Как работает транзистор: внутреннее устройство и принцип действия

Транзистор - удивительное изобретение, позволившее совершить настоящий технологический прорыв. Без этого небольшого электронного компонента невозможно представить современную электронику. Давайте разберемся, как устроен транзистор изнутри и как он управляет электрическим током.

История создания транзистора

Первые эксперименты с полупроводниками, которые в будущем легли в основу транзисторов, начали проводить еще в начале XX века такие ученые как Гуди, Лилиенфельд и другие. Однако практического применения их открытия долгое время не находили.

Перелом произошел в 1947 году, когда сотрудники Bell Labs Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели первый точечный транзистор. Это открытие получило широкий резонанс и обозначило начало новой эры в развитии электроники.

Транзисторы пришли на смену электронным лампам, позволив создавать более компактную и эффективную аппаратуру.

Виды и типы транзисторов

Существуют два основных вида транзисторов:

• Биполярные транзисторы
• Полевые транзисторы

Они отличаются принципом действия и особенностями конструкции.

Кроме того, биполярные транзисторы делятся на типы по структуре p-n переходов внутри полупроводникового кристалла:

1. Структура n-p-n
2. Структура p-n-p

У этих двух типов различается полярность включения и некоторые электрические параметры.

Внутреннее строение транзистора

Внутри транзистора находится полупроводниковый кристалл с тремя выводами - эмиттером, базой и коллектором:

Изготавливают транзисторы из различных полупроводниковых материалов: кремния, германия, арсенида галлия и др. Современные технологии позволяют производить чрезвычайно миниатюрные транзисторы для микросхем.

Принцип работы транзистора

Работа транзистора основана на явлениях, происходящих на границе между двумя полупроводниковыми областями с разным типом проводимости - так называемом p-n переходе.

Концентрация носителей заряда в таком переходе изменяется под действием электрического поля. Это позволяет управлять величиной тока между эмиттером и коллектором с помощью напряжения, подаваемого на базу транзистора.

Таким образом, небольшой управляющий сигнал может открывать или закрывать прохождение сильного тока в основной цепи транзистора. Этот принцип используется для усиления сигналов, коммутации и многих других функций в электронике.

Схемы включения транзистора

Существует три основные схемы включения биполярного транзистора:

1. С общей базой
2. С общим эмиттером
3. С общим коллектором

Они имеют разные электрические характеристики усиления и выходного сопротивления. Выбор конкретной схемы зависит от задач и параметров всей электрической цепи, в которую включается транзистор.

Например, включение по схеме с общим эмиттером чаще всего используется в усилителях, а по схеме с общим коллектором - в электронных ключах и формирователях импульсов.

Применение транзисторов

Современная электроника просто немыслима без транзисторов. Вот лишь некоторые области их широкого применения:

• Усилители электрических сигналов
• Генераторы и формирователи импульсов
• Высокочастотные устройства
• Ключи и коммутаторы
• Стабилизаторы напряжения
• DC-DC преобразователи
• И многое другое

Огромные масштабы применения транзисторов обеспечивают интегральные схемы, в которых на крошечном кристалле размером в несколько миллиметров интегрированы миллионы транзисторов.

Интегральные схемы

Появление интегральных схем стало настоящей революцией в развитии электроники. Микросхемы позволили создавать сложные устройства миниатюрных размеров по доступной цене.

Существует огромное количество разновидностей интегральных схем для самых разных применений:

• Микропроцессоры
• Оперативная память
• Усилители и генераторы сигналов
• Аналого-цифровые преобразователи
• И т.д.

Все это стало возможным благодаря массовому производству кремниевых транзисторов по специальной технологии и интеграции их в сложные схемы на одном кристалле.

Тенденции развития транзисторных технологий

Несмотря на достигнутые успехи, развитие транзисторов продолжается. Ученые ведут поиск новых материалов и конструкций для дальнейшей миниатюризации электронных компонентов.

Одним из перспективных направлений считается применение графена и углеродных нанотрубок. Их уникальные физические свойства позволят уменьшить размеры транзисторов до нескольких нанометров.

Выбор транзистора для конкретного применения

При подборе транзистора для использования в электронной схеме необходимо учитывать такие его параметры как:

• Допустимое напряжение
• Допустимый ток
• Частотный диапазон
• Коэффициент усиления
• Температурный режим

Кроме того, транзистор должен быть совместим по параметрам с другими элементами схемы, в которую он включается.

Правила эксплуатации транзисторов

Чтобы транзистор работает надежно и долго, необходимо соблюдать правила его эксплуатации:

1. Не превышать допустимые электрические режимы
2. Применять системы охлаждения и радиаторы
3. Избегать электростатических разрядов
4. Правильно выбирать температурные режимы

При появлении неисправностей транзистор необходимо заменить, чтобы избежать выхода из строя всей схемы.

Диагностика транзисторов

Чтобы понять, работает или нет транзистор, можно воспользоваться простыми способами его диагностики с помощью мультиметра или осциллографа.

Измеряются параметры транзистора в разных режимах для выявления возможных дефектов и отклонений от номинальных значений.

При обнаружении неисправностей транзистор либо восстанавливается, либо безремонтно заменяется на новый.

Ремонт транзисторов

Несмотря на все меры предосторожности, транзисторы могут выходить из строя. В этом случае возможен их ремонт.

Для определения причины неисправности проводят диагностику с помощью измерения статических и динамических параметров транзистора.

Типовые неисправности

• Короткое замыкание выводов
• Обрыв выводов или p-n перехода
• Утечки и пробои p-n переходов
• Изменение статических параметров

Методы ремонта

Для ремонта применяют разные методы в зависимости от типа неисправности:

1. Замена выводов
2. Устранение коротких замыканий
3. Зачистка и восстановление контактных площадок
4. Замена кристалла транзистора

Проверка отремонтированного транзистора

После ремонта обязательно измеряют основные параметры транзистора и сравнивают с паспортными данными.

Затем транзистор тестируют в типовой схеме включения для подтверждения восстановления работоспособности.

Для обеспечения сохранности параметров транзисторов необходимо правильно организовать их хранение и транспортировку.

Условия хранения

• Температура воздуха от +5 до +40 градусов Цельсия
• Влажность воздуха не более 85%
• Отсутствие в воздухе паров кислот, щелочей и других агрессивных примесей
• Хранение в заводской упаковке

Упаковка для транспортировки

Транзисторы транспортируют в таре, которая защищает их от механических воздействий и климатических факторов:

1. Картонные и деревянные ящики
2. Пластиковые контейнеры
3. Пенопластовый наполнитель
4. Воздушно-пузырчатая пленка

Утилизация транзисторов

Отслужившие свой срок транзисторы подлежат специальной утилизации как электронные отходы.

В их состав входят токсичные материалы, представляющие опасность для окружающей среды и здоровья людей.

Поэтому категорически запрещается выбрасывать транзисторы на свалки или сжигать.

3D-транзисторы

Разработка трехмерных транзисторных структур позволит увеличить плотность размещения элементов в микросхемах в сотни раз.

Нейротранзисторы

Цочетание транзисторов с нейроноподобными структурами открывает путь к созданию искусственного интеллекта нового уровня.

Транзисторы за прошедшие десятилетия претерпели колоссальную эволюцию от первых громоздких конструкций до наноразмерных структур в современных микросхемах.

Их значение для технического прогресса человечества трудно переоценить. А дальнейшее развитие транзисторных технологий открывает поистине безграничные перспективы.