Биполярный транзистор

Биполярный транзистор. Часть 1

Биполярный транзистор... По-моему самая сложная и очень любопытная тема во всей электронике. Ничего нигде  про них толком не написано.  Ну что же, дорогие читатели, попробуем пролить свет истины на самое величайшее изобретение XX века, с которого началась Великая Эра цифровой электроники.

 

А что же вообще такое "транзистор" ? Явно, оно к нам перешло с буржуйского языка. Транзистор  (от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление) радиэлектронный компонент, способный усиливать слабые электрические сигналы. Все, пока на этом хватит... Дальше интереснее ;-)

 

Как вы знаете, все мы из чего-то состоим. Люди состоят из мяса, воды и костей. А некоторые состоят вообще из другого материала, поэтому не тонут в воде ))). Так и наш транзистор, он тоже из чего-то состоит. Но из чего? 

 

Как вы знаете, материалы делятся на  проводники и диэлектрики, а вот между ними  стоят полупроводники. Еще раз напомню вам, что проводники прекрасно проводят электрический ток, диэлектрики не проводят электрический ток, а вот полупроводники проводят электрический ток, но очень плохо. "И нафиг нам нужен этот полупроводниковый материал?" - спросите вы. Сам по себе материал полупроводник с практической точки зрения не представляет никакого интереса, но вот когда в него добавить малюсенькую долю некоторых элементов из таблицы Менделеева, по-научному "пролегировать", то мы получим полупроводниковый материал, но с очень странными свойствами.

 

Самым знаменитым полупроводником является кремний

 

и германий

 

Как вы видите, они  мало чем отличаются.

 

Кремний составляет почти 30% (!) земной коры, германий 1.5х10^-4% , может быть поэтому полупроводниковые радиоэлементы очень дешевые, особенно из кремния.

 

Когда в кремний добавляют мышьяк, получается так, что в кремнии стает очень много свободных электронов. А материалы, в которых очень много свободных электронов, мы уже называем проводниками. Следовательно, кремний, после легирования (смешивания) с мышьяком превращается из полупроводника в очень хороший проводник ;-) Электроны обладают отрицательным зарядом, и их в полупроводнике как песчинок в пустыне, значит такой полупроводник будем называть полупроводником N-типа. N - от англ. Negative - отрицательный. 

 

Это еще фигня... А вот если пролегировать кремний с индием, то мы получим очень забавную вещь... В первом случае у нас появились лишние электроны, которые превратили полупроводник в проводник. Но здесь ситуация абсолютно противоположная. Представьте себе, как это бы странно не звучало, электрон с положительным зарядом. Да да, именно так. Но самое-самое интересное знаете что? Его не существует! Он как бы есть, но его как бы нет))). 

 

 

Это все равно, что магнитное, электрическое или гравитационное поле. Оно существует, но мы его не видим.

 

Такой "электрон" мы будем называть дыркой. Так как дырка обладает положительным зарядом,  то полупроводниковый материал в котором очень-очень много этих дырок, мы будем называть полупроводником P-типа. P - от англ. Positive  - положительный.

 

Ну  пролегировали мы эти материалы, ну а толку то? Что с ними дальше делать?  С практической точки зрения они  по отдельности вообще не представляют никакого интереса,  а вот вместе они столько делов могут натворить ой-ой-ой!!! Если очень плотненько прислонить к друг другу эти два материала, то граница касания этих полупроводниковых материалов P и N типа будет называться P-N переходом. А вот именно этот самый P-N переход и сделал революцию во всей электронике.

Биполярный транзистор. Часть 2

Из первой части статьи мы с вами узнали, что транзисторы состоят из P и N полупроводниковых материалов.  В настоящее время P-N переход спаивается по специальной технологии, что  конечно же, увеличивает проводимость для электрического тока. Ширина этой спайки очень мала и достигает  одну тысячную миллиметра.

 

 

Думаю, будет излишним рассказывать как на физическом уровне работает P-N переход. Это долго, муторно и непонятно. Да и вам это точно не пригодится). Самое главное свойство P-N перехода - это одностороння проводимость! Односторонняя ЧТО? ОДНОСТОРОННЯЯ ПРОВОДИМОСТЬ. Но что означает это словосочетание?

 

Давайте представим себе воронку, наподобие этой:

 

 

С какой стороны нам будет удобней наливать жидкость?  Думаю, что сверху, не так ли?  Тем самым мы переливаем нашу жидкость далее в какой-либо сосуд.

 

Ну а что будет, если мы перевернем нашу воронку и будем  наливать жидкость через узенькую трубочку таким же напором? Совсем малюсенькая часть жидкости попадет через узкую трубочку и окажется по ту сторону воронки. Остальная же часть тупо прольется мимо воронки.

 

А давайте теперь на секундочку представим, что вместо жидкости мы будем "наливать" электрический ток. С широкой стороны воронки ток прекрасно зайдет и потечет дальше через узенькую трубочку, а если перевернуть воронку совсем малюсенькая часть электрического тока протиснется на другой конец воронки, остальная же часть электрического тока "прольется" мимо воронки.

 

Так вот, дорогие мои читатели, P-N переход работает точно таким же способом, как и эта воронка! P - это широкая часть воронки, N - узкая часть воронки, ну то есть та самая тонкая трубочка.

 

Таким образом, подавая на "воронку" полупроводника P, плюс от источника питания (это может быть батарейка или Блок питания ) , а к N-полупроводнику, к узкой трубочке воронки, минус, то у нас ток течет как ни в чем не бывало.  Но как только мы поменяем полярность, то есть подадим на P  минус, а на N плюс, то у нас ток никуда не потечет. То есть цепь будет находиться в обрыве.

 

Что-нибудь понятно? Я так и знал...)))

 

А вам знаком вот такой радиоэлемент? 

 

 

а вот его схематическое изображение

 

Да, все верно - это Полупроводниковый диод. А знаете ли вы, что диод состоит из самого обычного P-N перехода? Можем даже вот так нарисовать диод:

Биполярный транзистор. Часть 3

Из прошлой статьи мы с вами узнали что такое P-N переход и какими свойствами он обладает. Как вы помните, P-N переход пропускает электрический ток только в одном направлении. В другом направлении блокирует прохождение электрического тока.

 

На дворе стоял послевоенный 1947 год. Декабрь. Холодно, голодно, жутко...  Но только не в лабаратории Bell Labs!  Трое ученых: Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн, бились над радиоэлементом, который перевернул весь мир с ног на голову!  16 декабря 1947 года  можно назвать днем второго рождения электроники! Да, черт побери! В этот день впервые миру был продемонстрирован биполярный транзистор.

 

Именно биполярный транзистор сотворил революцию в электронике. Обладая усилительными свойствами (мы об этом еще с вами поговорим), он заменил собой электронные лампы, что сделало электронику намного надежнее, мобильнее и компактнее. Без такого изобретения, как транзистор, мы с вами до сих пор бы жили без компьютеров, мобильных телефонов, планшетов и другой различной электронной мелочевки. 

 

 

Ладно, не буду вас больше томить. Приступаем к изучению биполярника!

Помните, о чем мы беседовали в прошлых статьях? Да-да, о полупроводниках P и N типа, а также об их совместном воздействии, и в итоге  у нас получался радиоэлемент диод.

 

 

А почему бы нам не добавить еще один полупроводник с такой же проводимостью, как слева? Сказано - сделано! Ну что ж, прошу любить и жаловать! Получился БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР! 

 

Если читать слева-направо или справа-налево, из каких полупроводников он состоит, то можно узнать какой он проводимости. Значит, транзистор на рисуночке выше у нас проводимости P-N-P, или, как у нас говорят, прямой проводимости.

 

 

 

 

 

А вот у этого транзистора проводимость N-P-N или обратная проводимость.

 

Проводочек со среднего полупроводникового материала называется базой, ну а по краям эммитер и коллектор. Откуда такие названия? Так как транзистор придумали англомены, то и названия они дали соответствующие:

Эммитер -  на буржуйском Emmiter - источник, излучатель, генератор.  То есть вывод, на который что-то подается. В данном случае электрический ток.

База - Base - основа. Короче, самый главный вывод. Работу базы мы разберем в следующих статьях.

Коллектор - Collector - сборщик, собиратель, токоприемник. Он типа как "собирает" электрический ток.

 

Ну что, тяжко? )) Как же на схемах обозначаются биполярные транзисторы? Мы разобрали, что  существуют транзисторы прямой и обратной проводимости, значит и на схемах они будут обозначатся совсем по-другому. 

 

Схемотехническое обозначение P-N-P транзистора, то есть транзистора прямой проводимости

 

будет выглядеть вот так:

 

 

А схемотехническое обозначение транзистора обратной проводимости или N-P-N транзистора

 

будет выглядеть вот так:

 

В  старинных советских схемах транзисторы еще обозначались буквой T, в  современных схемах они уже обозначаются буквами VT. Как нетрудно догадаться, вывод со стрелочкой - это эммитер.

 

Как не путаться в проводимостях транзистора и в их схемотехнических изображениях? Тут все просто. Как вы помните, в полупроводнике P-типа у нас очень много дырок, а дырки обладают положительным зарядом, то есть они со знаком "плюс".  Полупроводник N-типа содержит большое количество электронов, а электроны - это отрицательные частицы со знаком "минус". Как вы помните, электрический ток течет от "плюса" к "минусу". Стрелка эммитера показывает направление движения электрического тока ;-). То есть, если у нас база состоит из полупроводника P-типа, то значит ток течет от базы, следовательно, стрелка эммитера направлена от базы, если же база из N-полупроводника, то стрелка эммитера направлена в базу. Все просто как трижды три))).

 

 

Как же в реале выглядят транзисторы? Уууу.... тут фантазиям разработчиков нет предела. Ниже фоты самых распространненых корпусов транзисторов:

 

Но! Имейте ввиду! Если вам попался радиоэлемент в таком корпусе - это  не обязательно транзистор! Это может быть и тиристор, и  диодная сборка или даже Трехвыводный стабилизатор напряжения, или вообще что угодно. Как же тогда распознать транзистор? Об этом мы с вами поговорим в следующей статье...

Подробнее здесь: http://www.ruselectronic.com/news/bipolyarnyj-tranzistor-chast-3/

 

 

 

Проведем опыт. Возьмем простой советский диод марки Д226:

 

 

Интересно, что же внутри у него?  На наждаке стачиваем одну треть корпуса диода, чтобы не повредить внутренности:

 

 

Интересно, где же этот P-N переход? С помощью цифрового микроскопа Prima Expert M100 увеличиваем  наш парированный диод и видим кристалл кремния. В красном кружочке я пометил этот самый кристалл.

 

 

 

Судя по книге Шишкова "Первые шаги в радиоэлектронике",  P-N переход находится где-то здесь:

 

Хотя я увидел там только одну пластинку кремния. Видать полупроводники P и N сплавлены  в один бутербродик. Короче говоря, главное работает, остальное по барабану) .

 

 

Итак, классика жанра... Как вы видите на этой картинке, диод имеет анод и катод. Анод - это P полупроводник, катод - это N полупроводник.  Все элементарно и просто.

 

 

Как проверить целостность P-N перехода, а соответственно и диода? Для этого ставим крутилку на Мультиметре в режим прозвонки вот на этот значок :

В этом режиме измеряется падение напряжения.   Прямое падение напряжения для кремниевых диодов  составляет значение от 0,5 Вольт  и до 0,7 Вольт,  а для германиевых 0,3-0,4 Вольта.

  

 

Цепляем анод у диода к положительному щупу мультиметра (красный Щуп), а катод цепляем к отрицательному щупу (черный щуп):

Итак, на дисплее мультика мы видим так называемое прямое падение напряжения P-N перехода. В данном случае оно равно 554 милливольта или 0,55 Вольт.

 

 

Если поменять щупы местами, то на дисплее мультиметра высветится единичка. Это значит, что падение напряжения в данном случае не влазит в диапазон измерения мультиметра в функции прозвонки. При функции "прозвонка" можно наблюдать падение напряжения только  в диапазоне от 0  и до 1999 милиВольт ;-).  Мультик же выдает 2,8-3 Вольта в этом режиме.

 

 

 

Ну что же, диод у нас хоть и раздраконенный моими ручонками, но целый ;-)  Тот же самый опыт я описывал в статье Как проверить диод мультиметром.

 

Также у P-N перехода есть очень интересное свойство. Его прямое падение напряжения зависит от температуры.

Вот прямое падение напряжения на диоде при обычной комнатной температуре: 554 милиВольта.

 

 

 

Начинаем жарить Паяльным феном при 200 градусах по Цельсию и смотрим на дисплей мультиметра:

Опа на 392 милиВольт, а было 554 ...

 

 

А давайте охладим наш диод. Для этого используем морозильную камеру холодильника:

615 милиВольт...

 

 

Делаем глубокомысленные выводы:

При повышении температуры, прямое падение напряжения на P-N перехода понижается, а при понижении температуры - повышается.  Из Закона Ома вы знаете, что чем меньше сопротивление (а следовательно и падение напряжение на нем), тем лучше течет электрический ток. Может быть, именно поэтому вся современная электроника очень плохо работает на холоде, но прекрасно работает в жаре, потому как почти полностью построена на полупроводниках.

Зависимость сопротивления прямого перехода от температуры, радиолюбители используют даже в своих схемах, например в схеме Умного вентилятора.

 

 

Далее проведем классический опыт, который описывается во всех учебниках физики. Собираем цепь из Блока питания, лампочки и нашего диода вот по такой схеме (снизу перечеркнутый кружочек - это лампочка).

 

 

 

Теперь собираем эту схемку в реале. Красный щуп - это плюс от блока питания, черный щуп - это минус от блока питания.

Видим, что лампочка  на 12 Вольт загорелась. Это означает, что электрический ток течет через диод как ни в чем не бывало.

 

 

Теперь меняем щупы местами и собираем вот по такой схеме:

 

 

 

Собираем схему в реале. Подаем напряжение на щупы

Лампочка не горит. Ну ладно, не переживайте, ведь мы для себя сейчас открыли важнейшее свойство диода, а следовательно и P-N перехода! В одном направлении диод пропускает электрический ток, если подать на его анод плюс, а на катод минус. А если подать на анод минус, а на катод плюс - диод не пропускает электрический ток.

Подробнее здесь: http://www.ruselectronic.com/news/bipolyarnyj-tranzistor-chast-2/

 

Скачано с www.znanio.ru