Биполярный транзистор.
Транзистор - это полупроводниковый радиоэлектронный компонент с тремя выводами,
способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в
выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования,
коммутации и преобразования электрических сигналов.
Прежде чем разбираться как устроен полупроводниковый транзистор, рассмотрим
внимательнее как устроен диод (см. Диод...).
Полупроводниковый диод создают из кристалла германия или кремния, в котором
с помощью различных примесей формируют две зоны с разными электрическими
свойствами. Водной зоне есть свободные электроны, это зона n (от слова
negativus - отрицательный). В другой зоне есть свободные положительные заряды,
атомы в которых недостает электронов, это зона p (от слова positivus -
положительный). Область между зонами p и n называется
pn-переход.
В зависимости от того, в какой полярности к диоду подведено напряжение,
свободные заряды либо оттягиваются от pn-перехода и ток через диод не
проходит ("+" подключен к катоду, "-" к аноду), либо свободные заряды
подтягиваются к pn-переходу, где они нейтрализуют друг друга, при этом
в цепи идет ток, поставляющий в pn-переход новые положительные и
отрицательные заряды.
С отрицательными зарядами все понятно - это электроны, а вот с положительными
зарядами нужно еще разобраться, когда мы говорим об их движении. Ведь
положительно заряженные атомы никуда не движутся. А что же тогда движется?
Если говорить просто, то движется пустое место - дырка. То есть, когда электрон,
перепрыгивает с атома номер два на атом номер один (см. рис.), в обратную
сторону движется "пустое место", на котором раньше был электрон, или - дырка.
С помощью примесей можно сформировать а германиевом или кремниевом кристалле
и более сложные структуры, например трехэлектродный полупроводниковый прибор -
транзистор, он имеет трехслойную структуру p-n-p или n-p-n.
Одна крайняя зона называется "эмитер" (выбрасывающий заряды), другая - "коллектор"
(собирающий заряды), а средняя зона называется "база", что связано с
конструктивными особенностями первых транзисторов.
Рассмотрим работу транзистора на примере простой схемы:
И сразу смоделируем её в Tinkercad:
Пока база транзистора никуда не подключена - тока в цепи нет, светодиод не
горит.
Кстати, в Tinkercad есть оба типа транзисторов:
Попробуем подключить базу транзистора к отрицательному выводу батареи:
И сразу смоделируем её в Tinkercad:
Светодиод по прежнему не горит...
Для того чтобы транзистор открылся, и в цепи коллектора появился ток, необходимо
к базе транзистора приложить небольшой положительный потенциал, относительно
эмитера:
И сразу смоделируем её в Tinkercad:
Транзистор открылся, светодиод горит. Незначительного тока в цепи база-эмитер,
его еще называют базовым током Iб, оказалось достаточно, чтобы
транзистор открылся и в цепи коллектор-эмитер появился достаточно большой
коллекторный ток Iк. Отношение тока коллектора к току базы
называется коэффициентом усиления транзистора по току β
Коэффициент β определяется свойствами самого транзистора и для
биполярных транзисторов составляет от десятков до сотен единиц.
Для транзисторов p-n-p принципиально ничего не меняется, надо только
изменить полярность источников питания:
Обратите внимание, стрелка эмитера транзистора - указывает направление тока.
Приведенная выше схема называется "транзисторный ключ", транзистор в ней
работает в ключевом режиме, то есть может находится только в двух состояниях,
либо в открытом, либо закрытом. Эту схему очень удобно использовать, когда
нужно включать или выключать мощную нагрузку. Например, если нам нужно
подключить двигатель или лампу накаливания к контроллеру ардуино. Напрямую
такую нагрузку подключить к ардуино нельзя, выходной ток очень маленький,
нагрузка не будет работать, но кроме того, можно еще и вывести контроллер из
строя.
Пример использования транзисторных ключей для управления двигателями робота:
Полевой транзистор.
Полевые транзисторы имеют то же назначение, что и биполярные, но отличаются
тем, что управляется электрическим полем, а не током.
В общем случае, полевые транзисторы можно разделить на:
- со встроенным каналом;
- с индуцированным каналом;
И те и другие могут быть n-канальными и p-канальными, к затвору первых нужно прикладывать положительное управляющее напряжение для открытия ключа, а для вторых - отрицательное, относительно истока.
У всех типов полевых транзисторов есть три вывода:
- Исток (англ. source) - электрод источник носителей заряда, аналог эмиттера биполярного транзистора.
- Сток (англ. drain) - электрод приемник носителей заряда от истока, аналог коллектора биполярного транзистора.
- Затвор (англ. gate) - управляющий электрод, аналог базы биполярного транзисторах.
Пример использования полевого транзистора в качестве ключа, для управления мощной нагрузки:
При использовании полевого транзистора вместо биполярного, токоограничительный
резистор в цепи затвора можно не использовать, это связано с тем, что затвор в
таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке
микроконтроллер - затвор - исток отсутствует. А благодаря своим высоким
характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными
компонентами.
Полевые транзисторы в Tinkercad:
Copyright © R9AL 2021 Все права защищены
