Что такое транзистор и его история
Транзистор — это фундаментальный полупроводниковый прибор, название которого образовано от английских слов «transfer» (переносить) и «resistor» (сопротивление). Его основное назначение — усиление, генерация и преобразование электрических сигналов самых разных частот. Это изобретение, совершившее революцию в электронике, было создано в 1948 году группой американских физиков: Уильямом Шокли, Уолтером Браттейном и Джоном Бардином.
Устройство и типы биполярных транзисторов
Самый распространённый тип — биполярный транзистор. Он представляет собой крошечную пластинку из полупроводникового материала, такого как германий или кремний, размером всего около 2x2 мм. В этой пластинке искусственно созданы две области с другим типом электропроводности. Таким образом формируются два p-n перехода, аналогичных тем, что есть в полупроводниковом диоде.
В зависимости от порядка слоёв различают два типа структур:
- p-n-p: основная пластинка (база) имеет проводимость n-типа, а созданные в ней области — p-типа.
- n-p-n: база обладает p-проводимостью, а области — n-проводимостью.
Три вывода транзистора имеют свои названия и функции: пластинка-основа — это база (Б), область меньшего объёма — эмиттер (Э), а область большего объёма — коллектор (К). Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным, а между коллектором и базой — коллекторным. На принципиальных схемах транзисторы разных структур отличаются направлением стрелки на эмиттере, которая также указывает условное направление тока через прибор.
Принцип работы в усилителе
Чтобы понять, как работает транзистор, рассмотрим простейший усилитель звуковой частоты, собранный по схеме с общим эмиттером. В этой конфигурации эмиттер является общей точкой для входной и выходной цепей, что обеспечивает наибольший коэффициент усиления.
Для работы транзистору необходимо питание от батареи (например, на 4.5–9 В). Крайне важно подать на базу относительно эмиттера небольшое начальное напряжение смещения (около 0.1–0.2 В для германиевых и 0.6–0.7 В для кремниевых транзисторов). Это напряжение открывает транзистор и переводит его в рабочий режим, без него сигнал будет сильно искажаться. Напряжение смещения задаётся с помощью подстроечного резистора.
Слабый входной сигнал (например, от звукоснимателя проигрывателя или детекторного радиоприёмника) подаётся на базу. Транзистор усиливает этот сигнал, и уже усиленный ток протекает через коллекторную цепь, где нагрузкой служат телефоны или динамик, преобразующие электрические колебания обратно в звук.
Аналогичным образом строится и усилитель радиочастоты, только в нём используется высокочастотный транзистор, а в качестве нагрузки применяются специальные высокочастотные элементы: резисторы, трансформаторы или колебательные контуры. Важно помнить, что для транзистора структуры n-p-n полярность подключения источника питания должна быть обратной.
Другие виды транзисторов
Помимо биполярных, где в работе участвуют и электроны, и «дырки», существуют униполярные (полевые) транзисторы. В них ток создаётся носителями только одного знака, а управление потоком осуществляется не током, а электрическим полем, создаваемым входным напряжением. Это обеспечивает высокое входное сопротивление.
К обширному семейству транзисторных приборов также относятся фототранзисторы (управляемые светом), двухбазовые диоды (однопереходные транзисторы) и другие полупроводниковые устройства.
Транзисторы в современной микроэлектронике
Венец развития транзисторных технологий — микроэлектроника. Сегодня на одном крошечном кристалле полупроводника изготавливаются не единицы, а миллионы и даже миллиарды транзисторов, которые соединяются в сложные цепи, образуя интегральные микросхемы. Именно это лежит в основе работы всех современных компьютеров, смартфонов и цифровых устройств.