Transistör cihazı ve basit dilde uygulama. Bipolar transistör nasıl çalışır?

Transistör(transistör) - üç terminali (genellikle) olan bir yarı iletken eleman, bunlardan biri ( kolektör) güçlü bir akım sağlanır ve diğeri ( temel) zayıf servis yaptı ( kontrol akımı). Kontrol akımının belirli bir gücünde sanki bir vana “açılır” ve akım koleksiyoncudan akmaya başlıyor Açıküçüncü çıktı ( yayıcı).

Yani, bir transistör bir nevi kapak belirli bir akım gücünde direnci keskin bir şekilde azaltır ve akımı daha da gönderir (kollektörden yayıcıya).Bunun nedeni, belirli koşullar altında elektronu olan deliklerin onu kaybetmesi, yenisini kabul etmesi vb. bir daire içinde. Eğer tabana elektrik akımı uygulanmazsa, transistör dengeli durumda olacak ve yayıcıya akım iletmeyecektir.

Modern elektronik çiplerde transistör sayısı milyarlarca rakam. Öncelikle hesaplamalar için kullanılırlar ve karmaşık bağlantılardan oluşurlar.

Esas olarak transistörlerde kullanılan yarı iletken malzemeler şunlardır: silikon, galyum arsenit Ve germanyum. Transistörler de var karbon nanotüpleri, şeffaf ekranlar için LCD Ve polimer(en umut verici).

Transistör türleri:

Bipolar– yük taşıyıcılarının hem elektron hem de “delik” olabildiği transistörler. Akım şöyle akabilir vericiye doğru, Bu yüzden koleksiyoncuya doğru. Akışı kontrol etmek için belirli kontrol akımları kullanılır.

- Elektrik akışının kontrol edildiği ortak cihazlar Elektrik alanı. Yani, daha büyük bir alan oluştuğunda, daha fazla elektron onun tarafından yakalanır ve yükleri daha fazla aktaramaz. Yani bu, aktarılan yük miktarını değiştirebilen bir tür valftir (eğer alan etkili transistör kontrol ediliyorsa) P-N— geçiş). Ayırt edici özellik Bu transistörler yüksek giriş voltajı ve yüksek voltaj kazancıdır.

Kombine– kombine dirençli transistörler veya tek bir mahfazadaki diğer transistörler. Çeşitli amaçlara hizmet ederler, ancak esas olarak mevcut kazancı artırmak için kullanılırlar.

Alt türler:

Biyo-transistörler– tıpta ve biyoteknolojide canlı organizmalara zarar vermeden kullanılabilecek biyolojik polimerlere dayanmaktadır. Metaloproteinler, klorofil A (ıspanaktan elde edilen) ve tütün mozaik virüsü üzerinde çalışmalar yapılmıştır.

Tek elektronlu transistörler– ilk olarak Rus bilim adamları tarafından yaratıldı 1996. Öncekilerden farklı olarak oda sıcaklığında çalışabiliyorlardı. Çalışma prensibi şuna benzer: alan etkili transistör, ama daha incelikli. Sinyal verici bir veya daha fazla elektrondur. Bu transistöre nano ve kuantum transistörü de denir. Bu teknolojiyi kullanarak gelecekte bu büyüklükte transistörler yaratmayı umuyorlar. 10 nm'den az, temelli grafen.

Transistörler ne için kullanılır?

Transistörler kullanılır amplifikasyon devreleri, lambalar, elektrik motorları ve gerektiğinde diğer cihazlar hızlı değişim amper veya konum Açıkkapalı. Transistör akımı sınırlayabilir veya sorunsuz veya yöntemle nabız—Duraklat. İkincisi daha çok -kontrol için kullanılır. Güçlü bir güç kaynağı kullanarak bunu kendi üzerinden iletir ve zayıf bir akımla düzenler.

Akım transistör devresini açmak için yeterli değilse, o zaman kullanın birkaç transistör daha yüksek hassasiyetle, kademeli bir şekilde bağlanır.

Tamamen dijital amplifikatörlere dayalı olarak bir veya daha fazla paket halinde bağlanan güçlü transistörler kullanılır. Sık sık ihtiyaç duyarlar ek soğutma . Çoğu programda, çalışırlar anahtar modu(anahtar modunda).

Transistörler de kullanılıyor güç sistemlerinde, hem dijital hem de analog ( anakartlar , video kartları, Güç kaynakları&vesaire).

Merkez işlemciler Ayrıca özel amaçlar için belirli bir sırayla bağlanan milyonlarca ve milyarlarca transistörden oluşur. hesaplamalar.

Her transistör grubu, sinyali belirli bir şekilde kodlar ve işlenmek üzere daha ileri iletir. Her türlü ve ROM anılar da transistörlerden oluşur.

Tüm mikroelektroniğin başarıları pratikte olurdu imkansız transistörlerin icadı ve kullanımı olmadan. En az bir transistör olmadan en az bir elektronik cihazı hayal etmek zordur.

Bu yazımızda anlatmaya çalışacağız Çalışma prensibi En yaygın transistör tipi bipolardır. Bipolar transistör radyoelektronik cihazların ana aktif elemanlarından biridir. Amacı, girişine gelen elektrik sinyalinin gücünü yükseltmek için çalışmaktır. Güç amplifikasyonu harici bir enerji kaynağı kullanılarak gerçekleştirilir. Bir transistör, üç terminali olan bir radyo elektronik bileşenidir

Bipolar transistörün tasarım özelliği

Bipolar bir transistör üretmek için, difüzyon veya alıcı yabancı maddelerle alaşımlama yoluyla elde edilen delikli veya elektronik iletkenlik tipinde bir yarı iletkene ihtiyacınız vardır. Bunun sonucunda tabanın her iki yanında polar iletkenliğe sahip bölgeler oluşur.

Bipolar transistörler iletkenliğe bağlı olarak iki tiptedir: n-p-n ve p-n-p. N-p-n iletkenliğine sahip iki kutuplu bir transistörü yöneten çalışma kuralları (p-n-p için uygulanan voltajın polaritesini değiştirmek gerekir):

1. Kollektördeki pozitif potansiyel, emitöre göre daha önemlidir.
2. Herhangi bir transistörün maksimum değeri vardır geçerli parametreler Ib, Ik ve Uke'nin aşılması prensipte kabul edilemez, çünkü bu yarı iletkenin tahrip olmasına yol açabilir.
3. Baz verici ve baz toplayıcı terminalleri diyotlar gibi çalışır. Kural olarak, baz-yayıcı yönündeki diyot açıktır ve baz-kollektör yönünde ters yönde eğimlidir, yani gelen voltaj, içinden geçen elektrik akımının akışına müdahale eder.
4. Eğer 1'den 3'e kadar olan adımlar tamamlanırsa, o zaman mevcut Ik, mevcut Ib ile doğru orantılıdır ve şu formu alır: Ik = he21*Ib, burada he21, mevcut kazançtır. Bu kural, transistörün ana kalitesini, yani düşük taban akımının güçlü kolektör akımını kontrol etmesini karakterize eder.

Farklı için bipolar transistörler Bir serinin he21 göstergesi temel olarak 50 ila 250 arasında değişebilir. Değeri aynı zamanda akan kolektör akımına, emitör ile kolektör arasındaki gerilime ve ortam sıcaklığına da bağlıdır.

3 numaralı kuralı inceleyelim. Bundan, verici ile taban arasına uygulanan voltajın önemli ölçüde artırılmaması gerektiği sonucu çıkar, çünkü taban voltajı yayıcıdan 0,6...0,8 V daha yüksekse (diyotun ileri voltajı), o zaman aşırı derecede artar. yüksek akım. Böylece, çalışan bir transistörde, verici ve tabandaki voltajlar aşağıdaki formüle göre birbirine bağlanır: Ub = Ue + 0,6V (Ub = Ue + Ube)

Tüm bu hususların n-p-n iletkenliğine sahip transistörler için geçerli olduğunu bir kez daha hatırlatalım. İçin p-n-p tipi her şey tersine çevrilmeli.

Ayrıca kollektör akımının diyotun iletkenliği ile hiçbir bağlantısı olmadığına da dikkat etmelisiniz, çünkü kural olarak kolektör bazlı diyot alır. ters akım. Ayrıca kolektörden akan akım, kolektördeki potansiyele çok az bağlıdır (bu diyot küçük bir akım kaynağına benzer)

Transistör amplifikasyon modunda açıldığında, verici bağlantısı açık ve kolektör bağlantısı kapalıdır. Bu, güç kaynaklarını bağlayarak elde edilir.

Verici bağlantısı açık olduğundan, deliklerin tabandan yayıcıya ve elektronların yayıcıdan tabana geçişi nedeniyle ortaya çıkan yayıcı akımı içinden geçecektir. Böylece, yayıcı akım iki bileşen içerir - delik ve elektron. Enjeksiyon oranı emitörün verimliliğini belirler. Yük enjeksiyonu, yük taşıyıcılarının çoğunluk oldukları bölgeden azınlık oldukları bölgeye aktarılmasıdır.

Bazda elektronlar yeniden birleşir ve bazdaki konsantrasyonları EE kaynağının artısından yenilenir. Bunun sonucunda da elektrik devresi tabandan oldukça zayıf bir akım akacaktır. Kilitli toplayıcı bağlantı alanının hızlanan etkisi altında, azınlık taşıyıcıları olarak tabanda yeniden birleşmek için zamanı olmayan kalan elektronlar, kolektöre doğru hareket ederek bir kolektör akımı yaratacaktır. Yük taşıyıcıların azınlık oldukları bölgeden çoğunluk haline geldikleri bölgeye transferine ekstraksiyon denir. elektrik ücretleri.

Elektronik bizi her yerde kuşatıyor. Ancak neredeyse hiç kimse bu işin nasıl yürüdüğünü düşünmüyor. Aslında oldukça basit. Bugün göstermeye çalışacağımız şey tam olarak budur. Bununla başlayalım önemli unsur bir transistör gibi. Size bunun ne olduğunu, ne yaptığını ve transistörün nasıl çalıştığını anlatacağız.

Transistör nedir?

Transistör – yarı iletken cihaz elektrik akımını kontrol etmek için tasarlanmıştır.

Transistörler nerede kullanılır? Evet her yerde! Neredeyse hiçbir modern elektrik devresi transistörler olmadan yapamaz. Üretimde yaygın olarak kullanılırlar bilgisayar Teknolojisi, ses ve video ekipmanı.

Ne zaman Sovyet mikro devreleri dünyanın en büyüğüydü, geçti ve modern transistörlerin boyutu çok küçük. Böylece, en küçük cihazların boyutu bir nanometre mertebesindedir!

Konsol nano- on üzeri eksi dokuzuncu kuvvet düzeyinde bir değeri belirtir.

Ancak öncelikli olarak enerji ve sanayi alanlarında kullanılan dev örnekleri de bulunmaktadır.

Var olmak farklı şekiller transistörler: bipolar ve polar, doğrudan ve ters iletim. Ancak bu cihazların çalışması aynı prensibe dayanmaktadır. Transistör yarı iletken bir cihazdır. Bilindiği gibi bir yarı iletkende yük taşıyıcıları elektronlar veya deliklerdir.

Fazla elektronun bulunduğu bölge harfle gösterilir N(negatif) ve delik iletkenliğine sahip bölge P(pozitif).

Bir transistör nasıl çalışır?

Her şeyi netleştirmek için gelin çalışmaya bakalım bipolar transistör (en popüler tip).

(bundan sonra sadece transistör olarak anılacaktır) bir yarı iletken kristaldir (en sık kullanılan silikon veya germanyum), farklı elektriksel iletkenliklere sahip üç bölgeye ayrılmıştır. Bölgeler buna göre adlandırılır kolektör, temel Ve yayıcı. Transistörün cihazı ve şematik gösterimi aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

İleri ve geri iletim transistörlerini ayırın. P-n-p transistörlerine ileri iletim transistörleri, n-p-n transistörlerine ise ters iletim transistörleri denir.

Şimdi transistörlerin iki çalışma modundan bahsedelim. Transistörün çalışması bir su musluğunun veya vanasının çalışmasına benzer. Sadece su yerine elektrik akımı var. Transistörün iki olası durumu vardır: çalışma (transistör açık) ve dinlenme durumu (transistör kapalı).

Bu ne anlama geliyor? Transistör kapatıldığında içinden hiçbir akım geçmez. Açık durumda, tabana küçük bir kontrol akımı uygulandığında, transistör açılır ve yayıcı-toplayıcıdan büyük bir akım akmaya başlar.

Bir transistördeki fiziksel süreçler

Ve şimdi her şeyin neden bu şekilde olduğu, yani transistörün neden açılıp kapandığı hakkında daha fazla bilgi. Bipolar bir transistörü ele alalım. Bırak olsun n-p-n transistör.

Kolektör ile emitör arasına bir güç kaynağı bağlarsanız, kollektörün elektronları pozitif tarafa çekilmeye başlayacaktır ancak kollektör ile emitör arasında akım olmayacaktır. Bu, taban katmanı ve yayıcı katmanın kendisi tarafından engellenir.

Baz ile emitör arasına ek bir kaynak bağlarsanız emitörün n bölgesinden gelen elektronlar baz bölgesine nüfuz etmeye başlayacaktır. Sonuç olarak, taban alanı serbest elektronlarla zenginleşecek, bunların bir kısmı deliklerle yeniden birleşecek, bir kısmı tabanın artı kısmına akacak ve bir kısmı (çoğu) toplayıcıya gidecek.

Böylece transistörün açık olduğu ortaya çıkıyor ve yayıcı-kolektör akımı onun içinde akıyor. Eğer baz voltajı arttırılırsa kollektör-emetör akımı da artacaktır. Ayrıca kontrol voltajındaki küçük bir değişiklikle kollektör-emetörden geçen akımda önemli bir artış gözlenir. Yükselteçlerdeki transistörlerin çalışması bu etkiye dayanmaktadır.

Kısaca transistörlerin çalışma şeklinin özü budur. Bipolar transistörleri kullanarak bir güç amplifikatörünü gece boyunca hesaplamanız veya gerçekleştirmeniz gerekir. laboratuvar işi bir transistörün çalışmasını incelemek için? Öğrenci hizmetleri uzmanlarımızın yardımını kullanırsanız, yeni başlayanlar için bile bu bir sorun değildir.

Bu tür durumlarda profesyonel yardım almaktan çekinmeyin önemli konular ders çalışmak gibi! Artık transistörler hakkında bir fikriniz olduğuna göre, rahatlayıp Korn'un "Twisted transistor" adlı videosunu izlemenizi öneririz! Örneğin Yazışma Öğrencisi ile iletişime geçmeye karar verdiniz.

Bir zamanlar transistörler değiştirildi elektronik tüpler. Bunun nedeni, daha küçük boyutlara, yüksek güvenilirliğe ve daha düşük üretim maliyetlerine sahip olmalarıdır. Şimdi bipolar transistörlertüm amplifikasyon devrelerinin temel elemanlarıdır.

İki elektron-delik bağlantısı oluşturan üç katmanlı bir yapıya sahip yarı iletken bir elementtir. Bu nedenle transistör arka arkaya iki diyot olarak temsil edilebilir. Ana yük taşıyıcılarının ne olacağına bağlı olarak, p-n-p Ve n-p-n transistörler.

Temel– transistör tasarımının temelini oluşturan yarı iletken katman.

Verici işlevi yük taşıyıcılarını taban katmanına enjekte etmek olan yarı iletken katman olarak adlandırılır.

Kolektör işlevi taban katmanından geçen yük taşıyıcıları toplamak olan yarı iletken katman olarak adlandırılır.

Tipik olarak emitör çok miktarda içerir. büyük miktar tabandan daha ana yükler. Bu, transistörün çalışmasının ana koşuludur, çünkü bu durumda, yayıcı bağlantı noktası ileri doğru yönlendirildiğinde, akım, yayıcının ana taşıyıcıları tarafından belirlenecektir. Yayıcı, taşıyıcıları taban katmanına enjekte ederek ana işlevini yerine getirebilecek. Genellikle emitörün ters akımını mümkün olduğu kadar küçük yapmaya çalışırlar. Yüksek katkı konsantrasyonu kullanılarak yayıcı çoğunluk taşıyıcılarında bir artış elde edilir.

Tabanı mümkün olduğunca ince yapın. Bu, şarjların kullanım ömründen kaynaklanmaktadır. Yük taşıyıcıları toplayıcıya ulaşmak için tabanı geçmeli ve ana taban taşıyıcılarıyla mümkün olduğunca az yeniden birleşmelidir.

Koleksiyoncunun tabandan geçen medyayı daha eksiksiz toplayabilmesi için onu genişletmeye çalışırlar.

Transistörün çalışma prensibi

Şuna bakalım örnek p-n-p transistör.

Harici gerilimlerin yokluğunda katmanlar arasında potansiyel bir fark oluşur. Geçiş noktalarına potansiyel bariyerler yerleştirildi. Ayrıca emitör ve toplayıcıdaki delik sayısı aynı ise potansiyel bariyerler aynı genişlikte olacaktır.

Transistörün doğru çalışabilmesi için emitör bağlantısının ileri yönde, kolektör bağlantısının ise ters yönde olması gerekir.. Bu eşleşecek aktif mod transistörün çalışması. Böyle bir bağlantının kurulabilmesi için iki kaynağa ihtiyaç vardır. Ue voltajına sahip bir kaynak, pozitif kutupla yayıcıya ve negatif kutupla tabana bağlanır. Uк voltajına sahip bir kaynak, negatif kutup ile toplayıcıya ve pozitif kutup ile tabana bağlanır. Üstelik Ue< Uк.

Ue voltajının etkisi altında, yayıcı bağlantı noktası ileri yönde öngerilimlidir. Bilindiği gibi elektron-boşluk geçişi ileri yönlü olduğunda, dış alan geçiş alanına ters yönde yönlendirilir ve dolayısıyla onu azaltır. Çoğunluk taşıyıcıları geçişten geçmeye başlar; yayıcıda 1-5 delik vardır ve tabanda 7-8 elektron vardır. Ve yayıcıdaki deliklerin sayısı tabandaki elektronların sayısından daha fazla olduğundan, yayıcı akımı esas olarak bunlardan kaynaklanmaktadır.

Emitör akımı, emitör akımının delik bileşeni ile tabanın elektronik bileşeninin toplamıdır.

Sadece delikli bileşen kullanışlı olduğundan elektronik bileşeni mümkün olduğunca küçük yapmaya çalışıyorlar. Niteliksel özellikler yayıcı bağlantı noktası enjeksiyon oranı.

Enjeksiyon katsayısını 1'e yaklaştırmaya çalışıyorlar.

Tabana geçen 1-5 numaralı delikler, yayıcı bağlantı noktasının sınırında birikir. Böylece, yayıcının yakınında yüksek bir delik konsantrasyonu ve kollektör bağlantısının yakınında düşük bir konsantrasyon oluşturulur, bunun sonucunda deliklerin yayıcıdan toplayıcı bağlantı noktasına difüzyon hareketi başlar. Ancak kollektör bağlantısının yakınında delik konsantrasyonu sıfır kalır, çünkü delikler bağlantı noktasına ulaşır ulaşmaz iç alanı tarafından hızlandırılır ve toplayıcıya çekilir (çekilir). Elektronlar bu alan tarafından itilir.

Delikler taban katmanını geçerken örneğin delik 5 ve elektron 6 gibi orada bulunan elektronlarla yeniden birleşirler. Ve delikler sürekli geldiği için aşırı pozitif yük oluştururlar, dolayısıyla çekilen elektronların da içeri girmesi gerekir. baz terminali boyunca ve bir baz akımı Ibr oluşturur. Bu önemli durum transistör çalışması – Tabandaki deliklerin konsantrasyonu yaklaşık olarak elektron konsantrasyonuna eşit olmalıdır. Başka bir deyişle Tabanın elektriksel nötrlüğü sağlanmalıdır.

Kollektöre ulaşan deliklerin sayısı, tabandaki yeniden birleştirilmiş deliklerin miktarı kadar yayıcıyı terk eden deliklerin sayısından daha azdır. Yani, Kolektör akımı, emitör akımından baz akımı miktarı kadar farklılık gösterir.

Buradan anlaşılıyor transfer katsayısı taşıyıcıları da 1'e yaklaştırmaya çalışıyorlar.

Transistörün kolektör akımı Icr delik bileşeninden ve ters kolektör akımından oluşur.

Ters kolektör akımı, kolektör bağlantısının ters polarizasyonunun bir sonucu olarak ortaya çıkar, dolayısıyla delik 9 ve elektron 10'un azınlık taşıyıcılarından oluşur. Ters akım tam olarak azınlık taşıyıcıları tarafından oluşturulduğundan, yalnızca termal üretim sürecine bağlıdır, yani sıcaklıkta. Bu nedenle sıklıkla denir termal akım.

Transistörün kalitesi termal akımın büyüklüğüne bağlıdır; ne kadar küçükse transistör o kadar iyidir.

Kollektör akımı yayıcıya bağlanır akım aktarım katsayısı.

Transistördeki akımlar aşağıdaki gibi temsil edilebilir

"Transistör" adı ne anlama geliyor?

Transistör hemen bu kadar tanıdık bir isim almadı. Başlangıçta, lamba teknolojisine benzetilerek buna çağrıldı. yarı iletken triyot. Modern isim iki kelimeden oluşur. İlk kelime “transfer” (burada hemen akla “transformatör” geliyor) verici, dönüştürücü, taşıyıcı anlamına geliyor. Ve kelimenin ikinci yarısı, ana özelliği elektrik direnci olan elektrik devrelerinin bir parçası olan “direnç” kelimesine benziyor.

Ohm yasasında ve diğer birçok elektrik mühendisliği formülünde bulunan bu dirençtir. Bu nedenle “transistör” kelimesi direnç dönüştürücü olarak yorumlanabilir. Hidrolikte olduğu gibi, sıvı akışındaki değişiklikler bir valf tarafından düzenlenir. Bir transistörde böyle bir "mandal", elektrik akımı oluşturan elektrik yüklerinin miktarını değiştirir. Bu değişiklik değişiklikten başka bir şey değil iç direnç yarı iletken cihaz.

Kazanmak elektrik sinyalleri

En sık yapılan operasyon transistörler, dır-dir elektrik sinyallerinin güçlendirilmesi. Ancak bu tamamen doğru bir ifade değil çünkü zayıf sinyal mikrofondan öyle kalıyor.

Radyo ve televizyon alımında da güçlendirme gereklidir: Watt'ın milyarda biri güce sahip bir antenden gelen zayıf bir sinyalin, ekranda ses veya görüntü üretecek kadar güçlendirilmesi gerekir. Ve bu zaten birkaç düzine ve bazı durumlarda yüzlerce watt'lık bir güçtür. Bu nedenle, amplifikasyon süreci, zayıf olanın güçlü bir kopyasını elde etmek için güç kaynağından alınan ek enerji kaynaklarının kullanılmasına indirgenir. Giriş sinyali. Başka bir deyişle, düşük güç girişi etkisi, güçlü enerji akışlarını kontrol eder.

Teknolojinin ve doğanın diğer alanlarında güçlenme

Bu tür örnekler yalnızca elektrik şemaları. Örneğin gaz pedalına bastığınızda arabanın hızı artar. Aynı zamanda gaz pedalına çok sert basmanıza da gerek yok - motorun gücüyle karşılaştırıldığında pedala bastığınız güç önemsizdir. Hızı azaltmak için pedalı biraz bırakmanız ve giriş efektini zayıflatmanız gerekecektir. Bu durumda benzin güçlü bir enerji kaynağıdır.

Aynı etki hidrolikte de gözlemlenebilir: örneğin bir takım tezgahındaki elektromanyetik valfi açmak için çok az enerji kullanılır. Ve mekanizmanın pistonundaki yağ basıncı birkaç tonluk bir kuvvet yaratabilir. Bu kuvvet, normal mutfak musluğunda olduğu gibi yağ hattında ayarlanabilir bir valf bulunması halinde ayarlanabilmektedir. Biraz kapattı - basınç düştü, kuvvet azaldı. Daha fazla açarsam baskı arttı.

Vanayı çevirmek de fazla çaba gerektirmez. İÇİNDE bu durumda dış kaynak enerji makinenin pompa istasyonudur. Benzeri pek çok etkiyi doğada ve teknolojide görmek mümkündür. Ama yine de transistörle daha çok ilgileniyoruz, bu yüzden daha fazla düşünmemiz gerekecek...

Elektriksel Sinyal Yükselteçleri