисторы известных марок, используемые в электронике.
В полевом транзисторе ток течет от истока к стоку через канал под затвором. В легированном полупроводнике в зазоре между затвором и недопированной подложкой существует канал, в котором нет носителей заряда и который не может проводить ток. Предпочтительно под затвором находится обедненная область, которая также свободна от носителей заряда из-за образования контакта Шоттки между легированным полупроводником и металлическим затвором. Поэтому ширина канала ограничена пространством между подложкой и обедненной областью. Напряжение, приложенное к затвору, увеличивает или уменьшает ширину области обеднения и, следовательно, ширину канала, управляя током.
Оглавление
Первые патенты на принцип работы полевых транзисторов были зарегистрированы в Германии в 1928 году. (в Канаде 22 октября 1925 года) в честь австро-венгерского физика Юлиуса Эдгара Лилиенфельда. [1] [2] В 1934 году немецкий физик Оскар Хайль (англ.) русск. запатентовал полевой транзистор. Полевые транзисторы (в частности, МОП-транзисторы) основаны на простом эффекте электростатического поля и по физике гораздо проще биполярных транзисторов, именно поэтому они были изобретены и запатентованы задолго до биполярных транзисторов. Тем не менее, первый МОП-транзистор, который составляет основу современной компьютерной индустрии, был выпущен позже биполярного транзистора, в 1960 году. Только в 1990-х годах технология MOSFET начала доминировать над биполярной технологией.
В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в Bell Labs впервые создали рабочий биполярный транзистор, продемонстрировав его 16 декабря. 23 декабря изобретение было официально представлено, и эта дата считается днем изобретения транзистора. С точки зрения технологии производства он принадлежал к классу транзисторов типа “точка-точка”. В 1956 году. были удостоены Нобелевской премии по физике “за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта”. Интересно, что вскоре Джон Бардин получил вторую Нобелевскую премию за создание теории сверхпроводимости.
Позже транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, совершив революцию в интегральных схемах и компьютерах.
Белл нужно было придумать название для устройства. Было предложено название “полупроводниковый триод”. (полупроводниковый триод, твердотельный триод, поверхностный триод, кристаллический триод и “Иотатрон”, но слово “транзистор” (передача и сопротивление) была придумана Джоном Р. Пирсом (Джон Р. Пирс), стал победителем по итогам внутреннего голосования.
Первоначально название “транзистор” относилось к резисторам, управляемым напряжением. Фактически, транзистор можно рассматривать как своего рода резистор, регулируемый напряжением на одном из его электродов (в полевых транзисторах – напряжением между затвором и истоком, в биполярных транзисторах – напряжением между базой и эмиттером). – базовый ток.
Чтобы представить ситуацию в перспективе, давайте рассмотрим работу биполярного транзистора (наиболее распространенный тип).
Физические процессы в транзисторе
Давайте теперь подробно объясним, почему это происходит, т.е. почему транзистор открывается и закрывается. Возьмем для примера биполярный транзистор. Да будет так. n-p-n транзистор.
Если мы подключим питание между коллектором и эмиттером, электроны из коллектора будут притягиваться к плюсовой стороне, но тока между коллектором и эмиттером не будет. Этому препятствует базовый слой и сам слой-эмиттер.
Закрытый транзистор
Однако если между базой и эмиттером подключить дополнительный источник, то электроны из n-слоя эмиттера начнут перетекать в базовый слой. Это обогатит площадь базы свободными электронами, часть из которых рекомбинирует с дырками, часть перейдет на плюсовую сторону базы, а часть (большинство) – на коллектор.
Поэтому транзистор открыт, и через него течет ток эмиттер-коллектор. Если увеличить напряжение базы, то ток эмиттер-коллектор также увеличится. И при небольшом изменении управляющего напряжения происходит значительное увеличение тока коллектор-эмиттер. Это эффект, на котором основаны транзисторы в усилителях.
Открытый транзистор
Вот, в двух словах, как работают транзисторы. Вам нужно за ночь рассчитать усилитель мощности с биполярными транзисторами или выполнить лабораторную работу по транзисторам? Это не проблема даже для новичков, если вы получите квалифицированную помощь от нашей студенческой службы.
Не стесняйтесь обращаться за профессиональной помощью в таком важном деле, как наука! А теперь, когда вы имеете представление о транзисторах, мы предлагаем вам расслабиться и посмотреть клип группы Korn “Twisted transistor”! Например, если вы решили приобрести отчет по практике, обратитесь в группу перехода.
- Инспекционная бумага с 1-го дня / от 120р. Узнайте, сколько это стоит
- Диссертация от 7 дней / от 9540 р. Узнайте больше о стоимости
- Курсовая работа от 5 дней / от 2160 р. Узнайте больше о стоимости
- Коллективная работа от 1 дня / от 840 р. Оценка стоимости
Иван Колобков, также известный как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер в компании Zaochnik. Многообещающий молодой писатель. Воспитывает любовь к физике, редким вещам и произведениям С. Буковски.
Если к такому материалу приложить напряжение, он будет вести себя интересным образом: при постоянном напряжении обедненный слой будет разжижаться и через него будет протекать электрический ток, а при обратном напряжении он будет расширяться.
Полевой транзистор
В то время как биполярный транзистор управлялся током, полевой транзистор управляется напряжением. Он состоит из полупроводниковой пластины, которая называется каналом. С одной стороны к нему подключен источник, через который носители тока входят в канал, а с другой – сток, через который они покидают канал.
Сам канал как бы “зажат” между затвором, который имеет обратную проводимость, т.е. в то время как канал является n-проводящим, затвор является p-проводящим. Затвор электрически изолирован от канала. Изменяя напряжение на затворе, можно управлять площадью p-n-перехода. Чем он больше, тем меньше электричества проходит через канал. Существует значение напряжения, при котором затвор полностью закрывает канал и ток между истоком и стоком прекращается.
Наиболее наглядной иллюстрацией в этом случае является садовый шланг, проходящий через камеру небольшого колеса. При этом уже при небольшом давлении воздуха (напряжение затвор-исток) значительно увеличивает свои размеры и начинает сжимать шланг, перекрывая его просвет и останавливая поток воды (площадь поверхности p-n-перехода увеличивается и электрический ток перестает протекать по каналу).
Тип полупроводникового прибора, описанный выше, является классическим и называется управляющим транзистором с p-n-переходом. Часто можно встретить аббревиатуру JFET – Junction FET, которая является просто английским переводом русского названия.
Второй тип полевого триода имеет небольшое отличие в конструкции затвора. Диэлектрический слой из оксида кремния формируется на слое кремния путем окисления. Уже на самом верху ворота осаждаются металлическим напылением. В результате образуется чередующийся слой металл-диэлектрик-полупроводник или затворный слой МДП.
Такой полевой транзистор с изолированным затвором обозначается латинскими буквами MOSFET.
Существует два типа транзисторов MOSFET:
- МДП-затвор с индуцированным (или обратным) каналом нормально закрыт, т.е. через него не протекает электрический ток, когда к затвору не приложено напряжение. Чтобы открыть его, необходимо подать напряжение на затвор.
- МДП-затвор со встроенным (или собственным) каналом нормально открыт, т.е. напряжение на затвор не подается и ток через канал не течет. Чтобы закрыть его, необходимо подать напряжение на затвор.
Носители заряда движутся к коллектору через тонкий базовый слой. Базовый слой отделен от верхнего и нижнего p-n-переходов.
Полевой транзистор
Функция такая же, как у биполярного транзистора, но структура отличается. Транзисторы координируют большую мощность при аналогичном размере.
Структура имеет компоненты:
- Слив для приема высоких напряжений;
- Затвор для управляемого напряжения;
- Источник для распределения напряжения в открытом положении.
Как это работает.
В приборах полевого типа ток течет к стоку через канал в легированном проводнике под затвором. Он расположен между нелегированным слоем (без носителей заряда) и затвором. Существует область истощения, где ток не течет.
Ширина канала ограничена областью между областью обеднения и слоем. Сила тока регулируется изменением напряжения, приложенного к затвору. В этом случае изменяется сечение канала и меняется величина выходного тока.
Схемы подключения
Полевые транзисторы подключаются одним из трех способов:
- общий слив;
- общий источник;
- Общая база.
Схема с общим стоком аналогично соединению биполярного модуля с общим коллектором. Этот тип подключения используется в каскадах согласования, где входное напряжение высокое, а выходное – низкое. Соединение поддерживает широкий диапазон частот.
Схема общего источника дает большое увеличение мощности и электрического тока, а фаза напряжения в цепи стока меняется на противоположную. Входное сопротивление может составлять несколько сотен мегаом; для его уменьшения между источником и затвором добавляется резистор.
В программе с с общими воротами Усиление тока отсутствует, и коэффициент усиления мощности невелик. Напряжение находится в той же фазе, что и управляющее напряжение. При изменении входного импульса напряжение на источнике увеличивается или уменьшается.
Все транзисторы содержат комбинацию областей n- и p-проводников, и для большинства типов транзисторов существует комплементарная пара, в которой n-областям одного транзистора соответствуют p-области другого, и наоборот.
Биполярные транзисторы: a) общее обозначение (pnp и npn), b) без обозначения корпуса, c) отвод, d) коллектор соединен с корпусом, e) двойной эмиттер, f) Шоттки; g) транзистор с одним переходом; полевые транзисторы: h) управляющий переход, i) изолированный затвор и индуцированный канал, j) встроенный канал, k) вывод подложки, m) двойной затвор.
Существует множество типов транзисторов с различными принципами действия, конструкциями и рабочими характеристиками.
По принципу действия все транзисторы можно разделить на следующие основные типы
- Биполярный,
- Полевые транзисторы.
Рабочий ток в полевом транзисторе управляется электрическим полем в области затвора управляющего электрода. В биполярном транзисторе управление обеспечивается током на управляющем электроде – базе.
Все транзисторы содержат комбинацию доменов n- и p-проводников, и для большинства типов транзисторов существует комплементарная пара, в которой n-областям одного транзистора соответствуют p-области другого, и наоборот.
Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор имеет три электрода: эмиттер, базу и коллектор. Ток в базе управляет током эмиттер-коллектор. Биполярные транзисторы могут быть npn или pnp типа, в зависимости от их внутренней структуры. Они отличаются полярностью подключения в цепи.
Полевые транзисторы
Полевой транзистор имеет три основных электрода: исток, сток и затвор. Затвор является управляющим электродом, и его потенциал создает электрическое поле, которое изменяет ширину канала, или области проводимости, между истоком и стоком. В зависимости от типа транзисторы могут быть n-канальными и p-канальными. Тип канала определяет полярность работы на управляющем электроде.
Существует несколько типов полевых транзисторов:
- ; :
- с индуцированным каналом,
- со встроенным каналом;
- Барьер Шоттки.
Существуют также “интегрированные” или “умные транзисторы”, которые представляют собой схемы с полевым транзистором и схемой управления для его работы.
Читайте далее: