Основы электроники для чайников: что такое транзистор и как он работает

Транзистор – полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электрическим током.

Где применяются транзисторы? Да везде! Без транзисторов не обходится практически ни одна современная электрическая схема. Они повсеместно используются при производстве вычислительной техники, аудио- и видео-аппаратуры.

Времена, когда советские микросхемы были самыми большими в мире, прошли, и размер современных транзисторов очень мал. Так, самые маленькие из устройств имеют размер порядка нанометра!

Приставка нано- обозначает величину порядка десять в минус девятой степени.

Однако существуют и гигантские экземпляры, использующиеся преимущественно в областях энергетики и промышленности.

Транзисторы

Существуют разные типы транзисторов: биполярные и полярные, прямой и обратной проводимости. Тем не менее, в основе работы этих приборов лежит один и тот же принцип. Транзистор — прибор полупроводниковый. Как известно, в полупроводнике носителями заряда являются электроны или дырки.

Область с избытком электронов обозначается буквой n (negative), а область с дырочной проводимостью – p (positive).

Количественное своеобразие структуры транзистора.

Для определенности обратимся к транзистору типа n-p-n. В основе работы биполярного транзистора лежат не какие-либо новые физические процессы, еще не рассмотренные при изучении полупроводникового диода: своеобразие транзистора определяется особенностями его конструкции.

Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n-перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, представленное на рис. 1.53.

Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n-переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Именно это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 1.54).

В схеме с диодами ток каждого диода зависит только от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.

Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину, а именно: очень малое расстояние между переходами транзистора (от 20 — 30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает качественное своеобразие транзистора.

Вообще полезно отметить, что в электронике достаточно часто реализуется следующий способ получения устройства, обладающего новым качеством: особым образом соединяют два одинаковых, уже хорошо изученных элемента. При изучении дифференциального усилителя станет ясно, что новое качество можно получить при использовании в роли таких элементов уже самих двух транзисторов.

6. Биполярные транзисторы с изолированными затворами

6.1. Общие сведения о БТИЗ

Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) – по-английски «insulated gate bipolar transistor» или сокращённо IGBT – это компонент, управление которым, как полевым транзистором, осуществляют напряжением, а протекание тока по силовым выводам коллектора и эмиттера обусловлено, как у биполярного транзистора, движением носителей зарядов обоих типов. В едином технологическом цикле в полупроводнике организуют структуры мощного биполярного p-n-p транзистора, которым управляет МОП-транзистор малой мощности, имеющий n-канал. Выводы БТИЗ носят названия затвора, коллектора и эмиттера.

Достоинства: возможность коммутации токов в тысячи ампер и допустимость прикладывания постоянного напряжения коллектор-эмиттер в несколько киловольт к запертому транзистору. Если напряжение коллектор-эмиттер запертого БТИЗ превышает приблизительно 600В, то падающее на выводах коллектор-эмиттер открытого БТИЗ напряжение насыщения обычно меньше по сравнению с полевыми транзисторами той же ценовой группы.

Недостатки: даже наименее инерционные БТИЗ предназначены для функционирования на много более низкой частоте, нежели полевые транзисторы, причём чем выше частота, тем ниже максимально допустимая амплитуда тока коллектора транзистора. При этом БТИЗ по частотным свойствам подразделяют на группы. При изготовлении БТИЗ помимо необходимого биполярного p-n-p транзистора возникает ещё и паразитный биполярный n-p-n транзистор, и они совместно образуют структуру тиристора. Это отражено на эквивалентной схеме БТИЗ, изображённой на рис. 6.1, где компонент VT2 – это паразитный транзистор.

При высокой скорости переключения компонента или при протекании по выводам коллектор-эмиттер короткого импульса тока большой амплитуды и прочего структура тиристора в БТИЗ может самопроизвольно перейти в открытое состояние. При этом БТИЗ теряет управляемость, и транзистор, как и устройство, в котором он работал, могут выйти из строя.

Прикладывая отпирающее напряжение к выводам затвор-эмиттер, БТИЗ из отсечки переводят в состояние насыщения, сопротивление коллектор-эмиттер падает, и по этим выводам течёт ток нагрузки. Если напряжение затвор-эмиттер отсутствует, то транзистор имеет состояние отсечки, в котором ток через выводы коллектор-эмиттер практически отсутствует. Таким образом, БТИЗ – это полностью управляемые компоненты. Современные силовые модули БТИЗ выдерживают прямой ток коллектора силой до 1,8 кА, напряжение коллектор-эмиттер в закрытом состоянии до 4,5 кВ. БТИЗ обычно используют в качестве электронных ключей в импульсных преобразователях, например, инверторных сварочных аппаратов, в системах управления электродвигателями и т.д.

6.2. Конструкция и принцип действия БТИЗ

Простейшая структура БТИЗ планарного исполнения отражена на рис. 6.2.

Из рисунка видно, что на металлическом основании, к которому присоединён вывод коллектора, расположена подложка p + , а на ней находятся два n-слоя. Эти слои понижают коэффициент усиления p-n-p структуры мощного биполярного транзистора. Ближайший к подложке n + -слой необходим для снижения вероятности самопроизвольного отпирания тиристорной структуры. Более удалённый от подложки n – -слой претворяют в жизнь эпитаксиальным наращиванием или другими способами. Подложка p + играет роль эмиттера биполярного p-n-p транзистора, область n – -слоя – его базы, а область p-типа, к которой подключают вывод эмиттера БТИЗ, – его коллектора. Над n – -слоем расположена p-область, которая выполняет функцию канала управляющего МОП-транзистора, затвор которого выполнен из поликристаллического кремния и изолирован от полупроводника эмиттерной области слоем оксида SiO₂. В этой канальной p-области размещены n + -зоны, которые выступают в качестве стока МОП-транзистора, а его истоком служит n – -область. Затвор структуры МОП-транзистора соединён с выводом затвора БТИЗ.

Если на затвор БТИЗ относительно эмиттера подать напряжение положительной полярности, отпирающее компонент, то это приведёт вначале к открыванию под воздействием электрического поля структуры МОП-транзистора и инжекции электронов в её канал. В результате возникает инжекция носителей заряда в n – -слой, служащий базой структуры биполярного p-n-p транзистора, которая переходит в состояние насыщения. Таким образом, вначале происходит отпирание структуры МОП-транзистора, а лишь затем структуры биполярного p-n-p транзистора. Сопротивление коллектор-эмиттер открытого БТИЗ имеет очень малую величину, а по выводу коллектора компонента течёт ток нагрузки.

Если убрать поданное ранее отпирающее напряжение на выводы затвор-эмиттер БТИЗ, то канал в структуре МОП-транзистора исчезает, в n – -слое происходит снижение концентрации носителей зарядов ввиду рекомбинации. Рекомбинация – процесс не мгновенный; пока она идет, транзистор не закрыт. Лишь по завершении рекомбинации БТИЗ переходит в состояние отсечки.

6.3. Основные параметры БТИЗ

К наиболее важным параметрам IGBT относят следующее:

Длительность включения и выключения транзистора, мкс.

Ёмкости затвор-эмиттер, коллектор-эмиттер и затвор-коллектор при заданном напряжении коллектор-эмиттер, нФ.

Заряд затвора транзистора, нКл.

Максимально допустимую температуру нагрева кристалла транзистора, °C.

Максимальную мощность рассеяния, Вт.

Напряжение насыщения, т.е. напряжение между выводами коллектор-эмиттер открытого транзистора, В.

Предельно допустимый импульсный ток коллектора при температуре 25 °C, А.

Предельно допустимый постоянный ток коллектора при температуре 25 °C, А.

Предельную скорость нарастания напряжения, не приводящую к самопроизвольному открыванию транзистора, dU / dt.

Характеристики транзистора, включённого по схеме оэ:

Основные элементы схемы: транзистор, резистор RL и цепь выхода усилителя с внешним питанием.

Благодаря незначительной толщине слоя микроны и большой величине градиента концентрации отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Где транзисторы купить? Транзисторы по праву считаются одним из великих открытий человечества.

При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном — обратное. Его также обозначают как Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах: Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. Во — первых усиление каскада зависит от конкретного экземпляра транзистора: заменил транзистор при ремонте, — подбирай заново смещение, выводи на рабочую точку.

Ответ может быть да а может и нет. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, этим объясняется тот факт, что коэффициент усиления по току составляет десятки единиц. Схема с общим коллектором ОК Практические варианты схем включения транзисторов структуры п-р-п и р-п-р приведены на рис. В литературе такое название почему-то почти не встречается, а вот в кругу радиоинженеров и радиолюбителей используется повсеместно, всем сразу понятно, о чем идет речь.

Схемы включения биполярного транзистора

Ваш email:. Для того чтобы без расчетов первоначально оценить величины RC-элементов, входящих в состав схем рис. Поэтому плотность компоновки элементов в МОП- интегральных схемах значительно выше. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.

Такое состояние называют рабочей точкой транзистора, в этом случае коэффициент усиления каскада максимален. Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Такой режим работы транзистора рассматривался уже давно. Повышение частоты приводит к снижению реактивной ёмкости коллекторного перехода, что приводит к его существенному шунтированию и ухудшению усилительных свойств каскада. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке в области базы транзистора.

Устройство и принцип действия

В биполярном транзисторе используются два типа носителей заряда — электроны и дырки, отчего такие транзисторы и называются биполярными. Нагрузкой каскада является эмиттерный резистор R2, входной сигнал подается через конденсатор C1, а выходной снимается через конденсатор C2. Сопротивление нагрузки можно изменять в широких пределах, правда, при этом особо усердствовать не надо. Коэффициент усиления транзистора зависит от толщины базы, поэтому изменить его нельзя.

Иногда она применяется для ослабления влияния нагрузки на характеристики высокочастотных генераторов и синтезаторов частоты. Все эти схемы показаны на рисунке 2. Поэтому при построении схем усилителей постоянного тока используют схемы с непосредственными связями между каскадами.
Ключевой режим работы транзистора Схема с общим эмиттером

Полевой транзистор

Назначение то же, что и биполярного, но разное строение. Транзисторы координируют более высокие мощности при аналогичных размерах.

В структуре есть элементы:

• сток для приемки большого напряжения;
• затвор для управляемого напряжения;
• исток для раздачи напряжения при открытом положении.

Как работает

В устройстве полевого типа ток проходит к стоку сквозь канал в легированном проводнике под затвором. Он расположен между нелегированной прослойкой (в ней отсутствуют зарядные носители) и затвором. Здесь присутствует участок обеднения, где ток не проводится.

Размер канала по ширине ограничен областью между участком обеднения и прослойкой. Силой тока управляют с помощью изменения вольтажа, приложенного к затвору. В этом случае меняется канальное сечение, и ток на выходе меняет величину.

Схемы включения

Полевые транзисторы подключают одним из трех способов:

• с общим стоком;
• с совместным истоком;
• с общей базой.

Схема с общим стоком аналогична подключению биполярного модуля с совместным коллектором. Используют тип подсоединения в согласующихся каскадах, где нужно входное напряжение большое, а на выходе — низкое. Включение поддерживает широкий диапазон частот.

Схема с общим истоком дает большое увеличение мощности и электротока, при этом фаза напряжения контура стока переворачивается. Сопротивление на входе может быть несколько сотен мегаОм, чтобы его снизить, добавляют между истоком и затвором резистор.

В схеме с общим затвором нет усиления электротока, повышение мощности небольшое. Напряжение находится в аналогичной фазе с управляющим. При изменении входного импульса напряжение на истоке повышается или понижается.

Параметры MOSFET транзисторов

Технологические возможности и успехи в разработке мощных полевых транзисторов привели к тому, что в настоящее время не составляет особого труда приобрести их за приемлемую цену.

В связи с этим возрос интерес радиолюбителей к применению таких MOSFET транзисторов в своих электронных самоделках и проектах.

Стоит отметить тот факт, что MOSFET’ы существенно отличаются от своих биполярных собратьев, как по параметрам, так и своему устройству.

Пришло время ближе познакомиться с устройством и параметрами мощных MOSFET транзисторов, чтобы в случае необходимости более осознанно подобрать аналог для конкретного экземпляра, а также иметь возможность понимать суть тех или иных величин, указанных в даташите.

Что такое HEXFET транзистор?

В семействе полевых транзисторов есть отдельная группа мощных полупроводниковых приборов называемых HEXFET. Их принцип работы основан на весьма оригинальном техническом решении. Их структура представляет собой несколько тысяч МОП ячеек включенных параллельно.

Ячеистые структуры образуют шестиугольник. Из-за шестиугольной или по-другому гексагональной структуры данный тип мощных МОП-транзисторов и называют HEXFET. Первые три буквы этой аббревиатуры взяты от английского слова hexagonal – «гексагональный».

Под многократным увеличением кристалл мощного HEXFET транзистора выглядит вот так.

Как видим, он имеет шестиугольную структуру.

Получается, что мощный MOSFET, по сути представляет собой эдакую супер-микросхему, в которой объединены тысячи отдельных простейших полевых транзисторов. В совокупности они создают один мощный транзистор, который может пропускать через себя большой ток и при этом практически не оказывать значительного сопротивления.

Благодаря особой структуре и технологии изготовления HEXFET, сопротивление их канала R_DS(on) удалось заметно снизить. Это позволило решить проблему коммутации токов в несколько десятков ампер при напряжении до 1000 вольт.

Вот только небольшая область применения мощных HEXFET транзисторов:

Схемы коммутации электропитания.

Системы управления электродвигателями.

Усилители низкой частоты.

Ключи для управления мощными нагрузками.

Несмотря на то, что мосфеты, изготовленные по технологии HEXFET (параллельных каналов) обладают сравнительно небольшим сопротивлением открытого канала, сфера применения их ограничена, и они применяются в основном в высокочастотных сильноточных схемах. В высоковольтной силовой электронике предпочтение порой отдают схемам на основе IGBT.

Транзисторы HEXFET марки IRLZ44ZS

Изображение MOSFET транзистора на принципиальной электрической схеме (N-канальный МОП).

Как и биполярные транзисторы, полевые структуры могут быть прямой проводимости или обратной. То есть с P-каналом или N-каналом. Выводы обозначаются следующим образом:

О том, как обозначаются полевые транзисторы разных типов на принципиальных схемах можно узнать на этой странице.

Основные параметры полевых транзисторов.

Вся совокупность параметров MOSFET может потребоваться только разработчикам сложной электронной аппаратуры и в даташите (справочном листе), как правило, не указывается. Достаточно знать основные параметры:

V_DSS (Drain-to-Source Voltage) – напряжение между стоком и истоком. Это, как правило, напряжение питания вашей схемы. При подборе транзистора всегда необходимо помнить о 20% запасе.

I_D (Continuous Drain Current) – ток стока или непрерывный ток стока. Всегда указывается при постоянной величине напряжения затвор-исток (например, V_GS=10V). В даташите, как правило, указывается максимально возможный ток.

R_DS(on) (Static Drain-to-Source On-Resistance) – сопротивление сток-исток открытого канала. При увеличении температуры кристалла сопротивление открытого канала увеличивается. Это легко увидеть на графике, взятом из даташита одного из мощных HEXFET транзисторов. Чем меньше сопротивление открытого канала (R_DS(on)), тем лучше мосфет. Он меньше греется.

P_D (Power Dissipation) – мощность транзистора в ваттах. По-иному этот параметр ещё называют мощностью рассеяния. В даташите на конкретное изделие величина данного параметра указывается для определённой температуры кристалла.

V_GS (Gate-to-Source Voltage) – напряжение насыщения затвор-исток. Это напряжение, при превышении которого увеличения тока через канал не происходит. По сути, это максимальное напряжение между затвором и истоком.

V_GS(th) (Gate Threshold Voltage) – пороговое напряжение включения транзистора. Это напряжение, при котором происходит открытие проводящего канала и он начинает пропускать ток между выводами истока и стока. Если между выводами затвора и истока приложить напряжение меньше V_GS(th), то транзистор будет закрыт.

На графике видно, как уменьшается пороговое напряжение V_GS(th) при увеличении температуры кристалла транзистора. При температуре 175°C оно составляет около 1 вольта, а при температуре 0°C около 2,4 вольт. Поэтому в даташите, как правило, указывается минимальное (min.) и максимальное (max.) пороговое напряжение.

Рассмотрим основные параметры мощного полевого HEXFET-транзистора на примере IRLZ44ZS фирмы International Rectifier. Несмотря на впечатляющие характеристики, он имеет малогабаритный корпус D 2 PAK для поверхностного монтажа. Глянем в datasheet и оценим параметры этого изделия.

Предельное напряжение сток-исток (V_DSS): 55 Вольт.

Максимальный ток стока (I_D): 51 Ампер.

Предельное напряжение затвор-исток (V_GS): 16 Вольт.

Сопротивление сток-исток открытого канала (R_DS(on)): 13,5 мОм.

Максимальная мощность (P_D): 80 Ватт.

Сопротивление открытого канала IRLZ44ZS составляет всего лишь 13,5 миллиОм (0,0135 Ом)!

Взглянем на «кусочек» из таблицы, где указаны максимальные параметры.

Хорошо видно, как при неизменном напряжении на затворе, но при повышении температуры уменьшается ток (с 51A (при t=25°C) до 36А (при t=100°C)). Мощность при температуре корпуса 25°C равна 80 Ваттам. Так же указаны некоторые параметры в импульсном режиме.

Транзисторы MOSFET обладают большим быстродействием, но у них есть один существенный недостаток – большая ёмкость затвора. В документах входная ёмкость затвора обозначается как C_iss (Input Capacitance).

На что влияет ёмкость затвора? Она в большой степени влияет на определённые свойства полевых транзисторов. Поскольку входная ёмкость достаточно велика, и может достигать десятков пикофарад, применение полевых транзисторов в цепях высокой частоты ограничивается.

В схемах переключения время заряда паразитной входной ёмкости транзистора влияет на скорость его срабатывания.

Важные особенности MOSFET транзисторов.

Очень важно при работе с полевыми транзисторами, особенно с изолированным затвором, помнить, что они “смертельно” боятся статического электричества. Впаивать их в схему можно только предварительно закоротив выводы между собой тонкой проволокой.

При хранении все выводы МОП-транзистора лучше закоротить с помощью обычной алюминиевой фольги. Это уменьшит риск пробоя затвора статическим электричеством. При монтаже его на печатную плату лучше использовать паяльную станцию, а не обычный электрический паяльник.

Дело в том, что обычный электрический паяльник не имеет защиты от статического электричества и не «развязан» от электросети через трансформатор. На его медном жале всегда присутствуют электромагнитные «наводки» из электросети.

Любой всплеск напряжения в электросети может повредить паяемый элемент. Поэтому, впаивая полевой транзистор в схему электрическим паяльником, мы рискуем повредить MOSFET-транзистор.

Функции транзисторов

Транзисторы выполняют следующие функции:

1. Позволяют усиливать электрические сигналы. Транзисторы усиливают любые электрические сигналы, как высокие так и низкие частоты.
2. Могут работать как ключ, включать и выключать поступление электрического тока. Благодаря этому простому включению и выключению работают все современные процессоры. Транзисторы – это основа всей современной цифровой техники.
3. Генерируют электрические сигналы за счет положительной обратной связи. На их основе можно сделать генераторы звука и сигналов.
4. Могут согласовывать сопротивления электрических цепях за счет различных схем включения и работают как ограничители тока. В блоках питания транзисторы могут ограничивать ток короткого замыкания, а также работать как предохранитель.

Чем транзисторы уступают лампам

Несмотря на неоспоримые преимущества транзисторов перед лампами, ламповые триоды по прежнему имеют ряд преимуществ., среди которых:

• Устойчивость к высоким электромагнитным наводкам и помехам. Это не значит, что полупроводниковая техника может выйти из строя от любых помех. Но если случится сильнейшая магнитная буря от Солнца (или мощный ЭМИ удар от ядерных бомб), то все p-n переходы в полупроводниковой технике могут выйти из строя из-за высоких токов наводки. Вакуумная техниках намного устойчивее к таким помехам.
• Ламповая техника намного лучше и стабильнее работает на высоких частотах. И это уже особенности конструкции. Так как в транзисторах есть p-n переходы, то у них тоже есть своя емкость. А паразитная емкость на высоких частотах негативно влияет на усиление сигнала. Появляются нелинейные искажения. А в вакуумной технике есть такие лампы, у которых по несколько экранирующих сеток, которые позволяют снизить эффект паразитных емкостей. Пример радиолампы — это клистрон.

Нельзя прямо сказать, что транзисторы полностью искоренили лампы. У каждой детали есть свои преимущества и недостатки в разных областях. Конечно, в цифровой технике транзисторам нет ровни среди ламп. Однако на сверхвысоких частотах транзисторы по-прежнему уступают лампам.