Содержание
Полевой транзистор
Если в биполярном транзисторе управление происходило с помощью тока, то в полевом – с помощью напряжения. Состоит он из пластинки полупроводника, которую называют каналом. С одной стороны к ней подключен исток – через него в канал входят носители электрического тока, а с другой сток – через него они покидают канал.
Сам канал как бы «зажат» между затвором, который обладает обратной проводимостью, то есть если канал имеет n-проводимость, то затвор – p-проводимость. Затвор электрически отделен от канала. Изменяя напряжение на затворе, можно регулировать зону p-n перехода. Чем она больше, тем меньше электрической энергии проходит через канал. Существует значение напряжения, при котором затвор полностью перекроет канал и ток между истоком и стоком прекратится.
Наиболее наглядная иллюстрация в этом случае – садовый шланг, который проходит через камеру небольшого колеса. В таком случае, даже когда в него подается небольшое давление воздуха (напряжение затвор-исток), оно значительно увеличивается в размерах и начинает пережимать шланг, перекрывается просвет шланга и прекращается подача воды (увеличивается зона p-n перехода и через канал перестает идти электроток).
Другой тип полевого триода имеет небольшое различие в конструкции затвора. На слое кремния с помощью окисления образуется слой диэлектрика оксида кремния. Уже на него методом напыления металла наносят затвор. Получаются чередующиеся слои Металл -Диэлектрик – Полупроводник или МДП-затвор.
Такой полевой транзистор с изолированным затвором обозначается латинскими буквами MOSFET.
Существует два вида МДП-затвора:
- МДП-затвор с индуцированным (или инверсным) каналом в обычном состоянии закрыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал не проходит. Для того, чтобы открыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.
- МДП-затвор со встроенным (или собственным) каналом в обычном состоянии открыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал проходит. Для того, чтобы закрыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.
Semiconductors
The discovery of the transistor was announced in 1948 by three scientists from the Bell Telephone Laboratories: William Shockley (1910–1989), John Bardeen (1908–1991), and Walter Brattain (1902–1987). The key to this discovery is a class of materials known as semiconductors. Semiconductors are substances that conduct an electric current only very poorly. They fall somewhere between true conductors (such as silver, aluminum, and copper) and nonconductors (such as wool, cotton, paper, air, wood, and most plastics). The two most commonly used semiconducting elements are silicon and germanium. Some important semiconducting compounds include cadmium selenide, cadmium telluride, and gallium arsenide.
Semiconductors fall into one of two general categories: n-type semiconductors and p-type semiconductors. The former class consists of materials that have a slight excess of electrons, while those in the latter class have a slight deficiency of electrons.
Надежность устройств
В сегменте производства смартфонов, спутников, автомобилестроении и промышленном оснащении от транзисторов ждут высокого уровня надежности. В крупных системах насчитывается примерно миллион компонентов, среди которых есть и полупроводниковые элементы. При этом случаются неполадки в виде отказов устройств. Если это происходит не чаще одного раза на миллиард часов наработки, то схема системы считается надежной.
При этом надо помнить, что влага – враг любой электронной системы. Вода существенно укорачивает период функционирования транзисторов. Поэтому устройства нуждаются в герметичной оболочке. Влага может привести к появлению новых проводящих электричество каналов, в связи с чем периодически необходимо сбрасывать напряжение и высушивать прибор.
How a junction transistor works
Photo: A typical silicon PNP transistor (an A1048 designed as an audio-frequency amplifier).
Now suppose we use three layers of silicon in our sandwich instead
of two. We can either make a p-n-p sandwich (with a slice of n-type
silicon as the filling between two slices of p-type) or an n-p-n
sandwich (with the p-type in between the two slabs of n-type). If we
join electrical contacts to all three layers of the sandwich, we can
make a component that will either amplify a current or switch it on or
off—in other words, a transistor. Let’s see how it works in the case of an
n-p-n transistor.
So we know what we’re talking about, let’s give names to the three
electrical contacts. We’ll call the two contacts joined to the two
pieces of n-type silicon the emitter and the collector,
and the contact
joined to the p-type silicon we’ll call the base. When no
current is
flowing in the transistor, we know the p-type silicon is short of
electrons (shown here by the little plus signs, representing positive
charges) and the two pieces of n-type silicon have extra electrons
(shown by the little minus signs, representing negative charges).
Another way of looking at this is to say that while the n-type has a
surplus of electrons, the p-type has holes where electrons
should be. Normally, the holes in the base act like a barrier, preventing any
significant current flow from the emitter to the collector while
the transistor is in its «off» state.
A transistor works when the electrons and the holes start moving
across the two junctions between the n-type and p-type silicon.
Let’s
connect the transistor up to some power. Suppose we attach a small
positive voltage to the base, make the emitter negatively charged, and
make the collector positively charged. Electrons are pulled from the
emitter into the base—and then from the base into the collector. And
the transistor switches to its «on» state:
The small current that we turn on at the base makes a big current
flow between the emitter and the collector. By turning a small input
current into a large output current, the transistor acts like an amplifier. But
it also acts like a switch at the same time. When there is no current to
the base, little or no current flows between the collector and the
emitter. Turn on the base current and a big current flows. So the base
current switches the whole transistor on and off. Technically, this
type of transistor is called bipolar because
two different kinds (or «polarities») of electrical charge (negative electrons and
positive holes) are involved in making the current flow.
We can also understand a transistor by thinking of it like a pair of diodes. With the
base positive and the emitter negative, the base-emitter junction is like a forward-biased
diode, with electrons moving in one direction across the junction (from left to right in
the diagram) and holes going the opposite way (from right to left). The base-collector
junction is like a reverse-biased diode. The positive voltage of the collector pulls
most of the electrons through and into the outside circuit (though some electrons do recombine with holes in the base).
Какова роль тока базы?
Как же заставить работать наш электронный прибор? Принцип действия транзистора заключается во влиянии тока базы на состояние закрытого перехода база-коллектор. Когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, небольшой ток будет поступать в базу. Здесь его носителями являются положительно заряженные дырки. Они комбинируются с электронами, поступающими из эмиттера, обеспечивая ток IBE. Однако вследствие того, что эмиттер очень сильно легирован, гораздо больше электронов поступает из него в базу, чем способно соединиться с дырками. Это означает, что возникает большая концентрация электронов в базе, и большинство из них пересекает ее и попадает в обедненный электронами слой коллектора. Здесь они попадают под влияние сильного электрического поля, приложенного к переходу база-коллектор, проходят через обедненный электронами слой и основной объем коллектора к его выводу.
Изменения тока, втекающего в базу, влияют на количество привлеченных от эмиттера электронов. Таким образом, принципы работы транзистора могут быть дополнены следующим утверждением: очень небольшие изменения в базовом токе вызывают очень большие изменения в токе, протекающем от эмиттера к коллектору, т.е. происходит усиление тока.
What does a transistor actually do?
Photo: Compact hearing aids were among the first applications for transistors—and this one dates from about the late 1950s or 1960s. About the size of a pack of playing cards, it was designed to be worn in or on a jacket pocket. There’s a microphone on the other side of the case that picks up ambient sounds. You can clearly see the four little black transistors inside, amplifying those sounds and then shooting them out to the little loudspeaker that sits in your ear.
A transistor is really simple—and really complex. Let’s start with
the simple part. A transistor is a miniature electronic component that
can do two different jobs. It can work either as an amplifier or a switch:
- When it works as an amplifier, it takes
in a tiny electric current at one end (an
input current) and produces a much bigger electric current (an output
current) at the other. In other words, it’s a kind of current booster. That comes in
really useful in things like hearing aids, one of the first things
people used transistors for. A hearing aid has a tiny microphone in it
that picks up sounds from the world around you and turns them into
fluctuating electric currents. These are fed into a transistor that
boosts them and powers a tiny loudspeaker,
so you hear a much louder version of the sounds around you.
William Shockley, one of the inventors of the transistor, once explained transistor-amplifiers to a student in a more
humorous way: «If you take a bale of hay and tie it to the
tail of a mule and then strike a match and set the bale of hay on fire,
and if you then compare the energy expended shortly thereafter by the
mule with the energy expended by yourself in the striking of the match,
you will understand the concept of amplification.» - Transistors can also work as switches. A
tiny electric current flowing through one part of a transistor can make a much bigger
current flow through another part of it. In other words, the small
current switches on the larger one. This is essentially how all computer chips work. For
example, a memory chip
contains hundreds of millions or even billions of transistors,
each of which can be switched on or off individually. Since each
transistor can be in two distinct states, it can
store two different numbers, zero and one. With billions of transistors, a chip can store billions of zeros and ones, and
almost as many ordinary numbers and letters (or characters, as we call them). More about this in a moment.
Применение транзисторов в жизни
Транзисторы применяются в очень многих технических устройствах. Самые яркие примеры:
- Усилительные схемы.
- Генераторы сигналов.
- Электронные ключи.
Во всех устройствах связи усиление сигнала необходимо. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, довольно часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала недостаточно для корректной работы устройства. Информация передаётся с помощью электрических сигналов. Чтобы доставка была гарантированной и качество информации высоким, нам необходимо усиливать сигналы.
Транзисторы способны влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора.
Электронные ключи нужны для управления силой тока в цепи. В состав этих ключей входит множество транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов схем. На их основе работают компьютеры, телевизоры и другие электрические приборы, без которых в современной жизни не обойтись.
Применение полевых транзисторов
Первым прибором, поступившим в продажу, где использовался полевой транзистор с управляющим p-n переходом, был слуховой аппарат. Его появление зафиксировано в пятидесятых годах прошлого века. В промышленных масштабах их применяли в телефонных станциях.
В современном мире, устройства применяют во всей электротехнике. Благодаря маленьким размерам и разнообразию характеристик полевого транзистора, встретить его можно в кухонной технике, аудио и телевизионной технике, компьютерах и электронных детских игрушках. Их применяются в системах сигнализации как охранных механизмов, так и пожарной сигнализации.
На заводах транзисторное оборудование применяется для регуляторов мощности станков. В транспорте от работы оборудования на поездах и локомотивов, до системы впрыска топлива частных автомобилей. В ЖКХ от систем диспетчеризации, до систем управления уличным освещением.
Одна из важнейших областей применения транзисторов – производство процессоров. По сути, весь процессор состоит из множества миниатюрных радиодеталей. Но при переходе на частоту работы выше 1,5 ГГц, они лавинообразно начинают потреблять энергию. Поэтому производители процессоров пошли по пути многоядерности, а не путем увеличения тактовых частот.
Устройство полевого транзистора
Все полевые транзисторы могут быть названы УНИПОЛЯРНЫМИ приборами, потому что носители заряда, которые образуют ток через них, относятся к единственному для данного транзистора типу – либо электроны, либо «дырки», но не оба одновременно. Это отличает принцип работы транзистора полевого от биполярного, в котором ток образуется одновременно обоими этими типами носителей.
Носители тока протекают в полевых транзисторах с управляющим pn-переходом по слою кремния без pn-переходов, называемому каналом, с проводимостью либо n-, либо p-типа между двумя выводами, именуемыми «истоком» и «стоком» – аналогами эмиттера и коллектора или, точнее ,катода и анода вакуумного триода. Третий вывод – затвор (аналог сетки триода) – присоединен к слою кремния с другим типом проводимости, чем у канала исток-сток. Структура такого прибора показана на рисунке ниже.
Как же работает полевой транзистор? Принцип работы его заключается в управлении поперечным сечением канала путем приложения напряжения к переходу затвор-канал. Его всегда смещают в обратном направлении, поэтому транзистор практически не потребляет тока по цепи затвора, тогда как биполярному прибору для работы нужен определенный ток базы. При изменении входного напряжения область затвора может расширяться, перекрывая канал исток-сток вплоть до полного его закрытия, управляя таким образом током стока.
Как работает полевой транзистор?
ПТ с индуцированным каналом содержит три электрода — исток (source), сток (drain), и затвор (gate).
Принцип работы ПТ наполовину понятен из графического обозначения и названия электродов.
Канал ПТ – это «водяная труба», в которую втекает «вода» (поток заряженных частиц, образующих электрический ток) через «источник» (исток).
«Вода» вытекает из другого конца «трубы» через «слив» (сток). Затвор – это «кран», который открывает или перекрывает поток. Чтобы «вода» пошла по «трубе», надо создать в ней «давление», т.е. приложить напряжение между стоком и истоком.
Если напряжение не приложено («давления в системе нет»), тока в канале не будет.
Если приложено напряжение, то «открыть кран» можно подачей напряжения на затвор относительно истока.
Чем большее подано напряжение, тем сильнее открыт «кран», больше ток в канале «сток-исток» и меньше сопротивление канала.
В источниках питания ПТ используется в ключевом режиме, т.е. канал или полностью открыт, или полностью закрыт.
Честно сказать, принципы действия ПТ гораздо более сложны, он может работать не только в ключевом режиме. Его работа описывается многими заумными формулами, но мы не будем здесь все это описывать, а ограничимся этими простыми аналогиями.
Скажем только, что ПТ могут быть с n-каналом (при этом ток в канале создается отрицательно заряженными частицами) и p-каналом (ток создается положительно заряженными частицами). На графическом изображении у ПТ с n-каналом стрелка направлена внутрь, у ПТ с p-каналом – наружу.
Собственно, «труба» — это кусочек полупроводника (чаще всего – кремния) с примесями химических элементов различного типа, что обуславливает наличие положительных или отрицательных зарядов в канале.
Теперь переходим к практике и поговорим о том,
Устройство биполярного транзистора
Согласно типовых схем, буквой «Б» называется «База» — внутренний слой аппарата, его фундамент, который приводит преобразование или изменение токового сигнала. Стрелка в кругу показывает движение токовых зарядов в «Э».
«Э» — «Эмиттер» — внутренняя основная составляющая транзистора, предназначенный для переноса заряженных элементарных частиц в «Б».
«К» — «Коллектор» — вторая составляющая транзисторного устройства, которая производит сбор тех же зарядов, которые проходят через «Б».
Пласт «Базы» конструктивно выполняют очень тоненьким в связи с рекомбинированием заряженных частиц, которые идут через базовый слой, с составными частицами данного пласта. В то же время пласт «Коллектора» конструируют как можно шире для качественного сбора зарядов.
Introduction
Transistors make our electronics world go ’round. They’re critical as a control source in just about every modern circuit. Sometimes you see them, but more-often-than-not they’re hidden deep within the die of an integrated circuit. In this tutorial we’ll introduce you to the basics of the most common transistor around: the bi-polar junction transistor (BJT).
In small, discrete quantities, transistors can be used to create simple electronic switches, digital logic, and signal amplifying circuits. In quantities of thousands, millions, and even billions, transistors are interconnected and embedded into tiny chips to create computer memories, microprocessors, and other complex ICs.
Covered In This Tutorial
After reading through this tutorial, we want you to have a broad understanding of how transistors work. We won’t dig too deeply into semiconductor physics or equivalent models, but we’ll get deep enough into the subject that you’ll understand how a transistor can be used as either a switch or amplifier.
This tutorial is split into a series of sections, covering:
- Symbols, Pins, and Construction — Explaining the differences between the transistor’s three pins.
- Extending the Water Analogy — Going back to the water analogy to explain how a transistor acts like a valve.
- Operation Modes — An overview of the four possible operating modes of a transistor.
- Applications I: Switches — Application circuits showing how transistors are used as electronically controlled switches.
- Applications II: Amplifiers — More application circuits, this time showing how transistors are used to amplify voltage or current.
There are two types of basic transistor out there: bi-polar junction (BJT) and metal-oxide field-effect (MOSFET). In this tutorial we’ll focus on the BJT, because it’s slightly easier to understand. Digging even deeper into transistor types, there are actually two versions of the BJT: NPN and PNP. We’ll turn our focus even sharper by limiting our early discussion to the NPN. By narrowing our focus down — getting a solid understanding of the NPN — it’ll be easier to understand the PNP (or MOSFETS, even) by comparing how it differs from the NPN.
 
 
Suggested Reading
Before digging into this tutorial, we’d highly recommend giving these tutorials a look-through:
- Voltage, Current, Resistance, and Ohm’s Law — An introduction to the fundamentals of electronics.
- Electricity Basics — We’ll talk a bit about electricity as the flow of electrons. Find out how those electrons flow in this tutorial.
- Electric Power — One of the transistors main applications is amplifying — increasing the power of a signal. Increasing power means we can increase either current or voltage, find out why in this tutorial.
- Diodes — A transistor is a semiconductor device, just like a diode. In a way, it’s what you’d get if you stacked two diodes together, and tied their anodes together. Understanding how a diode works will go a long way towards uncovering the operation of a transistor.
Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)
Термин «МДП-транзистор» используется для обозначения полевых транзисторов, в которых управляющий электрод – затвор – отделен от активной области полевого транзистора диэлектрической прослойкой – изолятором. Основным элементом для этих транзисторов является структура металл-диэлектрик-полупроводник (М-Д-П).
Технология МДП-транзистора с встроенным затвором приведена на рисунке:
Исходный полупроводник, на котором изготовлен МДП-транзистор, называется подложкой (вывод П). Две сильнолегированные области n+ называется истоком (И) и стоком (С). Область подложки под затвором (З) называется встроенным каналом (n-канал).
Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл-диэлектрик-полупроводник является эффект поля. Эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод-затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения могут быть два состояния области пространственного заряда (ОПЗ) в канале – обогащение, обеднение.
Режиму обеднения соответствует отрицательное напряжение Uзи, при котором концентрация электронов в канале уменьшается, что приводит к уменьшению тока стока. Режиму обогащения соответствует положительное напряжение Uзи и увеличение тока стока.
ВАХ представлена на рисунке:
Топология МДП-транзистора с индуцированным (наведенным) каналом р-типа приведена на рисунке:
При Uзи = 0 канал отсутствует и Ic = 0. Транзистор может работать только в режиме обогащения Uзи < 0. Если отрицательное напряжение Uзи превысит пороговое Uзи.пор, то происходит формирование инверсионного канала. Изменяя величину напряжения на затворе Uзи в области выше порогового Uзи.пор, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и сопротивление канала. Источник напряжения в стоковой цепи Uси вызовет ток стока Iс.
ВАХ представлена на рисунке:
В МДП-транзисторах затвор отделен от полупроводника слоем окисла SiO2. Поэтому входное сопротивление таких транзисторов порядка 1013…1015 Ом.
К основным параметрам полевых транзисторов относятся:
- Крутизна характеристики при Uсп = const, Uпи = const. Типичные значения параметра (0,1…500) мА/В;
- Крутизна характеристики по подложке при Uсп = const, Uзи = const. Типичные значения параметра (0.1…1) мА/В;
- Начальный ток стока Iс.нач. – ток стока при нулевом значении напряжения Uзи. Типичные значения параметра: (0,2…600) мА – для транзисторов с управляющим каналом p-n переходом; (0,1…100) мА – для транзисторов со встроенным каналом; (0,01…0,5) мкА – для транзисторов с индуцированным каналом;
- Напряжение отсечки Uзи.отс.. Типичные значения (0,2…10) В; пороговое напряжение Uп. Типичные значения (1…6) В;
- Сопротивление сток-исток в открытом состоянии. Типичные значения (2..300) Ом
- Дифференциальное сопротивление (внутреннее): при Uзи = const;
- Статистический коэффициент усиления: μ = S · ri
Будущее транзисторов
Устройства совершенствуются с каждым годом, находятся другие области применения, например, ионная имплантация и другие. Что касается интегральных схем, то используемые в них приборы становятся более эргономичными, увеличивается их быстродействие, уменьшается потребление электроэнергии.
Развитие техники на транзисторах идет по двум направлениям:
-
увеличение рабочей мощности;
-
увеличение рабочего напряжения в дискретных системах.
В сфере устройств с низкой мощностью большое внимание уделяется интегральным схемам. Стандартный транзистор, цена которого сейчас составляет в среднем от 1 до 300 рублей, находит широкое применение в системах логических устройств
Однако постоянное усовершенствование производств и снижение стоимости влечет за собой интеграцию и в другие области вычислительной техники.
Ожидается применение нано- и квантовых приборов.
Одноэлектронные транзисторы, созданные на основе графена, могут быть меньше 10 нм. Но все это в будущем, а сейчас достаточно лишь знать, что такое транзистор.
