В этой статье мы в общих чертах рассмотрим принцип работы транзисторов, их устройство, основные виды, и почему они являются незаменимыми элементами в мире электроники. Понимание работы транзисторов поможет не только инженерам и специалистам в области электроники, но и всем, кто интересуется устройством современного мира и хочет глубже понять, как работают окружающие нас технологии.
Что такое транзистор, и какой функционал он несет
Транзистор – одна из разновидностей электронных компонентов, использующаяся для управления электрическим током, в частности, как:
- усилитель,
- переключатель,
- регулятор напряжения.
На практике же эти три свойства используются гораздо более широко. Например, транзисторы устанавливают для решения следующих задач:
- включения или выключения тока в цепи – в качестве управляемого переключателя;
- усиления слабых электрических сигналов для управления другими компонентами;
- обработки информации в качестве логического элемента при выполнении операций «и», «или», «не» в компьютерной технике;
- для временного (энергозависимого) хранения данных в виде битов,
- модуляции и демодуляции радиосигналов.
Чтобы лучше понять, зачем нужен транзистор на практике, можно привести следующие примеры:
- выполнять вычисления и хранить данные в компьютерной технике,
- усиливать аудиосигнал в аудиоаппаратуре,
- контролировать работу сенсоров, моторов и других компонентов.
То есть, он является достаточно важным элементом электронных и электрических устройств различной сложности – от относительно простой радиоэлектроники до сложной компьютерной и мобильной техники.
Типы
Столь широкое применение обусловлено тем, что за одним названием скрывается два типа компонентов, которые различаются достаточно сильно. Причем как в плане конструкции, так и принципа работы. Остановимся на каждом подробнее.
Биполярные транзисторы (БТ)
Биполярные транзисторы состоят из трех полупроводниковых слоев с двумя переходами типа n-p-n или p-n-p. Каждый слой – это отдельная область со своим принципом работы и предназначением:
- Эмиттер – испускает носители заряда (электроны или дырки).
- Узкая база – контролирует движение носителей заряда.
- Коллектор – собирает носители, которые прошли через базу.
За управление сигналом этой конструкции отвечает именно средний слой: подача небольшого количества управляющего тока на базу позволяет увеличить ток, протекающий от эмиттера к коллектору.
БТ применяются, например, в:
- Усилителях – для усиления слабых аналоговых сигналов.
- Коммутаторах – для управления большими токами и напряжением.
- Логических элементах – для выполнения логических операций.
И еще одна важная особенность: БТ позволяют добиться большого коэффициента усиления, но при этом потребуется больший ток для управления. То есть, они менее энергоэффективны.
Полевые транзисторы (ПТ)
Здесь устройство транзистора отличается: в нем может быть от одного до нескольких слоев полупроводника, а за управление носителями заряда отвечает «затвор» – отдельный управляющий электрод. При этом в конструкции также присутствует 3 группы:
- Затвор – управляющий электрод, который влияет на поток носителей.
- Исток – исходная точка, от которой носители начинают двигаться.
- Сток – конечная точка движения.
Несмотря на определенную разницу, принцип работы транзистора здесь примерно тот же: управляющий сигнал, подаваемый на затвор, меняет «ширину» канала между начально и конечной точке. Регулируется канал напряжением на затворе.
ПТ используются не только в усилителях и коммутаторах, как и БТ, но и в интегральных БТ, полевые транзисторы обладают большей энергоэффективностью, но коэффициент усиления сигнала у них ощутимо меньше. По этой причине подбирать тип транзистора следует исходя из исходных задач и целей.
Виды транзисторов
Помимо двух основных типов, существует еще и несколько видов компонентов. Причем классифицируются они по нескольким базовым параметрам.
Во-первых, по конструкции и размещению:
- Планарные. Изготавливаются на полупроводниковой пластине.
- Интегральные. Являются частью чипа, так как размещены на интегральной схеме.
Во-вторых, по материалу:
- Кремниевые. Самые популярные, поскольку относительно дешевы, но при этом обладают хорошей нагрузочной способностью, стабильностью и теплопроводностью.
- Германиевые. Германий – первый материал, который стали использовать для производства транзисторов, но сейчас он практически не применяется из-за существенно меньшей тепловой стабильности. Германиевые компоненты используются тогда, когда нужно получить более высокую подвижность носителей, то есть, активнее влиять на регулировку сигнала, что, например, актуально для радиочастотных приборов.
- Арсенид-галлиевые. «Наследники» кремниевых. Обладают высокой подвижностью носителей и способны работать на высоких частотах, из-за чего активно применяются в высокочастотной электронике и спутниковом оборудовании. Более дорогие в изготовлении, поэтому, в основном, применяются в профессиональном и промышленном оборудовании.
В-третьих, по мощности:
Мало-, средне- и высокомощные. Соответственно, применяются для работы с небольшими, средними и высокими токами и напряжениями. Самое важное здесь – нагрев. Чем выше штатная мощность, тем больше нагревается компонент, поэтому высокомощные транзисторы, используемые, например, в источниках питания и силовых установках, требуют принудительного охлаждения. Например, приклеивания радиаторов или даже установки активного кулера.
Подведем итог
Транзисторы являются одними из ключевых компонентов (наряду с резисторами) современной электроники, выполняя функции управления и усиления электрических сигналов. Они бывают двух основных типов и нескольких видов в зависимости от конструкции, основного материала и рабочей мощности и, в целом, играют одну из главных ролей в различных электронных устройствах, от аудиотехники и радиооборудования до компьютеров и смартфонов, обеспечивая их высокую производительность и эффективность.
