Транзистор (transistor, англ.) — полупроводниковый прибор с тремя выводами, который может управлять значительным током на выходе цепи при относительно слабом входном сигнале. Из радиодеталей, из которых собирают современные сложные устройства, применяют полевые транзисторы. Их свойства позволяют решать задачи по выключению или включению тока в электрической цепи печатной платы, а также по его усилению.
Что такое полевой транзистор
Полевой транзистор — это устройство с тремя или четырьмя выводами, в котором ток на двух выводах регулируется напряжением электрического поля на третьем. По этой причине их именуют полевыми.
- исток — контакт входящего тока, находящийся в области n;
- сток — контакт исходящего тока, находящийся в области n;
- затвор — контакт, находящийся в области р; изменяя напряжение на котором, можно регулировать пропускную способность устройства.
Полевой транзистор с p–n переходом — особый вид транзисторов, которые предназначены для управления током.
Он отличается от обычного тем, что ток в нем протекает, не пересекая границы p–n перехода. Размер области p–n контролируется.
Полевые транзисторы, их виды
Полевые транзисторы с p–n переходом разделяются на классы:
- По типу канала проводника: n-канал или p-канал. От типа канала зависит знак, полярность управляющего сигнала. Он должен быть противоположен по знаку n-зоне.
- По конструкции прибора: диффузные, сплавные по p–n переходу, с затвором Шоттки, тонкопленочные.
- По числу контактов: 3- и 4-выводные. В случае 4-выводного прибора подложка также выполняет роль затвора.
- По применяемым материалам: германий, кремний, арсенид галлия.
Классы делятся по принципу работы:
- устройства под управлением p–n перехода;
- устройства с изолированным затвором или с барьером Шоттки.
Полевой транзистор, принцип работы
Проще говоря, как работает полевой транзистор с управляющим p–n переходом, можно описать так: радиодеталь состоит из двух зон — p-перехода и n-перехода. По зоне p протекает электрический ток. Зона n выступает своего рода запирающим элементом. При сильном воздействии на нее она перекрывает путь тока, и его поток уменьшается. Либо, если воздействие снизить — проходит сильнее. Такое управление достигается увеличением напряжения на затворе, находящемся в зоне p.
Прибор с управляющим p–n канальным переходом — это полупроводниковая пластина с электропроводностью одного типа. К торцам пластины подсоединены сток и исток, в середине — затвор. Действие устройства основано на изменяемости толщины пространства p–n перехода. В запирающей области почти нет подвижных носителей заряда, ее проводимость близка к нулю. В полупроводниковой пластине, в области не под воздействием запирающего слоя, создается проводящий канал. При подаче отрицательного напряжения относительно истока на затвор создается поток носителей заряда, по которому истекают заряды.
В случае изолированного затвора на нем расположен тонкий диэлектрический слой. Этот тип устройства работает за счет электрического поля. Чтобы повредить его, достаточно небольшого напряжения. Поэтому для защиты от статического заряда, который может достигать тысяч вольт, применяют специальные корпусные решения приборов — они снижают воздействие такого электрического заряда.
Зачем нужен полевой транзистор
Рассматривая работу сложной электронной техники как совокупность полевых транзисторов в составе интегральной схемы, можно выделить пять основных направлений их применения:
- усиление на высоких частотах;
- усиление на низких частотах;
- модуляция;
- усиление постоянного тока;
- ключевые элементы (выключатели).
Упрощенно работу транзистора в роли выключателя можно сравнить с микрофоном и лампочкой: микрофон улавливает звук, и этим порождает электрический ток. Этот ток поступает на запертый полевой транзистор. Его присутствие позволяет включить цепь, в которую включена лампочка. Лампочка загорается за счет источника питания, который не связан напрямую с микрофоном, но имеет большую мощность.
Модуляция применяется для передачи информационного сигнала. Управляющий сигнал изменяет частотный состав колебаний. Модуляция нужна для качественной передачи звукового ряда по радио, для передачи звука на телевидении, передачи цветности и видеосигнала высокого качества. Она применяется там, где требуется работа с качественным сигналом.
Как усилитель полевой транзистор работает примерно так: любой сигнал, например звуковой ряд, можно представить графически как ломаную линию, где горизонтальная ось — время, а вертикальная — амплитуда. Чтобы усилить звук, на прибор подают мощное напряжение, которое формирует нужные частоты, но с большими номинальными значениями за счет слабого управляющего сигнала. Проще говоря, устройство пропорционально воспроизводит исходную форму линии, но с большими пиковыми значениями.
Применение полевых транзисторов
Первым изделием, которое реализовало полевой транзистор с управляющим p–n переходом и вышло в продажу, стал слуховой аппарат. Его появление зафиксировано в пятидесятых годах минувшего века. В промышленности такие приборы широко применяли на телефонных станциях.
В современной реальности полевые транзисторы находят применение во всех областях электротехники. Благодаря микророзмерам и разнообразию характеристик они встречаются в бытовой технике, аудио- и телевизионной аппаратуре, компьютерах и электронных игрушках. Их применяют в системах охранной и пожарной сигнализации.
На производственных предприятиях транзисторное оборудование применяют для регуляции мощности станков. В транспорте — от приводов на поездах и локомативах до систем впрыска топлива в легковых и коммерческих автомобилях. В жилищно-коммунальном хозяйстве — в диспетчеризации и системах управления уличным освещением.
Одной из важнейших областей применения транзисторов является производство процессоров. По сути процессор состоит из множества миниатюрных радиодеталей. При переходе на частоты выше примерно 1,5 ГГц энергопотребление возрастает лавинообразно, поэтому производители прибегли к многоядерности, а не к росту тактовой частоты.
Плюсы и минусы полевых транзисторов
Полевые транзисторы своими характеристиками значительно опередили другие типы устройств. Широкое применение они нашли в интегральных схемах в роли выключателей.
- малоэнергетические каскады и цепи;
- усиление выше, чем у других типов;
- высокая помехоустойчивость за счет отсутствия тока в затворе;
- более быстрая скорость включения и выключения — они работают на частотах, недоступных другим транзисторам.
- ниже термическая устойчивость, чем у иных видов;
- при частотах около 1,5 ГГц энергопотребление начинает резко расти;
- повышенная чувствительность к статическому электричеству.
Характеристики полупроводниковых материалов, положенные в основу полевых транзисторов, позволили внедрять устройства в бытовую и промышленную сферу. На их базе создана бытовая техника в привычном для человека виде. Обработка качественных сигналов и производство процессоров и других высокоточных элементов невозможны без достижений современной науки.
