Транзисторы относятся к многополюсным электронным приборам и предназначены, в первую очередь, для усиления электрических сигналов. Название транзистор (transistor) произошло от сокращенного названия transfer resistor − управляемый резистор, и в простейшем случае его можно представить в виде переменного резистора, управляемого внешним напряжением (рис. 1, а).
Классификация транзисторов
По принципу действия транзисторы подразделяются на два основных класса: биполярные и полевые (униполярные). В биполярных транзисторах физические процессы определяются движением носителей заряда обоих знаков — основных и неосновных, что отражено в их названии. В полевых (униполярных) транзисторах, рассматриваемых в следующей главе, используется движение носителей одного знака (основных носителей).
История изобретения
Первый биполярный транзистор был изобретен американскими учеными У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином.
В том же году У. Шокли была разработана теория биполярного транзистора и предложена конструкция полевого транзистора.
В СССР первые транзисторы были разработаны под руководством Л. В. Красилова. Это был точечный транзистор, полностью аналогичный по принципу действия изобретению Бардина и Браттейна. Лев Владимирович Красилов был кандидатом технических наук и работал в НИИ-160 (позже Фрязинский научно-исследовательский институт, а сейчас ОАО "НПП "Исток""). Этот институт был одним из ведущих центров по разработке электронных компонентов
Плоскостной (биполярный) транзистор — первый практичный и массовый транзистор
В СССР под руководством В. М. Тучкевича был разработан плоскостной транзистор, который стал основой для массового производства. Серийный выпуск транзисторов в СССР начался в середине 1950-х годов. Они стали использоваться в военной технике, радиоприемниках ("Москва", "Спидола") и другой портативной аппаратуре.
Плантарный транзистор — улучшенная технология производства от Fairchild
Кремниевый МОП-транзистор (MOSFET) — самый распространенный тип транзистора сегодня, который потребляет очень мало энергии и является фундаментальным "кирпичиком" для современных микропроцессоров и чипов памяти
Современные характеристики транзисторов
Современные транзисторы характеризуются высокими технико-экономическими показателями:
- Малые масса и габариты
- Высокая надежность
- Низкая стоимость
- Малая мощность потребления
Обобщенная структура электронного прибора
Обобщенная структура электронного прибора, предназначенного для усиления сигналов, представлена на рис. 1, б. Она состоит из источника свободных носителей заряда, приемника свободных носителей заряда, канала и управляющей системы.
Источник свободных носителей заряда (ИСНЗ)
Предназначен для образования свободных носителей заряда (СНЗ). В электронных приборах СНЗ образуются на границе двух сред (металл — вакуум, p-n-переход и т. д.).
В конкретных электронных приборах ИСНЗ является катод, эмиттер, исток.
Свободные носители заряда
В качестве свободных носителей заряда могут выступать отрицательно заряженные частицы (электроны) или положительно заряженные частицы (дырки).
В соответствии с этим различают электронные приборы с n-каналом и p-каналом.
Приемник свободных носителей заряда (ПСНЗ)
Предназначен для создания направленного движения и приема СНЗ. Для создания такого потока в электронных приборах с n-каналом на приемник надо подавать \(U_{пи} > 0\), а с p-каналом — \(U_{пи} < 0\).
В конкретных электронных приборах приемником является анод, коллектор, сток.
Канал
Это пространство между источником и приемником, по которому перемещаются свободные носители заряда.
Управляющая система
Предназначена для управления потоком СНЗ. Изменяя напряжение или ток управляющего полюса, можно изменять в широких пределах ток приемника (диаметр потока СНЗ, плотность потока СНЗ или пространственное положение потока СНЗ).
В конкретных электронных приборах управляющей системой является сетка, база, затвор.
Принцип усиления сигналов
Главная особенность управляющей системы многополюсных электронных приборов заключается в том, что конструктивно она выполняется так, что небольшие изменения тока или напряжения на управляющем полюсе приводят к значительному изменению тока приемника, т. е.
За счет этого многополюсные электронные приборы позволяют усиливать электрические сигналы. Действительно, мощность, расходуемая в управляющей системе, будет определяться выражением
А мощность, выделяемая в цепи приемника, на нагрузочном элементе будет определяться выражением
При выполнении условия (1.3) следует, что \(P_{вх} < P_{вых}\).
Эволюция ключевых параметров транзисторов
Типы транзисторов и их применение
| Тип транзистора | Принцип работы | Основное применение |
|---|---|---|
| Биполярный | Движение носителей обоих знаков | Усилители, генераторы |
| Полевой (униполярный) | Движение носителей одного знака | Высокочастотные схемы, ключи |
