Транзисторы: принцип работы и применение

Транзистор — это полупроводниковый прибор, который используется для усиления или переключения электронных сигналов. Он является одним из основных компонентов в большинстве цифровых и аналоговых схем в компьютерах, мобильных телефонах и других электронных устройствах. Изобретение транзистора стало отправной точкой в развитии электроники, обеспечив ее миниатюризацию и многофункциональность.

История создания транзисторов

История создания транзистора начинается в первой половине 20-го века, когда ведущие инженеры и учёные искали возможности для создания более совершенных и уменьшенных устройств для управления электрическим током, которые могли бы заменить громоздкие и ненадежные электронные лампы.

Первый успешно работающий транзистор был создан 23 декабря 1947 года учёными Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттейном в исследовательских лабораториях Bell Telephone Laboratories. Это был точечный контактный транзистор, который использовал две металлические иглы, прижимаемые к кристаллу германия. Он доказал способность усиливать и переключать электрические сигналы и открыл эпоху полупроводниковой электроники.

В 1951 году был разработан биполярный переходной транзистор, который оказался намного более надежным и удобным для серийного производства по сравнению с точечным контактным транзистором. В них использовалась технология переходов между полупроводниками разного типа (p-n переход), что позволяет более эффективно управлять потоком тока.

С тех пор транзисторы постоянно улучшались, и инженеры находили всё новые способы увеличения их производительности и уменьшения размеров. В 1959 году Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor независимо друг от друга разработали первые интегральные схемы, что стало возможным благодаря транзисторам и полупроводниковой технологии. Это привело к миниатюризации и революции в производстве электроники, делая возможным создание микропроцессоров и компьютеров.

Устройство и принцип работы транзистора

Транзистор — это прибор, который управляет электрическим током с помощью электрического сигнала через полупроводниковый материал.  В электронике он используется в качестве усилителя, переключателя или регулятора напряжения.

По своему принципу работы транзисторы бывают двух основных типов:

• Биполярные. Состоят из трёх слоёв полупроводника с чередующимися типами проводимости: n-p-n или p-n-p. Эти слои образуют три области – эмиттер, испускающий носители заряда (электроны или дырки), узкой базы, контролирующей их движение и коллектора, собирающего носители. В биполярном транзисторе ток малого уровня, вводимый в базу, управляет большим током между эмиттером и коллектором. Когда небольшое количество тока проходит через базу, это позволяет большему току течь от эмиттера к коллектору. Транзистор работает в активном режиме, когда база-эмиттерный переход смещён в прямом направлении, а коллектор-база — в обратном.
• Полевые. Их конструкция также состоит из трех элементов – затвора, управляющего открытием и закрытием канала, источника носителей заряда и стока, через который они выходят. На затвор подаётся напряжение, которое создаёт электрическое поле. Оно изменяет проводимость канала между истоком и стоком, позволяя контролировать ток. Такие транзисторы могут иметь обогащенный или обедненный канал. В обогащённом типе ток течёт только при наличии напряжения на затворе, а в обеднённом — канал существует всегда, и ток может быть уменьшен приложением напряжения.

Основные виды транзисторов

В зависимости от конструкции и способа размещения транзисторы бывают:

• Планарные. Производятся на поверхности полупроводниковой пластины. Обеспечивают высокую плотность упаковки, что делает их идеальными для интегральных схем. Применяются в современных микроэлектронных устройствах.
• Интегральные. Размещаются внутри интегральных схем как часть чипа. Позволяют минимизировать размеры устройства и улучшить производительность. Повсеместно используются в компьютерной технике и мобильных устройствах.

По материалу изготовления транзисторы подразделяются на:

• Кремниевые. Наиболее распространённые благодаря нагрузочной способности и стабильности. Обладают хорошей теплопроводностью и сравнительно низкой стоимостью производства. Применяются во множестве электронных устройств от бытовых до промышленных.
• Германиевые. Первые созданные транзисторы, но отличающиеся невысокой тепловой стабильностью. Обладают лучшей подвижностью носителей, чем кремниевые, что может быть полезно в определённых приложениях. Сейчас редко используются, кроме специализированных приложений, например, в некоторых радиочастотных устройствах.
• Арсенид-галлиевые. Превосходят кремниевые по способности работать на высоких частотах. Из-за высокой подвижности носителей заряда используются в высокочастотной электронике, включая спутниковую связь и радиолокацию. Более дорогие в производстве, чем кремниевые транзисторы.

В зависимости от мощности транзисторы бывают:

• Маломощные. Рассчитаны на работу с малыми токами и напряжениями. Идеальны для использования в небольших электронных устройствах. Отличаются низким энергопотреблением и компактностью.
• Средней мощности. Умеют обращаться с большим диапазоном токов и напряжений. Применяются в усилителях средней мощности и управлении двигателями. Обладают сбалансированными характеристиками между маломощными и мощными транзисторами.
• Мощные. Разработаны для управления высокими токами и напряжениями. Применяются в промышленной электронике, включая источники питания и силовые устройства. Требуют эффективного охлаждения для предотвращения перегрева.

Применение транзисторов в электронике

В электронных устройствах транзисторы выполняют следующие основные функции:

• Усиление сигнала.Транзисторы могут усиливать слабые электрические сигналы – например, в аудио- и видеотехнике, в радиоприемниках и телевизорах. В биполярных транзисторах это достигается за счёт использования небольшого входного тока на базе для управления значительно большим током, проходящим через эмиттер и коллектор, а в полевых – изменением напряжения на затворе.
• Переключение. Благодаря своей способности быстро открываться и закрываться (проводить и блокировать ток), транзисторы используются в качестве переключателей. Это ключевая функция в цифровой электронике и микропроцессорных технологиях, где они управляют двоичными состояниями (0 и 1) и используются для проведения вычислений и хранения данных.
• Модуляция сигнала.Транзисторы также способны изменять физические характеристики сигнала, такие как напряжение, мощность, амплитуда, частота и т. д. Благодаря этому они используются в сетевых стабилизаторах и выпрямителях, источниках питания, силовых узлах (например, электрических двигателях), а также в системах передачи данных.

В каталоге компании «СМТ Технологии» представлены оборудование, комплексные решения, комплектующие и расходные материалы для производства современной электроники. Мы предлагаем профессиональную помощь квалифицированных специалистов по выбору производственной техники, а также ее внедрению на предприятии, обслуживанию и ремонту. Для получения подробной информации или оформления заказа звоните по телефонам, указанным в «Контактах».