Біполярні та польові транзистори, тиристори та логічні елементи: Повний навчальний посібник

Вступ та історія винаходу біполярного транзистора

Біполярний транзистор почав свою історію як точковий германієвий тріод. У $1949$ р. В. Шоклі розробив теорію транзисторів на основі теорії $p-n$ -переходів. Саме слово «транзистор» походить від комбінації двох англійських слів: transfer (передача) та resistor (опір). Таким чином, транзистор за своєю суттю — це особливий вид опору, величина якого регулюється напругою або струмом.

Транзистори виконують ключову функцію посилення електричних сигналів. Цей процес дозволяє за допомогою слабкого вхідного сигналу (наприклад, з антени потужністю в мільярдні частки вата) керувати значними потоками енергії від блоку живлення, отримуючи на виході потужну копію сигналу (десятки або сотні ват).

Будова та принцип дії біполярного транзистора (БПТ)

Біполярний транзистор складається з трьох напівпровідникових областей з різним типом провідності, що утворюють два $p-n$ -переходи:

Емітер (Е): Область, яка є джерелом носіїв заряду. Вона інжектує рухливі заряди в базу.
База (Б): Середня область, яка є керуючою. Вона робиться дуже тонкою для мінімізації рекомбінації носіїв.
Колектор (К): Область, що «збирає» носії заряду, які пройшли крізь базу.

Залежно від чергування типів провідності виділяють два типи транзисторів:

$n-p-n$ тип.
$p-n-p$ тип.

Умовне позначення відрізняється напрямком стрілки на емітері: вона завжди вказує напрямок протікання струму. Між емітером і коллектором тече сильний струм ( $I_k$ ), а між емітером і базою — слабкий керуючий струм ( $I_b$ ).

Фізичні процеси в біполярному транзисторі

Розглянемо роботу транзистора типу $p-n-p$ у схемі з загальним емітером (ЗЕ):

Інжекція: Введення носіїв струму (дірок) з емітера в базу, де вони є неосновними носіями. Для ефективної роботи концентрація дірок в емітері робиться в $10^2 - 10^3$ разів вищою за концентрацію електронів у базі.
Дифузія: Через малу товщину бази ( $w ≤ 0.25 • mm$ ) та відсутність сильного електричного поля в ній, дірки переміщуються до колекторного переходу переважно шляхом дифузії. Умови роботи передбачають, що ширина бази $w$ повинна бути значно меншою за середню довжину пробігу дірки до місця рекомбінації ( $l_Q ≅ 0.3 - 0.5 • mm$ у германії).
Дрейф: Поблизу колекторного переходу, зміщеного у зворотному напрямку, дірки потрапляють під дію електричного поля, яке «захоплює» їх і переносить у колекторну область.
Рекомбінація: Частина дірок ( $1-5 • %$ ) встигає рекомбінувати з електронами в базі, що породжує струм бази ( $I_b$ ).

Згідно з першим законом Кірхгофа: $I_e = I_{b} + I_{k}$

Збільшення струму колектора прямо пропорційне збільшенню струму бази: ΔI_{k} = ̢ ΔI_{b} де ̢ — коефіцієнт посилення струму в схемі з ЗЕ.

Схеми включення біполярного транзистора

Оскільки транзистор має три виводи, один із них завжди є загальним для вхідного та вихідного ланцюгів:

Схема з загальним емітером (ЗЕ):
- Дає найбільше посилення за потужністю (до десятків тисяч разів).
- Має високий коефіцієнт посилення по струму (̢) та напрузі ( $K_u$ ).
- Інвертує фазу вхідного сигналу на $180^∘$ .
- Недоліки: найгірші частотні та температурні властивості порівняно з іншими схемами.
Схема з загальною базою (ЗБ):
- Коефіцієнт посилення по струму ̑ < 1.
- Має високий коефіцієнт посилення по напрузі.
- Найкращі частотні та температурні характеристики.
- Не інвертує фазу.
- Дуже низький вхідний опір.
Схема з загальним колектором (ЗК) / Емітерний повторювач:
- Коефіцієнт посилення по напрузі K_u < 1 (наближається до одиниці).
- Має дуже високий вхідний опір і малий вихідний опір.
- Використовується для узгодження каскадів.
- Не інвертує фазу; вихідна напруга за амплітудою та фазою повторює вхідну.

Статичні характеристики та h-параметри БПТ

Статичні характеристики відображають зв’язок між струмами та напругами в сталому режимі. Основними є вхідні та вихідні вольтамперні характеристики (ВАХ):

Вхідна характеристика (ЗЕ): $I_{b} = f(U_{be})$ при $U_{ke} = const$ . Помітно залежить від напруги колектора (при зменшенні негативної напруги нахил зменшується).
Вихідна характеристика (ЗЕ): $I_{k} = f(U_{ke})$ при $I_{b} = const$ . Має дві області: початкову (різке зростання) та основну (активну, де $I_k$ майже не залежить від $U_{ke}$ ).

Система h-параметрів (гібридна) використовується для аналізу на малих сигналах:

$h_{11E}$ : Вхідний опір при короткому замиканні на виході: $h_{11E} = ΔU_{BE} / ΔI_{B}$ .
$h_{12E}$ : Коефіцієнт зворотного зв’язку по напрузі: $h_{12E} = ΔU_{BE} / ΔU_{KE}$ .
$h_{21E}$ : Коефіцієнт посилення струму: $h_{21E} = ΔI_{K} / ΔI_{B}$ .
$h_{22E}$ : Вихідна провідність: $h_{22E} = ΔI_{K} / ΔU_{KE}$ .

Режими роботи біполярного транзистора

Активний режим (Підсилювальний): Перехід ЕБ зміщений прямо, БК — зворотно. Використовується в підсилювачах.
Режим насичення: Обидва переходи зміщені прямо. Транзистор повністю відкритий, опір мінімальний. Використовується в ключових схемах як закритий кран (коротке замикання).
Режим відсічення: Обидва переходи зміщені зворотно. Струм через транзистор практично не тече (розрив ланцюга).
Інверсний режим: Перехід БК — прямо, ЕБ — зворотно. Підсилювальні властивості значно погіршені, на практиці майже не застосовується.

Біполярний транзистор з ізольованим затвором (БТІЗ/IGBT)

Це гібридний прилад, що поєднує властивості польового та біполярного транзисторів:

Вхідний каскад: Польовий транзистор (MOSFET). Забезпечує керування напругою (електричним полем), що потребує мінімальної потужності.
Вихідний каскад: Біполярний транзистор. Забезпечує можливість комутації великих струмів при високих напругах.

Застосування: Інвертори, тягові приводи електромобілів, зварювальні апарати, системи керування промисловими двигунами.

Тиристори: Будова, принцип дії та види

Тиристор — це потужний напівпровідниковий ключ з чотирьохшаровою структурою ( $p-n-p-n$ ), що має два стійких стани. Він проводиться тільки в одному напрямку.

Основні типи:

Диністор: Має 2 виводи. Відкривається, коли напруга між анодом і катодом перевищує поріг ( $U_s$ ).
Триністор: Має 3 виводи (Анод, Катод, Керуючий електрод). Відкривається коротким імпульсом струму на керуючий електрод. Навіть після зняття сигналу він залишається відкритим, доки струм через нього не впаде нижче «струму утримання» ( $I_H$ ).
Симістор (TRIAC): Здатний пропускати струм в обох напрямках. Ідеальний для регуляторів змінної напруги (димерів).

Польові транзистори (ПТ): Загальні відомості та JFET

Польові транзистори — це уніполярні прилади, де струм створюється носіями лише одного знака (електронами або дірками). Керування струмом здійснюється за допомогою електричного поля (напруги).

Електроди:

Витік (Source): Звідки рухаються носії.
Сток (Drain): Куди рухаються носії.
Затвор (Gate): Керуючий електрод.

ПТ з керуючим $p-n$ -переходом (JFET): Принцип дії заснований на зміні ширини збідненого шару $p-n$ -переходу при подачі зворотної напруги на затвор. Це призводить до звуження провідного каналу і зростання його опору.

Прямий перехід на затворі — робочий режим заборонений (низький вхідний опір).
Вхідний опір: Дуже високий ( $10^8 - 10^9 • Ω$ ), оскільки перехід закритий.

Польові транзистори з ізольованим затвором (МДП/MOSFET)

Мають структуру Метал — Діелектрик (SiO2) — Напівпровідник. Затвор ізольований від каналу шаром оксиду кремнію, що забезпечує надвисокий вхідний опір ( $10^{12} - 10^{14} • Ω$ ).

Види МДП-транзисторів:

З вбудованим каналом: Канал існує при нульовій напрузі на затворі. Можуть працювати в режимах збіднення та збагачення.
З індукованим каналом: Канал з’являється лише при подачі певної порогової напруги на затвор ( $U_{зи0}$ ). Працюють тільки в режимі збагачення.

Застереження: МДП-транзистори надзвичайно чутливі до статичної електрики. Їх виводи при транспортуванні замикають перемичкою, а інструмент та тіло майстра повинні бути заземлені.

Схеми включення та параметри польових транзисторів

Схеми включення:

Загальний витік (ЗВ / OI): Аналог ЗЕ. Велике підсилення напруги та потужності.
Загальний сток (ЗС / OC): Витоковий повторювач (аналог ЗК).
Загальний затвор (ЗЗ / OZ): Аналог ЗБ.

Ключові параметри ПТ:

Крутизна (S): Показує вплив напруги затвора на струм стоку: $S = dI_c / dU_{zi}$ . Типово $1 - 10 • mA/V$ .
Внутрішній опір ( $r_i$ ): Динамічний опір каналу.
Напруга відсічення ( $U_{зи0}$ ): При якій струм стоку стає близьким до нуля.

Логічні елементи на діодах та транзисторах

Логічні елементи виконують операції над дискретними сигналами («0» — низький потенціал, «1» — високий).

Основні типи елементів:

Елемент АБО (OR): Виконує диз’юнкцію. Реалізується на діодах. Функція $F = 1$ , якщо хоча б на одному вході є «1».
Елемент І (AND): Виконує кон’юнкцію. $F = 1$ тільки тоді, коли на всіх входах є «1».
Елемент НЕ (NOT): Інвертор. На транзисторі $n-p-n$ : при $X=1$ транзистор відкритий ( $U_{ke} ≈ 0$ , $F=0$ ); при $X=0$ транзистор закритий ( $F=1$ ).

Логічні родини:

ДТЛ (Діодно-транзисторна логіка): Поєднання діодного елемента І/АБО з транзисторним інвертором.
ТТЛ (Транзисторно-транзисторна логіка): Використання багатоемітерних транзисторів. Технологічно вигідніше та швидше.
КМОП (Комплементарна МДП-логіка): Використовує пари транзисторів з каналами різних типів ( $n$ та $p$ ). Характеризується екстремально низьким споживанням енергії у стані спокою.

Параметри логічних елементів

Коефіцієнт розгалуження (n): Кількість входів аналогічних елементів, що можуть бути підключені до виходу (типово $4 - 10$ , з буфером — до $50$ ).
Швидкодія: Час затримки сигналу ( $t_3$ ). Надшвидкодіючі мають затримку менше $0.01 • μs$ .
Споживана потужність: Варіюється від $250 • mW$ до $1 • μW$ . Чим вища потужність, тим зазвичай вища швидкодія.
Перешкодостійкість: Стійкість до статичних та імпульсних напруг перешкод.

Контрольні питання та обговорення

Чому транзистор називають «польовим»? Оскільки керування вихідним струмом здійснюється електричним полем у збідненому шарі.
У чому головна перевага ПТ над БПТ? У надвисокому вхідному опорі, що дозволяє керувати приладом практично без витрат потужності вхідного сигналу.
Чому в МДП-транзисторі струм йде тільки каналом? Тому що при робочій полярності між підкладкою та стоком утворюється закритий $p-n$ -перехід.
Чому потрібно заземлювати інструмент при роботі з МДП-елементами? Для запобігання пробою надтонкого ізолюючого шару оксиду кремнію статичним зарядом.
Яка різниця між ТТЛ та ДТЛ? ТТЛ компактніша та швидша завдяки використанню багатоемітерних транзисторів замість діодних збірок.