Транзистор: описание электронного компонента

Если давать широкое определение транзистору, можно уверенно назвать его главным элементом электроники. В настоящее время множество транзисторов занимают положенное место в различных микросхемах. В процессорах компьютеров счет им идет на миллионы. Но, несмотря на потребность в миниатюризации электронных схем, транзистор в единичном исполнении продолжает использоваться во множестве схемотехнических решений.

Некоторые важнейшие параметры, например, такие, как малый уровень шумов или значительная выходная мощность, наилучшим образом достигаются сочетанием микросхем с отдельными транзисторами. С ними связано так много разнообразных данных, что в одной статье невозможно охватить их все. Правильнее говорить о десятках, а то и сотнях книг о транзисторах. Поэтому в этой статье будет изложена лишь небольшая базовая часть информации об этих полупроводниковых приборах.

Устройство и принцип работы

Наверняка большинство наших читателей знает, что такое переменный резистор. Один из вариантов этого устройства, выполненного на основе проволоки из нихрома или аналогичного по свойствам сплава, и используемого в лабораторных работах по физике, называется реостатом. Перемещением ползунка достигается изменение величины сопротивления. В транзисторе происходит аналогичный процесс, но не от механического воздействия, а от управляющего сигнала. Как и в переменном резисторе, в транзисторе имеется три точки и соответствующие им контактные выводы для присоединения к электрической схеме.

Эти три ножки в корпусе соединены каждая с определенной зоной полупроводникового кристалла. Его материалом сегодня обычно выбирается кремний. Но также существуют кристаллы из других веществ, например, из германия. Выбор вещества обусловлен различными критериями. Кремний дешевле и более термостоек. Оттого и популярен. Упомянутые выше зоны именуются переходами. Они создаются добавлением в полупроводник иных веществ. В результате его сопротивление может изменяться под воздействием электрических параметров на контактные выводы.

Биполярные транзисторы

Переходы обозначаются буквами p-n в соответствии с теорией электронно-дырочной проводимости. Если к двум выводам транзистора присоединить источник сигнала, сопротивление между его третьим выводом и одним из упомянутых двух изменится. Транзистор, потребляющий от источника сигнала ток, именуется биполярным. Его контактные выводы называются эмиттер, база и коллектор. В зависимости от комбинации переходов биполярные транзисторы могут быть n-p-n и p-n-p.

Однако управляющий сигнал в любом биполярном транзисторе приложен к эмиттеру и базе. Именно в таком варианте диапазон изменения сопротивления между коллектором и эмиттером получается самым существенным для практического использования – получения выходного сигнала. То есть напряжения на резисторе-нагрузке, который одним своим выводом присоединен к транзистору (либо к коллектору, либо к эмиттеру), а другим – к полюсу источника питания.  

Электропитание всегда соответствует своим знаком комбинации переходов биполярного транзистора, + подается на коллектор n-p-n и эмиттер p-n-p транзистора. Таким образом, воздействие маломощным управляющим сигналом в электрической цепи базы и эмиттера обеспечивает появление более мощного выходного сигнала в цепи коллектора и эмиттера. То есть происходит усиление сигнала. Выходной сигнал повторяет по длительности входной сигнал, но имеет иные, более высокие значения силы тока и напряжения (в зависимости от связи нагрузочного резистора с коллектором или эмиттером). 

• Входной и коллекторный выходной сигналы противофазные, а в сравнении с эмиттером – синфазные.

Биполярные транзисторы специализированы. В электронике существуют прикладные задачи, соответственно которым выпускаются те или иные модели этих транзисторов. Например, для усиления слабых сигналов применяются маломощные, малошумящие модели. Они, в свою очередь, делятся по частотному диапазону. Для усиления мощности существует отдельная группа этих полупроводниковых приборов. Однако и в ней существует разделение на более или менее высоковольтные и высокочастотные транзисторы.

Полевые транзисторы

Но все они объединены способом управления по току. А иному управлению, то есть по напряжению, соответствует класс полупроводниковых приборов, называемых полевыми транзисторами. Внешне они такие же, как и биполярные, но работают совершенно по-иному. Наименование их выводов – исток, затвор и сток. По отношению к входному и выходному сигналам затвор – это аналог базы, исток – эмиттера, сток – коллектора. Но разнообразие полевых транзисторов на элементарном уровне выше, чем у биполярных:

Конструкция и рекомендации по выбору

Число выводов у некоторых моделей транзисторов может быть отличным от трех. Это касается и биполярных, и полевых разновидностей. Но главный фактор, который определяет конструкцию корпуса любого транзистора, – это охлаждение. Оно обеспечивается радиаторами, к которым контактирующая часть корпуса должна прилегать максимально эффективно. Для этого применяются специальные пасты, которые заполняют неровности между транзистором и радиатором.

Корпус транзисторов малой мощности (до 100 мВт) может быть либо металлическим, либо пластиковым. При больших величинах мощности всегда хотя бы частично применяется металл для контакта с теплоотводом. Для всех разновидностей этих полупроводниковых приборов применяются такие схемы присоединения, в которых использовано слово «общий»:

а) эмиттер, исток;

б) коллектор, сток;

в) база, затвор.

При выборе транзистора необходимо обязательно сопоставить его параметры с условиями работы электронной схемы и решаемыми задачами. Температурный режим вместе с максимальными величинами тока и напряжения обуславливают ресурс этого полупроводникового прибора. Нарушение любого из перечисленных параметров приводит к необратимой порче транзистора. Но при оптимальном режиме работы его ресурс измеряется десятками лет.