Различные типы транзисторов и их работа

Наш мозг состоит из 100 миллиардов клеток, называемых нейронами, которые используются, чтобы думать и запоминать вещи. Как и в компьютере, есть миллиарды крошечных клеток мозга, называемых транзисторами. Он состоит из экстракта химического элемента из песка, называемого кремнием. Транзисторы радикально меняют теорию электроники, поскольку она была разработана более полувека назад Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли.

Итак, мы расскажем, как они работают или что они есть на самом деле?

Что такое транзисторы?

Эти устройства состоят из полупроводникового материала, который обычно используется для усиления или переключения, его также можно использовать для управления потоком напряжения и тока. Он также используется для усиления входных сигналов в выходной сигнал экстента. Транзистор - это обычно твердотельное электронное устройство, состоящее из полупроводниковых материалов. Электронная циркуляция тока может быть изменена добавлением электронов. Этот процесс приводит к изменениям напряжения, которые пропорционально влияют на многие изменения выходного тока, вызывая усиление. Не все, но большинство электронных устройств содержат один или несколько типов транзисторов. Некоторые из транзисторов размещаются индивидуально или обычно в интегральных схемах, которые различаются в зависимости от их состояния применения.

«Транзистор - это компонент типа насекомого на трех лапах, который в некоторых устройствах размещается по отдельности, но в компьютерах он упакован внутри в миллионах чисел в небольших микрочипах»

Из чего состоит транзистор?

Транзистор состоит из трех слоев полупроводника, способных удерживать ток. Электропроводящие материалы, такие как кремний и германий, обладают способностью переносить электричество между проводниками и изолятором, который был заключен в пластиковые провода. Полупроводниковые материалы обрабатываются с помощью некоторой химической процедуры, называемой легированием полупроводника. Если кремний легирован мышьяком, фосфором и сурьмой, он получит некоторые дополнительные носители заряда, то есть электроны, известные как полупроводник N-типа или отрицательный полупроводник, тогда как если кремний легирован другими примесями, такими как бор, галлий, алюминий, он получит меньшее количество носителей заряда, то есть дырок, известно как полупроводник P-типа или положительный полупроводник.

Как работает транзистор?

Принцип работы - это основная часть понимания того, как использовать транзистор или как он работает? В транзисторе есть три вывода:

• База: дает базу для электродов транзистора.

• Эмиттер: Эмитент носителей заряда.

• Сборщик: собираемые этим носители заряда.

Если транзистор типа NPN, нам нужно приложить напряжение 0,7 В для его запуска, и когда напряжение, приложенное к базовому выводу, транзистор включается, что является условием прямого смещения, и ток начинает течь через коллектор к эмиттеру (также называемое насыщением область). Когда транзистор находится в состоянии обратного смещения или вывод базы заземлен или на нем отсутствует напряжение, транзистор остается в состоянии ВЫКЛ и не позволяет току течь от коллектора к эмиттеру (также называемая областью отсечки).

Если транзистор типа PNP, он обычно находится в состоянии ВКЛ, но нельзя говорить о том, что он идеально включен, пока базовый вывод не будет идеально заземлен. После заземления вывода базы транзистор будет в обратном смещенном состоянии или будет включен. Поскольку питание подается на вывод базы, он перестает проводить ток от коллектора к эмиттеру, и транзистор, как говорят, находится в состоянии ВЫКЛ или в состоянии прямого смещения.

Для защиты транзистора мы последовательно подключаем к нему сопротивление, а для определения значения этого сопротивления используем следующую формулу:

R _B = V _BE / I _B

Различные типы транзисторов:

В основном мы можем разделить транзисторы на две категории: биполярный переходной транзистор (BJT) и полевой транзистор (FET). Далее мы можем разделить его, как показано ниже:

Биполярный переходной транзистор (BJT)

Транзистор с биполярным переходом состоит из легированного полупроводника с тремя выводами, то есть базой, эмиттером и коллектором. В этой процедуре участвуют как дырки, так и электроны. Большой ток, проходящий через коллектор к эмиттеру, переключается путем изменения небольшого тока от базы к выводам эмиттера. Их также называют устройствами с регулируемым током. NPN и PNP являются двумя основными частями BJT, как мы обсуждали ранее. Биполярный транзистор включается путем подачи входного сигнала на базу, потому что у него самый низкий импеданс для всех транзисторов. Коэффициент усиления также самый высокий для всех транзисторов.

Эти типы биполярного транзистора заключаются в следующем:

1. Транзистор NPN:

В средней области NPN-транзистора, т.е. база p-типа, а две внешние области, то есть эмиттер и коллектор, относятся к n-типу.

В прямом активном режиме транзистор NPN смещен. При источнике постоянного тока Vbb переход база-эмиттер будет смещен в прямом направлении. Следовательно, на этом переходе область истощения будет уменьшена. Переход коллектор-база имеет обратное смещение, область истощения перехода коллектор-база будет увеличена. Основными носителями заряда для эмиттера n-типа являются электроны. Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, поэтому электроны движутся к области базы. Следовательно, это вызывает ток эмиттера Ie. Базовая область тонкая и слабо легирована дырками, образуется электронно-дырочная комбинация, и некоторые электроны остаются в базовой области. Это вызывает очень небольшой базовый ток Ib. Коллекторный переход базы смещен в обратном направлении к дыркам в базовой области и электронам в области коллектора, но он смещен вперед к электронам в базовой области. Оставшиеся электроны базовой области, притянутые клеммой коллектора, вызывают ток коллектора Ic. Узнайте больше о транзисторе NPN здесь.

2. Транзистор PNP:

В средней области PNP-транзистора, т.е. база n-типа, а две внешние области, то есть коллектор и эмиттер, относятся к p-типу.

Как мы обсуждали выше, в транзисторе NPN он также работает в активном режиме. Большинство носителей заряда - это дырки для эмиттера p-типа. Для этих отверстий переход базового эмиттера будет смещен вперед и перемещается к базовой области. Это вызывает ток эмиттера Ie. Базовая область тонкая и слабо легирована электронами, образуется электронно-дырочная комбинация, и некоторые дырки остаются в базовой области. Это вызывает очень маленький базовый ток Ib. Коллекторный переход базы смещен в обратном направлении к отверстиям в области основания и отверстиям в области коллектора, но смещен вперед к отверстиям в области основания. Оставшиеся отверстия базовой области, притянутые клеммой коллектора, вызывают ток коллектора Ic. Узнайте больше о транзисторе PNP здесь.

Что такое конфигурации транзисторов?

Как правило, существует три типа конфигураций, и их описание в отношении усиления следующее:

Конфигурация с общей базой (CB): без усиления по току, но с усилением по напряжению.

Конфигурация общего коллектора (CC): он имеет усиление по току, но без усиления по напряжению.

Конфигурация с общим эмиттером (CE): он имеет усиление по току и по напряжению.

Конфигурация общей базы транзистора (CB):

В этой схеме база размещена как на входе, так и на выходе. У него низкий входной импеданс (50-500 Ом). Он имеет высокое выходное сопротивление (1-10 МОм). Напряжение измеряется относительно клемм базы. Таким образом, входное напряжение и ток будут Vbe & Ie, а выходное напряжение и ток будут Vcb & Ic.

Текущее усиление будет меньше единицы, т.е. альфа (dc) = Ic / Ie
Повышение напряжения будет высоким.
Прирост мощности будет средним.

Конфигурация транзисторного общего эмиттера (CE):

В этой схеме эмиттер размещен общим как для входа, так и для выхода. Входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выходной сигнал - между коллектором и эмиттером. Vbb и Vcc - напряжения. Он имеет высокое входное сопротивление, то есть (500-5000 Ом). Он имеет низкий выходной импеданс, то есть (50-500 кОм).

Текущее усиление будет высоким (98), т.е. бета (dc) = Ic / Ie
Увеличение мощности до 37 дБ.
Выходной сигнал будет сдвинут по фазе на 180 градусов.

Конфигурация общего коллектора транзистора:

В этой схеме коллектор размещен как общий для входа и выхода. Это также известно как эмиттер-повторитель. Он имеет высокое входное сопротивление (150-600 кОм) и низкий выходной импеданс (100-1000 Ом).

Текущее усиление будет высоким (99).
Коэффициент усиления по напряжению будет меньше единицы.
Прирост мощности будет средним.

Полевой транзистор (FET):

Полевой транзистор содержит три области, такие как исток, затвор и сток. Их называют устройствами, управляемыми напряжением, поскольку они контролируют уровень напряжения. Для управления электрическим поведением можно выбрать внешнее электрическое поле, поэтому они называются полевыми транзисторами. В этом случае ток течет из-за основных носителей заряда, то есть электронов, поэтому он также известен как однополярный транзистор. Он имеет в основном высокий входной импеданс в мегаомах с низкой частотной проводимостью между стоком и истоком, управляемой электрическим полем. Полевые транзисторы высокоэффективны, надежны и менее затратны.

Полевые транзисторы бывают двух типов, а именно: полевые транзисторы на стыке (JFET) и полевые транзисторы на основе оксида металла (MOSFET). Ток проходит между двумя каналами, названными n-каналом и p-каналом.

Переходный полевой транзистор (JFET)

Полевой транзистор с переходным эффектом не имеет PN перехода, но вместо полупроводниковых материалов с высоким удельным сопротивлением они образуют кремниевые каналы n и p типа для потока основных носителей заряда с двумя выводами, либо стоком, либо выводом истока. В n-канале протекание тока отрицательное, тогда как в p-канале протекание тока положительное.

Работа JFET:

В JFET есть два типа каналов, которые называются: n-канальный JFET и p-канальный JFET.

N-канальный JFET:

Здесь мы должны обсудить принцип работы n-канального JFET для двух следующих условий:

Во-первых, когда Vgs = 0, Подайте небольшое положительное напряжение на клемму стока, где Vds положительный. Из-за этого приложенного напряжения Vds электроны текут от истока к стоку, вызывая ток стока Id. Канал между стоком и истоком действует как сопротивление. Пусть n-канал однороден. Различные уровни напряжения устанавливаются током стока Id и перемещаются от истока к стоку. Напряжения самые высокие на выводе стока и самые низкие на выводе истока. Дренаж имеет обратное смещение, поэтому слой истощения здесь шире.

Vds увеличивается, Vgs = 0 В

Слой истощения увеличивается, ширина канала уменьшается. Vds увеличивается на уровне, где соприкасаются две области истощения, это состояние, известное как процесс отсечки – отсечки, вызывает напряжение отсечки Vp.

Здесь Id pinched –off падает до 0 MA, а Id достигает на уровне насыщения. Id с Vgs = 0, известный как ток насыщения сток-исток (Idss). Vds увеличивается при Vp, где Id тока остается неизменным, а JFET действует как источник постоянного тока.

Во-вторых, когда Vgs не равно 0, Применяются отрицательные значения Vgs и Vds. Ширина области истощения увеличивается, канал сужается, а сопротивление увеличивается. Протекает меньший ток стока и достигает уровня насыщения. Из-за отрицательного Vgs уровень насыщения уменьшается, Id уменьшается. Напряжение отсечки непрерывно падает. Поэтому его называют устройством, управляемым напряжением.

Характеристики JFET:

В характеристиках показаны различные регионы, а именно:

Омическая область: Vgs = 0, слой обеднения небольшой.

Область отсечки: также известна как область отсечки, поскольку сопротивление канала является максимальным.

Насыщенность или активная область: контролируется напряжением затвора-истока, где напряжение стока-истока меньше.

Область пробоя: высокое напряжение между стоком и истоком вызывает пробой в резистивном канале.

P-канал JFET:

P-канальный JFET работает так же, как и n-канальный JFET, но с некоторыми исключениями, например, из-за дыр ток в канале положительный и полярность напряжения смещения должна быть обратной.

Слить ток в активной области:

Id = Idss

Сопротивление канала истока стока: Rds = delta Vds / delta Id

Металлооксидный полевой транзистор (MOSFET):

Металлооксидный полевой транзистор также известен как полевой транзистор, управляемый напряжением. Здесь затворные электроны оксида металла электрически изолированы от n-канала и p-канала тонким слоем диоксида кремния, называемым стеклом.

Ток между стоком и истоком прямо пропорционален входному напряжению.

Это устройство с тремя выводами, то есть затвор, сток и исток. Есть два типа полевых МОП-транзисторов по функционированию каналов, т. Е. P-канальный MOSFET и n-канальный MOSFET.

Есть две формы полевого транзистора на основе оксида металла, то есть типа истощения и типа усиления.

Тип истощения: требуется Vgs, т.е. напряжение затвор-исток для выключения, а режим истощения равен нормально замкнутому переключателю.

Vgs = 0, если Vgs положительно, электронов больше, а если Vgs отрицательно, электронов меньше.

Тип улучшения: требуется Vgs, т. Е. Напряжение затвора-истока для включения, а режим улучшения равен нормально разомкнутому переключателю.

Здесь дополнительная клемма - это подложка, используемая для заземления.

Напряжение источника затвора (Vgs) больше порогового напряжения (Vth)

Режимы смещения для транзисторов:

Смещение может быть выполнено двумя способами, то есть прямым смещением и обратным смещением, тогда как в зависимости от смещения существует четыре различных схемы смещения, а именно:

Смещение фиксированной базы и смещение фиксированного сопротивления:

На рисунке базовый резистор Rb подключен между базой и Vcc. Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении из-за падения напряжения Rb, которое приводит к потоку Ib через него. Здесь Ib получается из:

Ib = (Vcc-Vbe) / Rb

Это приводит к коэффициенту стабильности (бета +1), что приводит к низкой термической стабильности. Здесь выражения напряжений и токов, т.е.

Vb = Vbe = Vcc-IbRb Vc = Vcc-IcRc = Vcc-Vce Ic = Бета Ib Ie = Ic

Смещение обратной связи коллектора:

На этом рисунке базовый резистор Rb подключен между коллектором и базовым выводом транзистора. Поэтому базовое напряжение Vb и напряжение коллектора Vc подобны друг другу этим

Vb = Vc-IbRb Где, Vb = Vcc- (Ib + Ic) Rc

Согласно этим уравнениям, Ic уменьшает Vc, что уменьшает Ib, автоматически уменьшая Ic.

Здесь коэффициент (бета +1) будет меньше единицы, а Ib приведет к уменьшению усиления усилителя.

Итак, напряжения и токи могут быть заданы как:

Vb = Vbe Ic = beta Ib Ie почти равно Ib

Смещение двойной обратной связи:

На этом рисунке это модифицированная форма схемы базирования обратной связи коллектора. Так как в нем есть дополнительный контур R1, повышающий стабильность. Следовательно, увеличение сопротивления базы приводит к вариациям в бета-коэффициенте, т.е.

В настоящее время, I1 = 0,1 Ic Vc = Vcc- (Ic + I (Rb) Rc Vb = Vbe = I1R1 = Vc- (I1 + Ib) Rb Ic = beta Ib Ie почти равно Ic

Фиксированное смещение с эмиттерным резистором:

На этом рисунке это то же самое, что и схема фиксированного смещения, но к ней подключен дополнительный эмиттерный резистор Re. Ic увеличивается из-за температуры, Ie также увеличивается, что снова увеличивает падение напряжения на Re. Это приводит к снижению Vc, уменьшает Ib, что возвращает iC к его нормальному значению. Прирост напряжения уменьшается из-за присутствия Re.

В настоящее время, Ve = Ie Re Vc = Vcc - Ic Rc Vb = Vbe + Ve Ic = beta Ib Ie почти равно Ic

Смещение эмиттера:

На этом рисунке показаны два напряжения питания Vcc и Vee, равные, но противоположные по полярности. Здесь Vee смещен в прямом направлении к переходу база-эмиттер посредством Re, а Vcc смещен в обратном направлении к переходу коллектор-база.

В настоящее время, Ve = -Vee + Ie Re Vc = Vcc- Ic Rc Vb = Vbe + Ve Ic = beta Ib Ie почти равно Ib Где, Re >> Rb / beta Vee >> Vbe

Что дает стабильную рабочую точку.

Смещение обратной связи эмиттера:

На этом рисунке он использует как коллектор как обратную связь, так и обратную связь эмиттера для большей стабильности. Из-за протекания эмиттерного тока Ie на эмиттерном резисторе Re возникает падение напряжения, поэтому базовый переход эмиттера будет иметь прямое смещение. Здесь температура увеличивается, Ic увеличивается, т. Е. Тоже увеличивается. Это приводит к падению напряжения на Re, напряжение коллектора Vc уменьшается, и Ib также уменьшается. Это приводит к уменьшению усиления на выходе. Выражения могут быть представлены как:

Irb = 0,1 Ic = Ib + I1 Ve = IeRe = 0,1Vcc Vc = Vcc- (Ic + Irb) Rc Vb = Vbe + Ve = I ₁ R1 = Vc- (I ₁ + Ib0Rb) Ic = beta Ib Ie почти равно к я c

Смещение делителя напряжения:

На этом рисунке для смещения транзистора используются резисторы R1 и R2 в виде делителя напряжения. Напряжение, формируемое на R2, будет базовым, поскольку оно смещает в прямом направлении переход база-эмиттер. Здесь I2 = 10Ib.

Это сделано для того, чтобы не учитывать ток делителя напряжения, и значение бета изменяется.

Ib = Vcc R2 / R1 + R2 Ve = Ie Re Vb = I2 R2 = Vbe + Ve

Ic сопротивляется изменениям как бета, так и Vbe, что приводит к коэффициенту стабильности 1. При этом Ic увеличивается с увеличением температуры, т.е. увеличивается с увеличением напряжения эмиттера Ve, что снижает базовое напряжение Vbe. Это приводит к уменьшению базового тока ib и ic до его фактических значений.

Применение транзисторов

Транзисторы для большинства деталей используются в электронике, такой как усилители напряжения и мощности.
Используется в качестве переключателей во многих схемах.
Используется при создании цифровых логических схем, например, И, НЕ и т. Д.
Транзисторы вставлены во все, т. Е. От печки до компьютеров.
Используется в микропроцессоре как микросхема, в которую интегрированы миллиарды транзисторов.
Раньше они использовались в радиоприемниках, телефонном оборудовании, слуховых головках и т. Д.
Также они раньше использовались в электронных лампах больших размеров.
Они также используются в микрофонах для преобразования звуковых сигналов в электрические.