Транзистор — устройство, виды, применение

Транзистор – это полупроводниковый электронный компонент, который играет ключевую роль в современной электронике и вычислительной технике. Транзистор используется для усиления и генерации электрических сигналов, а также выполняет функции электронного ключа в цифровых схемах.

Принцип действия транзистора основан на способности управлять сильным электрическим током слабым, что позволяет совершать различные операции над сигналом. Без применения транзисторов невозможно представить современную электронику – от компьютеров и смартфонов до бытовой техники.

Устройство транзистора

Транзистор состоит из полупроводникового материала (чаще всего кремния или германия), в котором специально созданы области с разным типом электропроводности.

Основными элементами транзистора являются:

• Эмиттер – область с избытком свободных носителей заряда.
• Коллектор – область, куда дрейфуют носители заряда из эмиттера.
• База – область, регулирующая поток носителей заряда между эмиттером и коллектором.

В зависимости от типа электропроводности областей различают два основных типа транзисторов:

• Биполярные транзисторы – состоят из двух p-n переходов. Бывают p-n-p и n-p-n типов.
• Полевые транзисторы – имеют только один p-n переход. Например, транзисторы с управляющим переходом и МДП транзисторы.

Конструктивно транзистор имеет три вывода – эмиттер, база и коллектор, к которым подключается внешняя электрическая цепь для взаимодействия с транзистором.

Принцип работы транзистора

Работа транзистора основана на явлениях, происходящих на границе p-n перехода полупроводников. При подаче напряжения на p-n переход носители заряда инжектируются из области с избытком носителей (эмиттер) в область с их нехваткой (база).

Часть носителей из базы диффундирует дальше в коллектор, создавая коллекторный ток. Небольшое изменение тока базы может привести к значительному изменению коллекторного тока – этот эффект и используется для усиления сигналов.

Упрощённо принцип работы транзистора можно представить так: слабый входной сигнал на базе управляет сильным выходным сигналом коллектора.

Транзистор может работать в двух режимах:

• Усилительном – транзистор усиливает входной сигнал по амплитуде.
• Ключевом – транзистор открывает или закрывает выходную цепь, как электронный ключ.

Виды и классификация транзисторов

Существует множество разновидностей транзисторов, отличающихся принципом действия, конструкцией, областью применения и другими параметрами. Рассмотрим основные группы.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы могут быть двух типов в зависимости от последовательности слоёв:

• p-n-p транзистор – состоит из чередующихся слоёв p-типа, n-типа и снова p-типа.
• n-p-n транзистор – имеет последовательность слоёв n-типа, p-типа и n-типа.

Биполярные транзисторы характеризуются высоким коэффициентом усиления, что делает их незаменимыми в усилителях сигналов.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы имеют только один p-n переход. К этой группе относятся:

• Транзисторы с управляющим p-n переходом.
• МДП транзисторы (металл-диэлектрик-полупроводник).
• МОП транзисторы (металл-оксид-полупроводник) – разновидность МДП транзисторов.

Полевые транзисторы обладают высоким входным сопротивлением, что позволяет использовать их в высокочастотных схемах.

Другие разновидности:

• Фототранзисторы – управляются светом.
• Транзистор Дарлингтона представляет собой схему из двух (редко — трёх или более) биполярных транзисторов с соединенными эмиттером одного и базой другого. Это позволяет достичь очень высокого коэффициента усиления по току, в сотни и тысячи раз больше, чем у отдельного транзистора.
• Варикап (варикапный диод) — это разновидность диода, предназначенный для использования в качестве управляемого конденсатора.

И многие другие.

Применение транзисторов

Благодаря уникальным свойствам, транзисторы нашли широчайшее применение в различных областях электроники и техники.

Транзисторы в усилителях

Транзисторы широко используются в качестве активных элементов в усилителях сигналов. Благодаря свойству транзистора управлять сильным током коллектора слабым током базы, можно усилить малые переменные сигналы до необходимой амплитуды.

Транзисторные усилители применяются:

• В радиоприемниках — для усиления слабых радиосигналов, поступающих с антенны, до уровня, необходимого для дальнейшей обработки. Используются усилители высокой частоты, промежуточной частоты и низкой частоты.
• В телевизорах — для усиления видео и звукового сигналов после их детектирования. Применяются широкополосные видеоусилители и усилители звуковых частот.
• В звуковых системах — усилители мощности на транзисторах используются в заключительных каскадах для получения большой выходной амплитуды аудиосигнала, необходимой для работы динамиков.

Транзисторные усилители бывают однотранзисторными и многотранзисторными, с различными схемами включения транзисторов. Выбор конкретной схемы зависит от требований к параметрам усилителя — полосе пропускания, коэффициенту усиления, линейности, выходной мощности.

Транзисторы в генераторах

Транзисторы широко используются в схемах различных типов генераторов электрических колебаний и сигналов.

На транзисторах строятся:

• Генераторы гармонических колебаний — для получения синусоидальных сигналов определенной частоты. Применяются в передатчиках радиовещания, радиолокации, связи.
• Генераторы релаксационных колебаний — для формирования пилообразного напряжения, прямоугольных и других импульсов. Используются в импульсных источниках питания, цифровой технике.
• Мультивибраторы — генераторы прямоугольных колебаний на транзисторах. Применяются для получения тактовых импульсов в компьютерах и цифровых устройствах.
• Генераторы шумовых сигналов — используются в системах скремблирования и шифрования информации.

Достоинства транзисторных генераторов — высокая стабильность частоты, малые габариты и энергопотребление, возможность электронного управления частотой с помощью варикапов. Транзисторные генераторы вытеснили ламповые в большинстве областей применения.

Транзисторы в импульсных источниках питания

Импульсные источники питания широко используются для преобразования и стабилизации напряжения в современной электронной технике — компьютерах, ноутбуках, мобильных телефонах и т.д.

Принцип работы таких источников основан на быстром переключении транзисторов и преобразовании напряжения с помощью импульсов.

Основные функции транзисторов в импульсных источниках питания:

• Формирование высокочастотных импульсов для преобразования напряжения. Используются быстродействующие транзисторы в ключевом режиме.
• Стабилизация выходного напряжения с помощью обратной связи. Применяются транзисторы в схемах эмиттерных и коллекторных повторителей.
• Защита от перенапряжений и токовых перегрузок. Используются ограничительные транзисторные каскады.
• Фильтрация пульсаций выпрямленного напряжения. Применяются транзисторные эмиттерные повторители.

Транзисторы позволили сделать импульсные источники питания малогабаритными, эффективными и надежными. Они вытеснили ламповые выпрямители в этой области применения.

Транзисторы в цифровых схемах

Транзисторы являются основными активными элементами в цифровых логических схемах и устройствах.

Благодаря способности быстро переключаться между открытым и закрытым состоянием, транзисторы идеально подходят для использования в качестве электронных ключей.

Транзисторы широко применяются:

• В микропроцессорах — для построения логических вентилей, триггеров, сумматоров, дешифраторов и других узлов.
• В оперативной памяти — транзисторы используются в ячейках ОЗУ для хранения одного бита информации.
• В процессорах — для реализации арифметико-логического устройства, устройства управления, кэш-памяти.
• В схемах сопряжения — для согласования сигналов между различными узлами.

Современные микропроцессоры содержат миллиарды транзисторов, работающих в цифровом ключевом режиме. Без транзисторов невозможно представить цифровую электронику.

Транзисторы в бытовой технике

Транзисторы широко применяются во многих бытовых электронных устройствах:

• Телевизоры — транзисторы используются в усилителях и демодуляторах TV-сигнала, в импульсных блоках питания, в выходных каскадах звука.
• Радиоприемники — транзисторные усилители ВЧ, ПЧ, НЧ, детекторы, генераторы для синтеза частоты.
• Стиральные машины — транзисторные ключи для коммутации обмоток электродвигателя, электронные схемы управления режимами.
• Микроволновые печи — транзисторы в высокочастотных генераторах СВЧ, блоках питания.
• Кондиционеры — транзисторные усилители, стабилизаторы, схемы управления компрессором.
• Холодильники — транзисторные реле, таймеры, схемы индикации температуры.

Транзисторы позволили сделать современную бытовую технику функциональной, надежной и доступной по цене. Они заменили лампы в подавляющем большинстве устройств.

Обозначение транзистора на схеме

Для удобства при проектировании электронных устройств на схемах используется условное графическое обозначение транзистора:

Также на схеме указывается маркировка выводов транзистора – эмиттер, коллектор, база.

Например, вот схемы включения транзистора по схемам с общим эмиттером и общим коллектором:

Заключение

Транзистор – уникальный полупроводниковый прибор, позволивший реализовать множество сложных электронных устройств. С момента изобретения транзистора в 1948 году началась новая эра в развитии радиоэлектроники и вычислительной техники.

Совершенствование технологий производства транзисторов привело к появлению интегральных схем и микропроцессоров. Современная цифровая техника с её миниатюрностью, производительностью и низким энергопотреблением была бы невозможна без применения транзисторов.

Что такое биполярный транзистор и какие схемы включения существуют

Назначение, характеристики и аналоги транзистора 13001

Описание, устройство и принцип работы полевого транзистора

Обзор современных протоколов промышленной автоматизации — Modbus, Profinet, EtherCAT и др.

Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт

Пневмоавтоматика — применение сжатого воздуха в системах автоматического управления