5. Транзисторы

Транзистор– это электронный полупроводниковый преобразовательный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий 3 (или более) электрода, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Изобретен в 1948 году американскими учеными У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. В СССР первые транзисторы были разработаны в 1953 г. под руководством А.В. Красилова.

Обычно выделяют два основных класса транзисторов: полевые транзисторы (их часто называют униполярными) и биполярные транзисторы.

В полевых транзисторах протекание тока через кристалл обусловлено носителем заряда только одного знака – электронами или дырками.

В биполярных транзисторах ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков.

Транзисторы классифицируются по типам и группам в зависимости от физических, эксплуатационных и других параметров.

В соответствии с максимальной частотой усиливаемого или генерируемого сигнала различают низкочастотные (до 3 МГц), высокочастотные (до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (более 300 МГц).

По допустимой рассеиваемой мощности – маломощные (до 1 Вт) и мощные (свыше 1 Вт).

Кроме того, транзисторы классифицируются:

• по предельно допустимому напряжению;

• по шумовым свойствам;

• в соответствии с механизмом переноса неосновных носителей заряда (дрейфовый, лавинный транзистор, туннельный);

• по области применения – маломощный малошумящий (применяется во входных цепях усилительных устройств);

• импульсные;

• генераторные (в радиопередающих устройствах);

• ключевые (в системах автоматического регулирования);

• фототранзисторы (в устройствах преобразования световых сигналов в электрические с одновременным их усилением).

В качестве полупроводниковых материалов для изготовления транзисторов используются в основном кремний, германий и арсенид галлия.

В соответствии с технологией изготовления различают сплавные, диффузионные, конверсионные транзисторы, меза-транзисторы, эпитаксиальные, планарные транзисторы и т.д.

К основным технологическим методам изготовления относятся: диффузия и ионное легирование для получения p-n– перехода, осаждение металлов в вакууме для получения контактов и барьеров Шоттке, фото- и электронолитография – для создания электродов и т.д.

По сравнению с аппаратурой на радиолампах, аналогичная по назначению аппаратура на полупроводниковых приборах имеет в сотни раз меньшие габариты и вес, потребляет значительно меньшую электрическую мощность, обладает более высокой надежностью и долговечностью. Интенсивность отказов лежит в пределах 10^-7– 10^-8отказов в час.

Обозначения транзисторов:

• первый элемент – материал, из которого изготовлена основа: Г (или 1) – германий или его соединения, К (или 2) – кремний или его соединения; А (или 3) – соединения галлия;

• второй элемент – подкласс (например, для биполярных транзисторов – буква Т);

• третий элемент – назначение прибора (например, при малой мощности и частоте до 3 МГц – от 101 до 199, при частоте до 30 МГц – от 201 до 299, при средней мощности и низкой частоте – от 401 до 799 и т.д.);

• четвертый и пятый элемент – порядковый номер разработки и технологического типа (от 01 до 99);

• шестой элемент – деление технологического типа на параметрические на группы (русские буквы от А до Я).

Например, транзистор германиевый, малой мощности, 15-я разработка, для устройств широкого применения – Г 115А или 1Т115А.

Ранее обозначение состояло из трех элементов: первый – П (полупроводниковый прибор), второй – цифра, порядковый номер разработки, третий – буква, соответствующая разновидности. Перед обозначением модернизированного прибора ставилась буква М. Например, МП101А, МП21В и т.д.

Транзистор представляет собой как бы объединенные два диода с p-nпереходами (рис. 1).

Область pв середине структуры называется базой, одна изn-областей – эмиттером («излучатель»), другая – коллектором («собиратель»). Из самих названий ясно, что эмиттер должен испускать носители зарядов, а для этого на эмиттерный переход нужно подать отпирающее напряжение, чтобы пошел ток, и возникло движение зарядов.

Ниже на рисунке 2 показано включение транзистора, которое называют «включение с общей базой». Стрелка эмиттера показывает направление тока через эмиттерный переход.

Рис. 2. Включение биполярного транзистора по схеме с общей базой

Этот ток создается источником напряжения (батареей) G₁, а чтобы он не достигал очень больших значений (сопротивление открытогоp-n перехода очень мало), в цепь включен ограничивающий ток резисторR_Э.

Работа транзистора в этой схеме основана на том, что практически 99 % электронов, «излучаемых» эмиттером и двигающихся в цепи эмиттер ‑ база, перехватываются коллектором, т.к. на нем находится сравнительно большое напряжение. Следовательно, коэффициент «перехвата», т.е. отношение коллекторного тока к эмиттерному, равен 0,99. Этот коэффициент называется коэффициентом передачи тока в схеме с общей базой.

В этой схеме и коллекторный и базовый токи прямо пропорциональны эмиттерному, и если последний прекратился, то прекратился и коллекторный ток. То есть, в этой схеме нет усиления по току, но можно получить усиление по напряжению и по мощности, если в цепь коллектора включить вместо измерительного прибора резистор нагрузки с достаточно большим сопротивлением. Тогда изменение коллекторного тока вызовет изменение напряжения тем большее, чем больше сопротивление нагрузки.

Такая схема включения транзистора используется довольно редко. Чаще применяется схема с общим эмиттером, в которой отпирающее напряжение подается на базу (рис. 3). Как и в предыдущей схеме, происходит отпирание перехода эмиттер – база, и эмиттер испускает носители заряда – электроны. Однако, в данной схеме ток коллектора зависит от тока базы – чем больше ток базы, тем больше ток коллектора. Если в цепь базы включить источник сигнала, то такой же сигнал, но уже значительно усиленный выделится на резисторе нагрузки R_Нв коллекторе цепи. Именно так построены простейшие транзисторные усилители аналоговых сигналов.

Однако, подобным образом можно строить и цепи с релейным управлением, в которых с помощью транзистора можно подобно дискретному реле включать или выключать большую нагрузку при управлении малыми токами и напряжениями (рис. 4).

Если ресурс работы электромагнитного реле ограничен износостойкостью контактов, то срок службы транзисторного реле практически ничем не ограничен.

Полевой (униполярный) транзистор был разработан Уильямом Шокли, а свое название «полевой» он получил от электрического поля, принимающего непосредственное участие в работе этого прибора.

При изготовлении полевого транзистора на поверхности чистого полупроводника с помощью примесей формируют токопроводящий канал p- или n- типа (рис. 5). От концов канала сделаны выводы, называемые истоком (аналог эмиттера) и стоком (аналог коллектора). В середине канала его сечение уменьшается, и в этом месте сделан еще один вывод – затвор. Проводимость затвора противоположна проводимости канала, на него подают запирающее напряжение смещения, и ток через затвор отсутствует. В некоторых конструкциях затвор вообще изолирован от канала тончайшим (доли микрометра) слоем диэлектрика.

Когда на сток подано напряжение питания, через канал проходит некоторый ток, обусловленный движением носителей-электронов (в канале n‑типа) или дырок (в канале p-типа). Запирающее поле затвора сужает канал, увеличивает его сопротивление. Чем больше запирающее напряжение U_З на затворе, тем меньше становится эффективное сечение канала, по которому движутся носители тока, общий ток стока при этом уменьшается. При напряжении на затворе, равном U_ОТС (напряжение отсечки), ток стока прекращается полностью (рис. 6).

Важным достоинством полевого транзистора является его исключительно высокое входное сопротивление, т.к. электрическая цепь затвора никакого тока практически не потребляет (в этом есть сходство с электронной лампой).

Схема включения полевых транзисторов не отличается от схемы включения биполярных (рис. 7).

Последние конструкции этих транзисторов чрезвычайно экономичны и широко используются как в радио, так и в цифровых интегральных микросхемах.

Внешний вид некоторых типов транзисторов показан на рис. 8.

У полевых транзисторов, конструкция которых, в частности, напоминает тип, изображенный на рис. 8а, имеется четыре вывода. Четвертый вывод – масса (припаян к металлическому корпусу транзистора). Это необходимо в связи с тем, что полевые транзисторы очень чувствительны к статическому электричеству, и в состоянии поставки все три активных вывода замкнуты на массу.

В технике широко применяются транзисторные сборки. Они представляют собой единый корпус, в котором размещены несколько (иногда десятки) транзисторов. Внешне такие сборки похожи на интегральные микросхемы.

Мощные транзисторы (например, в и г на рис. 8) имеют конструктивные элементы (например, отверстия) для установки на них радиаторов охлаждения во избежание перегрева во время работы.

Контрольные вопросы

1. Что такое транзистор, и для чего он используется?

2. Как классифицируются транзисторы?

3. Какие преимущества имеют транзисторы по сравнению с радиолампами?

4. Как обозначаются транзисторы отечественного производства?

5. Нарисуйте схему включения транзистора с общим эмиттером и поясните его работу.

6. Как устроен полевой транзистор, и как он работает?

7. Для чего на транзисторы устанавливаются радиаторы?