Однопереходные транзисторы - уникальные полупроводниковые приборы, которые широко использовались в электронике в прошлом и актуальны по сей день. В этой статье мы разберем принцип работы, особенности и применение однопереходных транзисторов, а также заодно рассмотрим схемы с их использованием.
История создания однопереходных транзисторов
Первые упоминания об однопереходных транзисторах появились в работах Уильяма Шокли, Джона Пирсона и Гордона Хайнса в 1950 годах. Изначально такие структуры называли "диодами с двойной базой" или "нитевидными транзисторами". Первые образцы имели объемную конструкцию на основе германия.
С развитием технологий производства полупроводников конструкция однопереходных транзисторов совершенствовалась - появились планарные диффузионные, а затем и эпитаксиально-планарные варианты. Соответственно менялось и название компонента, пока не закрепилось современное название "однопереходный транзистор".
Конструкция и принцип работы
Конструктивно однопереходный транзистор состоит из полупроводникового кристалла, выполняющего роль базы, с двумя омическими контактами по краям - Б1 и Б2. Между контактами баз создан p-n переход к области эмиттера. Таким образом, однопереходный транзистор имеет всего один p-n переход, отсюда и название.
Принцип работы основан на изменении сопротивления базы при инжекции неосновных носителей заряда через эмиттерный переход. Эквивалентная схема включает эмиттерный диод и два сопротивления между базами и эмиттером. Ток через верхнее сопротивление создает падение напряжения, смещающее диод в закрытое состояние. При подаче напряжения выше порога диод открывается, сопротивление падает, что приводит к лавинному увеличению тока.
Вольт-амперная характеристика
На вольт-амперной характеристике однопереходного транзистора присутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это связано с тем, что с повышением тока через p-n переход сопротивление базы падает быстрее.
При изменении напряжения смещения вольт-амперная характеристика сдвигается по оси напряжений. При полном снятии смещения характеристика становится аналогичной прямой ветви диода.
Основными параметрами ОПТ являются напряжение и ток включения, при превышении которых транзистор переходит в открытое состояние, а также напряжение и ток выключения, соответствующие закрытому состоянию.
Основные области применения
Однопереходные транзисторы нашли широкое применение в различных устройствах:
- Генераторы - релаксационные, на автогенерации, управляемые напряжением
- Делители и умножители частоты
- Реле времени
- Аналоговые преобразователи физических величин в частоту
Благодаря простой конструкции из одного p-n перехода, однопереходные транзисторы обладают высокой надежностью и долговечностью. Основной функцией является переключение, поэтому ОПТ часто используются в импульсных и цифровых схемах.
Преимущества и недостатки
К достоинствам однопереходных транзисторов можно отнести:
- Простота конструкции и надежность
- Высокая экономичность
- Возможность работы на высоких частотах
К недостаткам относятся:
- Большой объем базы, что снижает быстродействие
- Низкий коэффициент усиления по току
- Высокий уровень шумов
Тем не менее, для решения многих задач однопереходные транзисторы оказываются оптимальным решением благодаря простоте и экономичности.
Замена однопереходного транзистора
Однопереходный транзистор можно заменить схемой из двух биполярных транзисторов с разным типом проводимости, включенных последовательно. На рисунке показана такая замена:
Такая замена позволяет использовать более доступные компоненты, но приводит к усложнению схемы и снижению надежности. Кроме того, при этом теряются некоторые уникальные свойства ОПТ.
Релаксационный генератор на ОПТ
Одним из распространенных применений ОПТ являются релаксационные генераторы прямоугольных импульсов. На рисунке показана типовая схема такого генератора:
При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1. Как только напряжение на конденсаторе достигает порога включения ОПТ, его p-n переход открывается, и конденсатор быстро разряжается. Затем процесс повторяется, формируя последовательность импульсов на нагрузке R2.
Частота генерации рассчитывается по формуле:
f = 1 / (R1C1ln(Упит/Увкл))
Главным достоинством такого генератора является слабая зависимость частоты от напряжения питания - порядка 0,5% в диапазоне 10-20 В.
Генератор пилообразного напряжения на ОПТ
Еще одно распространенное применение ОПТ - генераторы напряжения пилообразной или ступенчатой формы. Принцип действия основан на постепенном заряде конденсатора до порога включения ОПТ, после чего конденсатор разряжается.
Такие генераторы используются, например, в схемах делителей частоты. Каждый каскад делителя формирует ступеньку напряжения, амплитуда которой пропорциональна входной частоте.
Аналоговый преобразователь напряжения в частоту
Еще одно интересное применение ОПТ - аналогово-частотное преобразование. В такой схеме однопереходный транзистор используется в релаксационном генераторе, а управление осуществляется изменением сопротивления транзистора в его зарядной цепи.
Частота генерации ОПТ в такой схеме прямо пропорциональна входному напряжению. Таким образом можно реализовать преобразование, например, уровня освещенности в частоту для дальнейшей обработки сигнала.
Сравнение напряжений на ОПТ
Однопереходный транзистор можно использовать для сравнения двух напряжений. Схема генератора на ОПТ при этом разделяется на две части: эталонное напряжение подается на базы, а входное - в цепь заряда конденсатора.
Как только входное напряжение превысит эталон, ОПТ откроется и начнется генерация импульсов. Так реализуется функция компаратора.
Реле времени на однопереходном транзисторе
Однопереходные транзисторы часто применяются для построения экономичных реле времени. На рисунке показан пример такой схемы:
При подаче запускающего импульса открывается тиристор и замыкаются контакты реле. Одновременно два конденсатора C1 и C2 начинают заряжаться через резисторы R1 и R2. Благодаря разнице величин сопротивлений C2 зарядится быстрее. Как только напряжение на C1 достигнет порога включения ОПТ, последний откроется, вызвав разряд C1. В результате тиристор закроется и разомкнет контакты реле.
Таким образом реализуется задержка срабатывания, пропорциональная значениям R1, R2, C1 и C2. После срабатывания схема потребляет пренебрежимо мало энергии.
Генератор с регулируемой скважностью на ОПТ
Еще один вариант применения однопереходного транзистора - генератор прямоугольных импульсов с регулируемой скважностью. Для этого в схеме релаксационного генератора изменяют порог включения ОПТ с помощью делителя напряжения на его базах.
Такие генераторы применяются в ШИМ-регуляторах, где необходимо плавно регулировать мощность, подаваемую на нагрузку, за счет изменения скважности управляющих импульсов.
Мультивибратор на основе ОПТ
Однопереходный транзистор может быть использован в мультивибраторах - устройствах, генерирующих короткие импульсы при поступлении внешнего сигнала запуска.
Принцип работы основан на том, что запускающий импульс приводит к кратковременному открытию ОПТ и формированию выходного сигнала. После этого мультивибратор возвращается в исходное состояние.
Матрица на основе ОПТ
Интересной разработкой является матрица однопереходных транзисторов, которая может выполнять функции программируемой логики. В такой матрице транзисторы объединены в ячейки, а их параметры задаются внешними сигналами.
Это позволяет создавать конфигурируемые вычислительные устройства, которые могут быстро перестраиваться под решение разных задач. Такие матрицы перспективны для нейросетей и искусственного интеллекта.
Аналог однопереходного транзистора на биполярных транзисторах
Как уже упоминалось, функциональным аналогом однопереходного транзистора может служить схема из двух биполярных транзисторов с разным типом проводимости, соединенных последовательно.
Несмотря на большее количество элементов, такая схема сохраняет основные свойства ОПТ - наличие отрицательного сопротивления и режим самовозбуждения. В ряде случаев это может быть предпочтительным решением из-за лучшей доступности биполярных транзисторов.
Программируемый однопереходный транзистор
Развитием идеи однопереходного транзистора является программируемый ОПТ. В таком устройстве параметры транзистора - напряжения и токи включения/выключения, крутизна характеристики и др. могут изменяться внешними сигналами.
Это позволяет создавать универсальные переключающие схемы, которые программно настраиваются под конкретные задачи. Программируемые ОПТ перспективны для применения в цифровых устройствах, нейроморфных системах и других областях.
Применение ОПТ в импульсных источниках питания
Благодаря высокой надежности и простоте схем однопереходные транзисторы часто применяются в импульсных источниках питания. ОПТ используется в генераторах прямоугольных импульсов, управляющих работой силовых ключей.
Преимуществами ОПТ здесь являются стабильность параметров при изменении температуры и напряжения питания, высокая надежность, простота схемы генератора.
Применение ОПТ в схемах защиты и блокировки
Еще одной распространенной областью использования однопереходных транзисторов являются схемы защиты и блокировки различных устройств.
Например, ОПТ может быть использован в цепи блокировки питания усилителя до включения вентилятора охлаждения. Или применяться для защиты от перегрева в силовых цепях.
ОПТ в схемах задержки включения
Однопереходные транзисторы удобно использовать в схемах задержки включения различных устройств. Это позволяет корректно запускать сложные системы, в которых требуется определенная последовательность включения отдельных блоков.
Схема на ОПТ обеспечивает надежную задержку запуска исполнительных устройств относительно момента подачи питания.
Применение ОПТ в цепях совместимости
Однопереходные транзисторы могут использоваться в цепях совместимости, например, при сопряжении устройств с разными уровнями сигналов. ОПТ выступает в роли порогового элемента, преобразующего логические сигналы одного уровня в другой.
Это позволяет упростить сопряжение разнородных устройств, например, при подключении старого периферийного оборудования к современным компьютерам.
Применение ОПТ в измерительной технике
Благодаря стабильности параметров однопереходные транзисторы применяются в различных измерительных схемах.
Например, ОПТ может служить элементом порогового детектора, компаратора, преобразователя физических величин в частоту и других измерительных устройств, где требуется высокая точность и стабильность.
