Транзисторы — это электрические компоненты, которые усиливают слабые сигналы в большие сигналы. Они потребляют небольшое количество энергии и выделяют большое количество энергии.
Транзисторы сконструированы с использованием полупроводников, которые проводят электричество только при определенных условиях. Обычно они изготавливаются из трех слоев кремния, которые химически обрабатываются, чтобы немного различаться. Смещая материал в середине полупроводника (изменяя его напряжение по отношению к остальной части устройства), основной путь тока транзистора либо позволяет протекать току, либо сильно ограничивает его. Поскольку он может управлять потоком энергии без каких-либо движущихся частей (например, реле), транзисторы и другие полупроводниковые компоненты называются твердотельными компонентами.
Различные типы транзисторов
Существует две основные категории транзисторов, BJT и MOSFET, и каждая из них бывает двух типов.
BJT (транзисторы с биполярным переходом)
BJT лучше всего описывается как усилитель тока. Три вывода биполярного транзистора называются коллектором, эмиттером и базой. Первичный путь тока находится между коллектором и эмиттером. База используется для смещения транзистора для управления первичным потоком.
Два типа BJT — это NPN и PNP. Названия NPN и PNP произошли от конструкции BJT. Полупроводниковый материал, такой как кремний (используемый в большинстве полупроводниковых устройств), не проводит электричество в своем элементарном состоянии. Чтобы сделать его способным проводить электричество, элементарный кремний намеренно «легируют» другими материалами. Эти материалы заряжены либо положительно (P), либо отрицательно (N). Отрицательные примеси, такие как фосфор, имеют избыток электронов, которые могут перемещаться. Положительные примеси, такие как бор, имеют «дырки», которые могут быть заполнены электронами. Теперь, в зависимости от смещения напряжения, электроны могут перемещаться из материалов N в материалы P, создавая проводящий путь, который позволяет течь электричеству.
Величина тока, протекающая по основному пути биполярного транзистора, прямо пропорциональна величине тока, протекающего через базу транзистора. Соотношение этих двух токов и есть бета-уровень транзистора (AKA hFE). Для многих биполярных транзисторов их бета-уровень составляет около 100. Это означает, что если вы пропускаете 1 мА тока через базу транзистора, транзистор будет пропускать 100 мА тока через коллектор и эмиттер.
Что мы еще не обсуждали, так это направление тока, протекающего через транзистор. Как вы могли догадаться, это зависит от конструкции слоев транзистора.
НПН-транзистор
NPN-транзистор состоит из N слоев снаружи (коллектор и эмиттер) и P-слоя посередине (база). Основной (большой) поток тока идет от коллектора к эмиттеру. Поток тока через базу транзистора NPN течет в базу и из эмиттера. Это означает, что напряжения на клеммах должны создавать правильные токи. Коллектор должен иметь самое высокое напряжение на транзисторе NPN. Тогда ток может течь от коллектора к эмиттеру. Точно так же напряжение базы должно быть выше напряжения эмиттера, когда транзистор открыт, и ниже или равно напряжению эмиттера, когда транзистор выключен. Для этого между нагрузкой и землей обычно используется NPN-транзистор. Затем,
ПНП-транзистор
Транзистор PNP состоит из слоев P снаружи (эмиттер и коллектор) и слоя N посередине (база). Основной (большой) поток тока идет от эмиттера к коллектору. Поток тока через базу PNP-транзистора течет в эмиттер и выходит из базы. Опять же, напряжения на клеммах должны создавать правильные токи. Эмиттер должен иметь самое высокое напряжение на транзисторе PNP. Затем ток течет от эмиттера к коллектору. Напряжение базы должно быть меньше напряжения эмиттера, когда транзистор открыт, и больше или равно напряжению эмиттера, когда транзистор закрыт. Для этого между источником и нагрузкой обычно используется PNP-транзистор. Тогда эмиттер всегда будет равен или больше напряжения коллектора или базы.
MOSFET (металлооксидные полевые транзисторы)
В то время как BJT являются усилителями тока, MOSFET больше похожи на резисторы, активируемые напряжением. МОП-транзисторы также имеют три вывода, называемые стоком, истоком и затвором. Основной путь тока проходит через исток и сток, в то время как затвор заряжается, открывая или закрывая полевой МОП-транзистор. В отличие от BJT, которые построены слоями, MOSFET имеют полный путь или канал из одного типа полупроводникового материала; Тип P или N. Затем противоположный тип помещается рядом с каналом (например, N-канальный МОП-транзистор имеет некоторое количество материала P рядом с каналом). Затем эти два материала смещаются в проводящее состояние электрическим полем, а не потоком тока. Таким образом, открытие MOSFET похоже на зарядку конденсатора. Он не требует постоянного тока, чтобы держать его открытым.
В отличие от BJT, которые построены слоями, MOSFET имеют полный путь или канал из одного типа полупроводникового материала; Тип P или N. Затем противоположный тип помещается рядом с каналом (например, N-канальный МОП-транзистор имеет некоторое количество материала P рядом с каналом). Затем эти два материала смещаются в проводящее состояние электрическим полем, а не потоком тока. Таким образом, открытие MOSFET похоже на зарядку конденсатора. Он не требует постоянного тока, чтобы держать его открытым. Сопротивление MOSFET пропорционально электрическому заряду на затворе. Без заряда МОП-транзистор имеет огромное сопротивление, что, по сути, создает разомкнутую цепь. Когда затвор полностью заряжен, полевой МОП-транзистор может иметь сопротивление менее миллиома. Затвор типичного полевого МОП-транзистора должен быть заряжен до 1,5–10 В, чтобы полностью открыться. МОП-транзисторы в нижней части этого диапазона напряжения затвора имеют внутреннюю схему для повышения напряжения затвора выше, чем приложенное извне напряжение. Они считаютсяМОП-транзисторы логического уровня.
Большинство МОП-транзисторов сегодня содержат встроенный диод для предотвращения повреждения от электростатического разряда. Это называется корпусным диодом. МОП-транзистор должен быть ориентирован так, чтобы корпусный диод был направлен против предполагаемого потока тока через МОП-транзистор (указывая на более высокое напряжение). В противном случае ток всегда будет течь от высокого напряжения к низкому, хоть и корпусному диоду.
N-канальный МОП-транзистор
N-канальный МОП-транзистор включается путем зарядки затвора до напряжения, превышающего напряжение на клемме истока. Это создает электрическое поле, необходимое для вытягивания электронов из N-канала в соседний материал P, создавая проводящий путь. N-канальный полевой МОП-транзистор обычно размещают между нагрузкой и землей, так что затвор может легко управляться напряжением выше, чем на клемме истока. МОП-транзистор выключается, притягивая клемму затвора обратно к земле.
P-канальный МОП-транзистор
P-канальный МОП-транзистор включается путем снижения напряжения затвора ниже напряжения на выводе истока. Это создает электрическое поле, которое притягивает электроны из соседнего N-материала в P-канал, создавая проводящий путь. Он отключается, подтягивая клемму затвора обратно до (или выше) напряжения на клемме стока. Это позволяет легко использовать P-канальный полевой МОП-транзистор между истоком и нагрузкой, поскольку на клемме истока всегда будет самое высокое напряжение в цепи, что позволяет легко подтянуть затвор к напряжению ниже, чем на истоке.
