Как делают транзисторы разных типов?.. Каким образом очищают полупроводники и придают им монокристаллическую структуру?.. Какие способы позволяют ввести в полупроводник примеси положительного и отрицательного типов?.. Как в заводских условиях производят обычные транзисторы, мезатранзисторы и планарные?.. Какие сложные дилеммы ставит форма базы в транзисторах для усиления ВЧ?.. Все эти вопросы рассматриваются здесь профессором Радиолем.

Я с интересом прослушал вашу беседу о транзисторах и с удовлетворением отмечаю, что Любознайкин объяснил тебе все основные понятия, относящиеся к этим активным компонентам, которые за немногие годы успешно заменили вакуумные лампы в большинстве видов электронной аппаратуры.

Ты хорошо понял, Незнайкин, что слабые переменные токи, приложенные между базой и эмиттером, определяют ток базы, который в свою очередь вызывает ток коллектора. Можно сказать, что коэффициент усиления транзистора определяется отношением изменения тока коллектора к вызвавшему его изменению тока базы.

Очистка полупроводников

Я думаю, что ты хотел бы знать, какие типы транзисторов существуют и как их делают. Поэтому я попытаюсь описать тебе основные характеристики транзисторов и технологию их изготовления.

Транзисторы изготовляют из германия или кремния, причем в начале производственного цикла нужно иметь очень чистый полупроводник, обладающий безукоризненной кристаллической структурой.

Для устранения примесей применяют метод нагрева, носящий название зонной плавки. Полупроводниковый стержень кладут в кварцевый тигель и нагревают до тех пор, пока узкая зона стержня не расплавится. Затем эту расплавленную зону медленно передвигают от одного конца полупроводникового стержня к другому. Что здесь происходит? Примеси стремятся остаться в расплавленной части. Перемещая эту зону от одного конца стержня к другому, мы собираем примеси в одном конце и хорошо очищаем от них остальную часть стержня. После этого конец стержня, в котором собрались примеси, отрезают, а в хорошо очищенной части остается не более одного атома примесей на сто миллионов атомов полупроводника.

Высокочастотный нагрев

Ты, может быть, хочешь знать, как удается нагреть полупроводник узкой зоной, в которой температура достигает при очистке германия и при очистке кремния? В этом случае на помощь призывают электронику. Расплавляемую зону вместе с тиглем помещают в катушку, по которой протекает сильный ток высокой частоты. Этот ток наводит в массе полупроводника токи, которые сильно его разогревают. Катушку медленно перемещают вдоль тигля, что вызывает соответствующее перемещение расплавленной зоны (рис. 132).

Нагрев магнитным полем, наведенным токами высокой частоты и в свою очередь порождающим токи в массе полупроводника, координально отличается от нагрева спомощью пламени.

Нагрев пламенем повышает температуру поверхности тела, а уже с поверхности благодаря тепловой проводимости калорий проникают в глубь тела. При высокочастотном же нагреве тепло сразу охватывает всю массу нагреваемого тела.

Добавлю, что этот способ можно использовать и для нагрева диэлектриков, но тогда в нагреваемом теле создают электрическое (а не магнитное) поле. Для этого нагреваемое тело помещают между обкладками конденсатора, к которому прилагают напряжение ВЧ. Этот метод используют в медицине, где он называется высокочастотной диатермией.

Рис. 132. Очистка полупроводника методом зонной плавки.

Рис. 133. Расположение трех элементов, образующих транзистор.

Получение монокристалла

Вернемся, однако, к полупроводникам. Теперь, когда они хорошо очищены, им нужно придать безукоризненную кристаллическую структуру. Дело в том, что обычно полупроводник состоит из большого количества беспорядочно расположенных кристаллов. Такое скопище кристаллов надлежит превратить в один монокристалл с исключительно однородной кристаллической структурой во всей массе.

Для этого весь полупроводник нужно вновь расплавить; эту операцию также выполняют с помощью токов ВЧ, протекающих по катушке. В расплав вводят крошечный кристаллик, служащий затравкой для безупречной кристаллизации всей массы, и необходимое количество примесей типа n или p в зависимости от типа будущих транзисторов.

После охлаждения получают монокристалл, обладающий массой несколько килограммов. Затем его предстоит разрезать на большое количество маленьких кусочков, каждый из которых впоследствии будет превращен в транзистор. За исключением заготовок для транзисторов большой мощности эти кусочки имеют примерно 2 мм в длину и в ширину и несколько десятых долей миллиметра в толщину.

Сплавление

Вот мы и имеем заготовки для базы. Как из них сделать транзисторы? Ты без труда догадываешься, что для этого по обе стороны базы нужно иметь примеси типа, противоположного тому, какой содержит база.

Для выполнения этой задачи сущесгвует несколько способов. Если база сделана из германия типа p, то по обе стороны ее можно наложить крохотные таблетки из индия, предсгавляющего собой примесь типа n. Нагреем все это до температуры которой индий начинает плавиться; германий маний же, как я тебе уже говорил, обращается в жидкость лишь при нагревании до 940°С.

Атомы индия вкрапляются в германий; проникновение это облегчается тепловым движением.

Таким образом, с одной стороны базы образуется эмиттер, а с другой - коллектор (рис. 133). Последний должен иметь больший, чем эмиттер, объем, так как токи рассеивают на нем большую мощность. Само собой разумеется, что к каждому из этих трех электродов необходимо припаять проволочный вывод.

Диффузия и электролиз

Только что описанный мною способ формирования эмиттера и коллектора используется при производстве Сплавных транзисторов. Но эмиттер и коллектор можно также создать методом диффузии. Для этого полупроводник нагревают до температуры, близкой к точке плавления, и помещают его в атмосферу нейтрального газа, содержащую пары примеси, предназначенной для формирования эмиттера и коллектора. Атомы примеси легко проникают в полупроводник. В зависимости от дозировки паров примеси и продолжительности операции глубина проникновения может быть большей или меньшей. Это и определяет толщину базы.

Метод диффузии очень хорошо подходит для производства мощных транзисторов, так как он позволяет вводить примеси на больших площадях - таким образом можно сформировать эмиттер и коллектор необходимых размеров, достаточных для прохождения относительно больших токов.

Методу диффузии аналогичен электролитический метод, при котором полупроводник подвергают воздействию струек жидкости, содержащей примесь противоположного типа.

Как видишь, для производства транзисторов используют вещества в твердом состоянии - сплавление, в жидком - электролиз и в газообразном - диффузия.

Созданный одним из описанных методов транзистор помещают в герметичный и непрозрачный корпус, чтобы свет не вызывал в полупроводнике фотоэлектрического эффекта. В корпусе создают вакуум или заполняют его нейтральным газом, например азотом, чтобы предотвратить окисление германия или кремния кислородом воздуха. Корпуса для мощных транзисторов делают с таким расчетом, чтобы они могли рассеять тепло и тем самым предотвратить чрезмерный нагрев полупроводников. Такой корпус представляет собой теплоотводящий радиатор, он имеет большие размеры.

Высокие частоты ставят проблемы

К высокочастотному транзистору предъявляются требования в отношении толщины базы.

Если ее толщина очень мала, то между эмиттером и коллектором образуется относительно высокая емкость. Тогда токи ВЧ, вместо того чтобы проходить через два перехода, проходят непосредственно от эмиттера к коллектору, которые представляют собой своеобразные обкладки конденсатора.

Следует ли для снижения этой нежелательной емкости увеличить толщину базы? Ты, Незнайкин, несомненно, собираешься предложить это решение. Давай посмотрим, насколько оно рационально.

Увеличив расстояние, разделяющее эмиттер и коллектор, ты заставишь электроны проделывать между двумя переходами более длинный путь. Однако в полупроводнике скорость перемещения электронов и дырок довольно низкая: около . Предположим, что толщина базы составляет ОД мм. Для прохождения этой более чем короткой дистанции электронам потребуется 2,5 мкс.

Это равно длительности одного полупериода тока с частотой , соответствующей волне длиной . Как видишь, при такой толщине базы можно усиливать лишь токи, соответствующие длинным волнам.

Вот почему в ВЧ транзисторах толщину базы необходимо сделать значительно меньшей. При толщине базы 0,001 мм можно усиливать волны длиной до , а для приема дециметровых волн, на которых, в частности, ведутся телевизионные передачи, база должна быть еще тоньше.

Как видишь, здесь мы сталкиваемся с двумя противоречивыми требованиями: чтобы емкость эмиттер - коллектор не была слишком большой, нужно увеличить толщину базы, а чтобы электроны проходили через базу достаточно быстро, ее нужно сделать как можно тоньше.

Решения проблемы

Как же выйти из этой дилеммы? Очень просто, снизить емкость не путем сокращения расстояния между двумя обкладками, в роли которых здесь выступают эмиттер и коллектор, а путем предельно возможного уменьшения их площадей на переходах.

Рис. 134. Электролитическая обработка с помощью струек жидкости.

Рис. 135. Транзистор, в котором между базой и коллектором имеется зона из полупроводника с собственной проводимостью, улучшающая усиление на высоких частотах.

Для этой цели примеси вводят таким образом, чтобы эмиттер и коллектор имели форму конусов, вершины которых обращены в сторону базы. Такой результат достигается, в частности, при обработке обеих сторон полупроводниковой пластинки струйками жидкости, которая под воздействием напряжения вызывает электролиз и тем самым постепенно вырывает атомы, создавая в полупроводнике настоящие кратеры. Когда донышки этих углублений оказываются достаточно близко друг от друга, изменяют направление напряжения, а в жидкость добавляют достаточное количество примесей, которые с помощью электролиза вводят в углубления, образующие эмиттер и коллектор (рис. 134).

Существует категория ВЧ транзисторов, в которых обращенный к эмиттеру слой базы содержит повышенное количество примесей, что повышает скорость электронов и тем самым позволяет усиливать более высокие частоты. Такие транзисторы называют дрейфовыми; они позволяют усиливать дециметровые волны.

Можно идти дальше в этом направлении, разместив между базой и коллектором то, что называют зоной с собственной проводимостью (рис. 135). Она представляет собой слой очень чистого германия или кремния и поэтому обладает посредственной проводимостью. Эта зона отделяет очень тонкую базу от коллектора, что уменьшает емкость между эмиттером и коллектором и позволяет усиливать очень высокие частоты.

Транзисторы с мезаструктурой

Еще один метод служит для изготовления транзисторов, способных работать на частотах несколько тысяч мегагерц, благодаря чему они, в частности, применяются во входных схемах телевизоров.

Для изготовления таких транзисторов берут пластину германия типа p, которая будет служить коллектором. На нижнюю сторону пластины прочно припаивают полоску золота - будущий вывод. Верхнюю сторону пластины подвергают воздействиям паров сурьмы. Эта примесь типа n, плотность которой у поверхности выше, образует базу. Затем на этой же стороне пластины методом диффузии вводят примесь типа p (обычно алюминий), которая формирует эмиттер. Эту диффузию производят через решетку, в результате чего алюминий осаждается на поверхности узкими полосами (рис. 136, а).

После завершения этих операций на поверхность наносят крохотные капельки воска, каждая из которых одной стороной прикрывает участок полупроводника типа p - будущий эмиттер, а другой своей частью - участок типа n - будущую базу (рис. 136, б).

Рис. 136. Последовательные этапы изготовления мезатранзистора: а - диффузия через решетку примеси типа p; б - нанесение капелек воска на поверхности, образующие эмиттер и базу; в - обработка кислотой и разделение пластины на отдельные транзисторы.

Рис. 137. Этапы изготовления транзистора по планарной технологии: а - на эпитаксиальный слой наносят изолирующий слой двуокиси кремния; б - в изолирующем слое создают «окно», через которое методом диффузии вводят примесь типа p; в - после нанесения нового изолирующего слоя в нем создают «окно» меньших, чем первое, размеров и через него вводят примесь типа n; г - для доступа к зонам базы и эмиттера вскрывают отверстия, заполняемые металлом, к которому затем припаивают выводы; д - подложку укрепляют на металлической пластинке, которая служит выводом коллектора.

Затем всю пластину обрабатывают кислотой, которая стравливает все участки эмиттеров и баз, за исключением защищенных воском. Теперь остается лишь разрезать пластину на столько транзисторов, сколько имеется эмиттеров и баз, образующих на коллекторе небольшие своеобразные горки с плоской вершиной (рис. 136, в). Транзисторы с такой структурой стали называть меза, потому что в Южной Америке этим словом называют гору с плоской вершиной.

Эпитаксиальный слой

Спустимся теперь с этой горы на равнину. Под этим я подразумеваю планарную технологию изготовления транзисторов, получившую очень широкое распространение, так как она позволяет подготовить на одном монокристалле тысячи штук транзисторов за один технологический цикл. Эти транзисторы позволяют также усиливать высокие частоты и получать значительные мощности.

Чаще всего такие транзисторы формируют на эпитаксиальном слое полупроводника. Что же это такое?

Коллектор должен иметь небольшое удельное электрическое сопротивление, чтобы легко пропускать ток. Следовательно, его желательно делать из полупроводника с большим содержанием примесей. База и эмиттер, наоборот, должны иметь значительно меньше примесей.

Для создания необходимой разницы богатый примесями полупроводник покрывают тонким эпитаксиальным слоем. Для этого полупроводник, например кремний, нагревают в атмосфере водорода до температуры примерно на сто градусов ниже точки его плавления. Затем температуру слегка понижают и одновременно вводят полупроводник в тетрахлорид кремния. Последний разлагается, и на поверхности полупроводника осаждается эпитаксиальный слой, состоящий из атомов кремния, расположенных в идеальном порядке кристаллической решетки. Толщина этого слоя составляет сотую долю миллиметра, а его высокая чистота определяет высокое удельное электрическое сопротивление.

Изготовление транзисторов по планарной технологии

Представим себе, что мы имеем пластину кремния, покрытую эпитаксиальным слоем. Для начала нанесем на эпитаксиальный слой изолирующий слой двуокиси кремния (рис. 137). Затем, воздействуя соответствующим химическим составом, вскроем в изолирующем слое отверстие, через которое введем в эпитаксиальный слой методом диффузии примесь типа p, например бор; этот участок с примесями будет служить базой будущего транзистора.

Вновь покроем всю пластину изолирующим слоем двуокиси кремния и повторным химическим травлением вскроем в центре небольшое отверстие. Через это отверстие методом диффузии введем примесь типа n, например фосфор. Таким образом создают эмиттер.

Еще раз покроем всю пластину изолирующим слоем двуокиси кремния и затем вскроем в этом слое два отверстия: одно над эмиттером, а другое, расположенное в самом центре, над базой. Через эти отверстия напылением алюминия или золота создадим выводы эмиттера и базы. Что же касается вывода коллектора, то его изготовление не вызывает сложности - достаточно укрепить проводящую пластинку на нижней стороне коллектора.

Ты, Незнайкин, несомненно, заметишь, что у выполненного таким образом транзистора края переходов не имеют контакта с окружающей атмосферой; они защищены слоем двуокиси кремния, что полностью исключает возможность порчи транзистора. Двуокись кремния больше известна под названием кварца.

При желании повысить мощность планарного транзистора в принципе следует увеличивать площадь перехода эмиттер - база; для этого можно также увеличить площадь контакта между этийи двумя зонами, сделав эмиттер не в виде маленького круга, а в форме звезды или замкнутой ломаной линии.

Использование светочувствительных пленок

Узнав из моих объяснений о большом количестве операций, необходимых для производства транзистора по планарной технологии, ты, Незнайкин, несомненно, думаешь, что его себестоимость должна быть очень высокой. Поэтому я спешу успокоить тебя.

За один прием изготовляют несколько десятков или даже сотен транзисторов. В производстве применяют фотолитографические методы, еще шире используемые при изготовлении интегральных схем, о которых мы поговорим в другой раз.

Запомни, что для вскрытия крохотных отверстий («окон») всю поверхность сначала покрывают светочувствительной пленкой, которая под воздействием света становится твердой и устойчивой к растворителю, используемому на следующем этапе. Таким образом, подвергшиеся засветке участки поверхности оказываются защищенными своеобразным лаком, в который превратилась отвердевшая пленка.

Как я надеюсь, ты догадался, что на пленку проецируют световые изображения участков эпитаксиального слоя, которые не должны подвергаться химической обработке. Обычно световая проекция осуществляется через объективы, позволяющие уменьшать проецируемое изображение, что способствует микроминиатюризации...

Я мог бы рассказать тебе и о других транзисторах, например полевых. Но мне не хочется утомлять тебя. Можешь выключить магнитофон.

После того, как мы с вами стали изучать биполярные транзисторы, в личные сообщения стало приходить очень много сообщений именно про них. Самые распространенные вопросы звучат примерно так:

Если транзистор состоит из двух диодов, тогда почему бы просто не использовать два диода и не сделать из них простой транзистор?

Почему электрический ток течет от коллектора к эмиттеру (или наоборот), если транзистор состоит из двух диодов, которые соединены или катодами или анодами? Ведь ток потечет только через диод, включенный в прямом направлении, через другой он ведь течь не может?

А ведь правда ваша…Все логично… Но что-то мне кажется, что где-то есть подвох;-). А вот где эта самая “изюминка” мы и рассмотрим в этой статье…

Строение транзистора

Итак, как вы все помните из предыдущих статей, любой биполярный транзистор, скажем так, состоит из двух диодов. Для

эквивалентная схема выглядит вот так:

А для NPN транзистора

как-то вот так:

А что мудрить? Давайте проведем простой опыт!

У нас имеется всеми нами любимый советский транзистор КТ815Б. Он представляет из себя кремниевый транзистор NPN проводимости:

Собираем простую схемку с ОЭ (О бщим Э миттером), чтобы продемонстрировать его некоторые свойства. Этот опыт я показывал в предыдущих статьях. Но как говорится, повторение – мать учения.

Для демонстрации опыта нам понадобится маломощная лампочка накаливания и парочка Блоков питания . Собираем все это дело вот по такой схеме:

где у нас Bat1 – это блок питания, который у нас включается между базой и эмиттером, а Bat2 – блок питания, который у нас включается между коллектором и эмиттером, и в придачу последовательно цепляется еще лампочка.

Все это выглядит вот так:

Так как лампочка нормально светит при напряжении в 5 В, на Bat 2 я также выставил 5 В.

На Bat 1 плавно повышаем напряжение… и при напряжении в 0,6 В

у нас загорается лампочка. Следовательно, наш транзистор “открылся”

Но раз уж транзистор состоит из диодов, то почему бы нам не взять два диода и не “сделать” из них транзистор? Сказано – сделано. Собираем эквивалентную схему транзистора КТ815Б из двух диодов марки 1N4007.

На рисунке ниже я обозначил выводы диодов, как анод и катод, а также обозначил выводы “транзистора”.

Собираем все это дело по такой же схеме:

Так как наш транзистор КТ815Б были кремниевый, и диоды 1N4007 тоже кремниевые, то по идее транзистор из диодов должен открыться при напряжении 0,6-0,7 В. Добавляем напряжение на Bat1 до 0,7 В…

и…

нет, лампочка не горит ((

Если обратите внимание на блок питания Bat1, то можно увидеть, что потребление при 0,7 В составляло уже 0,14 А.

Проще говоря, если бы мы еще чуток поддали напряжение, то спалили бы диод “база-эмиттер”, если, конечно, вспомнить вольтамперная характеристику (ВАХ) диода.

Но почему, в чем дело? Почему транзистор КТ815Б, который по сути состоит из таких же кремниевых диодов пропускает через коллектор-эмиттер электрический ток, а два диода, спаянных также, не работают как транзистор? Где же зарыта собака?

А вы знаете, как в транзисторе расположены эти “диоды”? Если учесть, что N полупроводник – это хлеб, а тонкий слой ветчины – это P полупроводник, то в транзисторе они располагаются примерно вот так (на салат не смотрим):

Дело все в том, что база в транзисторе по ширине очень тонкая , как эта ветчина, а коллектор и эмиттер по ширине как эти половинки хлеба (немного преувеличиваю конечно, они чуть меньше), поэтому, транзистор, ведет себя как транзистор:-), то есть открывается и пропускает ток через коллектор-эмиттер.

Благодаря тому, что база очень тонкая по ширине, значит два P-N перехода находятся на очень маленьком расстоянии друг от друга и между ними происходит взаимодействие. Это взаимодействие называется транзисторным эффектом. А какой может быть транзисторный эффект между диодами, у которых расстояние между двумя P-N переходами как до Луны?

Принцип полупроводникового управления электрическим током был известен ещё в начале ХХ века. Несмотря на то, что инженеры, работающие в областях радиоэлектроники, знали как работает транзистор, они продолжали конструировать устройства на основе вакуумных ламп. Причиной такого недоверия к полупроводниковым триодам было несовершенство первых точечных транзисторов. Семейство германиевых транзисторов не отличались стабильностью характеристик и сильно зависели от температурных режимов.

Серьёзную конкуренцию электронным лампам составили монолитные кремниевые транзисторы лишь в конце 50-х годов. С этого времени электронная промышленность начала бурно развиваться, а компактные полупроводниковые триоды активно вытесняли энергоёмкие лампы со схем электронных приборов. С появлением интегральных микросхем, где количество транзисторов может достигать миллиардов штук, полупроводниковая электроника одержала убедительную победу в борьбе за миниатюризацию устройств.

Что такое транзистор?

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов некоторые виды полимеров, и даже углеродных нанотрубок. Видимо в скором будущем мы узнаем о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.

Раньше кристаллы полупроводника располагались в металлических корпусах в виде шляпок с тремя ножками. Такая конструкция была характерна для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских, в т. ч. кремниевых полупроводниковых приборов выполнены на основе легированного в определённых частях монокристалла. Они впрессованы в пластмассовые, металлостеклянные или металлокерамические корпуса. У некоторых из них имеются выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторы.

Электроды современных транзисторов расположены в один ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки плат. Выводы не маркируются на корпусах. Тип электрода определяется по справочникам или путём измерений.

Для транзисторов используют кристаллы полупроводников с разными структурами, типа p-n-p либо n-p-n. Они отличаются полярностью напряжения на электродах.

Схематически строение транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделённых дополнительным слоем. (Смотри рисунок 1). Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью полупроводникового триода.

Рис. 1. Строение транзисторов

На рисунке 1 схематически изображено строение биполярных триодов. Существуют ещё класс полевых транзисторов, о которых речь пойдёт ниже.

Базовый принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не протекает. Электрическому току препятствует сопротивление эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв. Для включения транзистора требуется подать незначительное напряжение на его базу.

На рисунке 2 показана схема, объясняющая принцип работы триода.

Рис. 2. Принцип работы

Управляя токами базы можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, то он изменит амплитуду выходных токов. При этом выходной сигнал точно повторит частоту колебаний на базовом электроде. Другими словами, произойдёт усиление поступившего на вход электрического сигнала.

Таким образом, полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

Работу устройства в режиме электронного ключа можно понять из рисунка 3.

Рис. 3. Триод в режиме ключа

Обозначение на схемах

Общепринятое обозначение: «VT» или «Q» , после которых указывается позиционный индекс. Например, VT 3. На более ранних схемах можно встретить вышедшие из употребления обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ». Транзистор изображается в виде символических линий обозначающих соответствующие электроды, обведённые кружком или без такового. Направление тока в эмиттере указывает стрелка.

На рисунке 4 показана схема УНЧ, на которой транзисторы обозначены новым способом, а на рисунке 5 – схематические изображения разных типов полевых транзисторов.

Рис. 4. Пример схемы УНЧ на триодах

Виды транзисторов

По принципу действия и строению различают полупроводниковые триоды:

полевые;
биполярные;
комбинированные.

Эти транзисторы выполняют одинаковые функции, однако существуют различия в принципе их работы.

Полевые

Данный вид триодов ещё называют униполярным, из-за электрических свойств – у них протекает ток только одной полярности. По строению и типу управления эти устройства подразделяются на 3 вида:

Транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 6).
С изолированным затвором (бывают со встроенным либо с индуцированным каналом).
МДП, со структурой: металл-диэлектрик-проводник.

Отличительная черта изолированного затвора – наличие диэлектрика между ним и каналом.

Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

Схемы полевых триодов показано на рисунке 5.

Рис. 5. Полевые транзисторы

Рис. 6. Фото реального полевого триода

Обратите внимание на название электродов: сток, исток и затвор.

Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать больше года от небольшой батарейки или аккумулятора. Поэтому они нашли широкое применение в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные гаджеты и т.п.

Биполярные

Об этом виде транзисторов много сказано в подразделе «Базовый принцип работы». Отметим лишь, что название «Биполярный» устройство получило из-за способности пропускать заряды противоположных знаков через один канал. Их особенностью является низкое выходное сопротивление.

Транзисторы усиливают сигналы, работают как коммутационные устройства. В цепь коллектора можно включать достаточно мощную нагрузку. Благодаря большому току коллектора можно понизить сопротивление нагрузки.

Более детально о строении и принципе работы рассмотрим ниже.

Комбинированные

С целью достижения определённых электрических параметров от применения одного дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них можно выделить:

с внедрёнными и их схему резисторами;
комбинации из двух триодов (одинаковых или разных структур) в одном корпусе;
лямбда-диоды – сочетание двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением;
конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом (применяются для управления электромоторами).

Комбинированные транзисторы – это, по сути, элементарная микросхема в одном корпусе.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

Работа биполярных транзисторов основана на свойствах полупроводников и их сочетаний. Чтобы понять принцип действия триодов, разберёмся с поведением полупроводников в электрических цепях.

Полупроводники.

Некоторые кристаллы, такие как кремний, германий и др., являются диэлектриками. Но у них есть одна особенность – если добавить определённые примеси, то они становятся проводниками с особыми свойствами.

Одни добавки (доноры) приводят к появлению свободных электронов, а другие (акцепторы) – образуют «дырки».

Если, например, кремний легировать фосфором (донор), то получим полупроводник с избытком электронов (структура n-Si). При добавлении бора (акцептор) легированный кремний станет полупроводником с дырочной проводимостью (p-Si), то есть в его структуре будут преобладать положительно заряженные ионы.

Односторонняя проводимость.

Проведём мысленный эксперимент: соединим два разнотипных полупроводника с источником питания и подведём ток к нашей конструкции. Произойдёт нечто неожиданное. Если соединить отрицательный провод с кристаллом n-типа, то цепь замкнётся. Однако, когда мы поменяем полярность, то электричества в цепи не будет. Почему так происходит?

В результате соединения кристаллов с разными типами проводимости, между ними образуется область с p-n переходом. Часть электронов (носителей зарядов) из кристалла n-типа перетечёт в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинирует дырки в зоне контакта.

В результате возникают некомпенсированные заряды: в области n-типа – из отрицательных ионов, а в области p-типа из положительных. Разница потенциалов достигает величины от 0,3 до 0,6 В.

Связь между напряжением и концентрацией примесей можно выразить формулой:

φ= V T * ln (N n * N p )/n 2 i , где

V T – величина термодинамического напряжения, N n и N p – концентрация соответственно электронов и дырок, а n i обозначает собственную концентрацию.

При подсоединении плюса к p-проводнику, а минуса к полупроводнику n-типа, электрические заряды преодолеют барьер, так как их движение будет направлено против электрического поля внутри p-n перехода. В данном случае переход открыт. Но если полюса поменять местами, то переход будет закрыт. Отсюда вывод: p-n переход образует одностороннюю проводимость. Это свойство используется в конструкции диодов.

От диода к транзистору.

Усложним эксперимент. Добавим ещё одну прослойку между двумя полупроводниками с одноименными структурами. Например, между кремниевыми пластинами p-типа вставим прослойку проводимости (n-Si). Не трудно догадаться, что произойдёт в зонах соприкосновения. По аналогии с вышеописанным процессом образуются области с p-n переходами, которые заблокируют движение электрических зарядов между эмиттером и коллектором, причём независимо от полярности тока.

Самое интересное произойдёт тогда, когда мы приложим незначительное напряжение к прослойке (базе). В нашем случае, подадим ток с отрицательным знаком. Как и в случае с диодом, образуется цепь эмиттер-база, по которой потечёт ток. Одновременно прослойка начнёт насыщаться дырками, что приведёт к дырочной проводимости между эмиттером и коллектором.

Посмотрите на рисунок 7. На нём видно, что положительные ионы заполнили всё пространство нашей условной конструкции и теперь ничто не мешает проводимости тока. Мы получили наглядную модель биполярного транзистора структуры p-n-p.

Рис. 7. Принцип работы триода

При обесточивании базы транзистор очень быстро приходит в первоначальное состояние и коллекторный переход закрывается.

Устройство может работать и в усилительном режиме.

Ток коллектора связан прямой пропорциональностью с током базы: I к = ß* I Б , где ß – коэффициент усиления по току, I Б – ток базы.

Если изменить величину управляющего тока, то изменится интенсивность образования дырок на базе, что повлечёт за собой пропорциональное изменение амплитуды выходного напряжения, с сохранением частоты сигнала. Этот принцип используют для усиления сигналов.

Подавая на базу слабые импульсы, на выходе мы получаем такую же частоту усиления, но со значительно большей амплитудой (задаётся величиной напряжения, приложенного к цепочке коллектор эмиттер).

Аналогичным образом работают npn транзисторы. Меняется только полярность напряжений. Устройства со структурой n-p-n обладают прямой проводимостью. Обратную проводимость имеют транзисторы p-n-p типа.

Остаётся добавить, что полупроводниковый кристалл подобным образом реагирует на ультрафиолетовый спектр света. Включая и отключая поток фотонов, или регулируя его интенсивность, можно управлять работой триода или менять сопротивление полупроводникового резистора.

Схемы включения биполярного транзистора

Схемотехники используют следующие схемы подключения: с общей базой, общими электродами эмиттера и включение с общим коллектором (Рис. 8).

Рис. 8. Схемы подключения биполярных транзисторов

Для усилителей с общей базой характерно:

низкое входное сопротивление, которое не превышает 100 Ом;
хорошие температурные свойства и частотные показатели триода;
высокое допустимое напряжение;
требуется два разных источника для питания.

Схемы с общим эмиттером обладают:

высокими коэффициентами усиления по току и напряжению;
низкие показатели усиления по мощности;
инверсией выходного напряжения относительно входного.

При таком подключении достаточно одного источника питания.

Схема подключения по принципу «общий коллектор» обеспечивает:

большое входное и незначительное выходное сопротивление;
низкий коэффициент напряжения по усилению (< 1).

Как работает полевой транзистор? Пояснение для чайников

Строение полевого транзистора отличается от биполярного тем, что ток в нём не пересекает зоны p-n перехода. Заряды движутся по регулируемому участку, называемому затвором. Пропускная способность затвора регулируется напряжением.

Пространство p-n зоны уменьшается или увеличивается под действием электрического поля (см. Рис. 9). Соответственно меняется количество свободных носителей зарядов – от полного разрушения до предельного насыщения. В результате такого воздействия на затвор, регулируется ток на электродах стока (контактах, выводящих обработанный ток). Входящий ток поступает через контакты истока.

Рисунок 9. Полевой транзистор с p-n переходом

По аналогичному принципу работают полевые триоды со встроенным и индуцированным каналом. Их схемы вы видели на рисунке 5.

Схемы включения полевого транзистора

На практике применяют схемы подключений по аналогии с биполярным триодом:

с общим истоком – выдаёт большое усиление тока и мощности;
схемы с общим затвором обеспечивающие низкое входное сопротивление, и незначительное усиление (имеет ограниченное применение);
с общим стоком, работающие так же, как и схемы с общим эмиттером.

На рисунке 10 показаны различные схемы включения.

Рис. 10. Изображение схем подключения полевых триодов

Практически каждая схема способна работать при очень низких входных напряжениях.

Видео, поясняющие принцип работы транзистора простым языком

Вам нужно всего два компонента, чтобы собрать простейший инвертор, преобразующий постоянный ток 12 В в 220 В переменного тока.

Абсолютно никаких дорогих или дефицитных элементов или деталей. Все можно собрать за 5 минут! Даже паять не надо! Скрутил проволокой и все.

Что понадобиться для инвертора?

Трансформатор от приемника, магнитофона, центра и т.п. Одна обмотка сетевая на 220 В, другая на 12 В.
Реле на 12 В. Такие много где используются.
Провода для подключения.

Сборка инвертора

Все сводиться к тому, чтобы подключить реле и трансформатор следующим образом. Первым делом на сетевую обмотку трансформатора накидываем нагрузку в виде светодиодной лампочки - это будет выход инвертора.
Затем низковольтную обмотку подключаем параллельно реле. Теперь один контакт идет на питание к аккумулятору, а второй подключаем к другому контакту аккумулятора, но только через замкнутый контакт реле. Плюс или минус значения не имеет.

Все! Ваш инвертер готов! Супер просто!
Подключаем к аккумулятору - он у нас в роли источника на 12 В и лампа на 220 В начинает светиться. При этом вы слышите писк реле.

Как же работает этот инвертер?

Все очень просто: когда вы подключаете питание все напряжение идет через замкнутые контакты на реле. Реле срабатывает и контакты размыкаются. В результате питание реле отключается и оно приводит контакты обратно на замкнутые. В результате чего цикл повторяется. А так как параллельно реле подключен повышающий трансформатор, мощные импульсы постоянного включения-выключения подаются ему и преобразуются в переменный высоковольтный ток. Частота такого преобразователя колеблется в пределах 60-70 Гц.
Конечно, такой инвертор не долговечен - рано или поздно реле выйдет из строя, но не жалко - оно стоит копейки или вообще бесплатно, если взять старое. А выходное напряжение по роду тока и разбросу просто ужасно. Но этот простейший преобразователь может вас выручить в какой-нибудь серьезной ситуации.

Количество областей применения устройств, называемых солнечными батареями, увеличивается с каждым днем. Они находят все более широкое применение в военно-космических отраслях, промышленности, сельском хозяйстве, в быту. Несмотря на то что приобрести такую батарею по разумной цене становится все проще, интересно изготовить ее своими руками.

В этой статье даются практические советы по изготовлению своими руками солнечной батареи, которая может использоваться как источник тока для маломощных радиолюбительских конструкций.

Самодельная солнечная батарея из диодов или транзисторов - устройство, интересное не только с точки зрения практического применения, но и для понимания принципа ее работы. Причем для ее изготовления лучше использовать полупроводниковые приборы, выпущенные 30-40 лет назад.

Как работает солнечная батарея?

Солнечная батарея как устройство, преобразующее энергию света в электрическую энергию, известно уже достаточно давно. Ее работа основана на явлении внутреннего фотоэффекта в p-n переходе. Внутренний фотоэффект - явление возникновения в полупроводнике дополнительных носителей тока (электронов или дырок) при поглощении света.

Электроны и дырки разделяются p-n переходом так, что электроны концентрируются в n-области, а дырки - в p-области, в результате между этими областями возникает ЭДС. Если к ним подключить внешнюю нагрузку, то при освещении p-n перехода в ней возникнет ток. Энергия солнца превращается в электрическую энергию.

ЭДС и сила тока в таком полупроводнике определяется следующими факторами:

материалом полупроводника (германий, кремний и т.д.);
площадью поверхности р-n перехода;
освещенностью этого перехода.

Сила тока, создаваемая одним элементом, очень мала, и для достижения желаемого результата нужно собирать модули из большого числа таких элементов. Такой источник тока не боится коротких замечаний, поскольку величина силы тока, создаваемого им, ограничена некоторым максимальным значением - обычно несколько миллиампер.

Самодельная солнечная батарея из полупроводниковых диодов или транзисторов

Необходимые для создания солнечной батареи р-n переходы есть и у полупроводниковых диодов, и у транзисторов. У диода 1 р-n переход, а транзистор имеет 2 таких перехода - между базой и коллектором, между базой и эмиттером. Возможность использования полупроводникового прибора в этом качестве определяется 2-мя условиями:

должна существовать возможность открыть р-n переход;
площадь р-n перехода должна быть достаточно большой.

Самодельная транзисторная солнечная батарея

Второе условие обычно выполняется для мощных плоскостных транзисторов. Кремниевый n-р-n транзистор КТ801 (а) интересен тем, что у него легко открыть переход. Достаточно надавить плоскогубцами крышку и аккуратно снять ее. У мощных германиевых транзисторов П210-П217 (б) нужно аккуратно разрезать крышку по линии АА и снять ее.

Подготовленные транзисторы, прежде чем использовать их в качестве элементов солнечной батареи, следует проверить. Для этого можно использовать обычный мультиметр. Переключив прибор в режим измерения тока (предел несколько миллиампер), включить его между базой и коллектором или эмиттером транзистора, переход которого хорошо освещен. Прибор должен показать небольшой ток - обычно доли миллиампера, реже чуть больше 1 мА. Переключив мультиметр в режим измерения напряжения (предел 1-3 В), мы должны получить значение выходного напряжения порядка нескольких десятых долей вольта. Желательно рассортировать их по группам с близкими значениями выходных напряжений.

Для увеличения выходного тока и рабочего напряжения применяется смешанное соединение элементов. Внутри групп элементы с близкими значениями выходных напряжений соединяются параллельно. Общий выходной ток группы равен сумме токов отдельных элементов. Группы между собой включаются последовательно. Их выходные напряжения складываются. Для транзисторов со структурой n-р-n полярность выходного напряжения будет противоположной.

Для сборки источника тока лучше разработать монтажную плату из фольгированного стеклотекстолита. После распайки элементов, плату лучше поместить в корпус подходящих размеров и закрыть сверху пластиной из оргстекла. Источник тока из нескольких десятков транзисторов генерирует напряжение в несколько вольт при выходном токе в несколько миллиампер. Ее можно использовать для подзарядки маломощных аккумуляторов, для питания маломощного радиоприемника и других маломощных электронных устройств.

Самодельная диодная солнечная батарея

Может быть изготовлена своими руками и солнечная батарея на диодах. В качестве примера опишем изготовление батарей на плоскостных кремниевых диодах КД202. . Вместо них можно использовать другие полупроводниковые выпрямители: Д242, Д237, Д226 и т.д.

Чтобы открыть р-n переход диода КД202, нужно проделать следующие операции:

Зажав диод в тисках за фланец, отрезать, а затем аккуратно расправить вывод анода, чтобы потом можно было легко освободить припаянный к р-n переходу медный провод.
Приложив к сварному соединению нож или другой острый предмет, легкими ударами, поворачивая в тисках диод, отделить защитный фланец.

Примерно так же можно отделить защитный фланец и других диодов.

В солнечной батарее подготовленные диоды, как и транзисторы в приведенной выше схеме, соединяются смешанно. В каждой группе элементы также соединяются параллельно: с одной стороны между собой соединяются аноды диодов, а с другой - катоды. Отбирать элементы по группам можно так же, как и транзисторы. Чем больше в таком источнике тока отдельных элементов, тем больше его мощность.

Источник тока из 5 групп по 10 диодов генерирует напряжение порядка 2,5 В при силе тока 20-25 мА. Для изготовления самодельного источника тока допустимо использование выпрямительных диодов малой мощности типа Д223. Они удобны тем, что у них легко открыть для света р-n переход. Для этого достаточно подержать их некоторое время в ацетоне, после чего защитная краска легко очищается со стеклянного корпуса.

Не забывайте, что при работе с полупроводниковыми приборами, не следует забывать, что они легко выходят из строя при перегреве. Для пайки следует применять легкоплавкий припой и маломощный паяльник, стараясь не прогревать слишком долго место спайки.

Нетрудно заметить, что изготовление и сборка самодельной полупроводниковой солнечной батареи - задача не очень сложная для человека, знакомого с азами конструирования электронных устройств. Попробуйте - у вас все получится!

Online-сервисы