Первый транзистор: дата и история изобретения, принцип работы, назначение и применение

Дальнейшие изыскания Шокли

После войны Шокли решил попытаться построить триодоподобное полупроводниковое устройство. Он обеспечил финансирование и лабораторное пространство, и затем стал разбираться с возникшей проблемой совместно с Бардином и Браттеном. Джон Бардин в конечном итоге разработал новую ветвь квантовой механики, известную как физика поверхности, чтобы объяснить свои первые неудачи, и этим ученым в конечном итоге удалось создать рабочее устройство.

Ключом к развитию транзистора стало дальнейшее понимание процесса подвижности электронов в полупроводнике. Было доказано, что если бы был какой-то способ контролировать поток электронов от эмиттера до коллектора этого вновь обнаруженного диода (обнаруженный 1874 г., запатентованный 1906 г.), можно было бы построить усилитель. Например, если поместить контакты по обе стороны от одного типа кристалла, ток не пройдет через него.

3027507.jpg

На самом деле делать это оказалось очень сложно. Размер кристалла должен был бы быть более усредненным, а число предполагаемых электронов (или отверстий), которые необходимо было «впрыскивать», было очень большим, что сделало бы его менее полезным, чем усилитель, потому что для этого потребовался бы большой ток впрыска. Тем не менее вся идея кристаллического диода заключалась в том, что сам кристалл мог удерживать электроны на очень небольшом расстоянии, находясь при этом практически на грани истощения. По-видимому, ключ заключался в том, чтобы контакты ввода и вывода были очень близки друг к другу на поверхности кристалла.

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

bjtAmp.png

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора IС

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

bjtAmpOut.png

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора IС к току базы IB. Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается Rin (Rвх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

Rвх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление Rout = 0 (Rвых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Решение проблем и доработка

С решением проблем хрупкости осталась проблема чистоты. Создание германия требуемой чистоты оказалось серьезной проблемой и ограничило количество транзисторов, которые фактически работали из данной партии материала. Чувствительность германия к температуре также ограничивала его полезность.

3027523.jpg

Ученые предположили, что кремний будет легче изготовить, но мало кто изучил эту возможность. Morris Tanenbaum в Bell Laboratories были первыми, кто разработал рабочий кремниевый транзистор 26 января 1954 г. Несколько месяцев спустя, Гордон Тил, работающий самостоятельно в Texas Instruments, разработал аналогичное устройство. Оба эти устройства были сделаны путем контроля легирования кристаллов одного кремния, когда они выращивались из расплавленного кремния. Более высокий метод был разработан Моррисом Таненбаумом и Кальвином С. Фуллером в Bell Laboratories в начале 1955 года путем газовой диффузии донорных и акцепторных примесей в монокристаллические кремниевые кристаллы.

Лаборатория Белла

Лаборатория Белла работала на транзисторе, построенном для производства чрезвычайно чистых германиевых «кристальных» миксеров-диодов, используемых в радиолокационных установках в качестве элемента частотного микшера. Параллельно этому проекту существовало множество других, в их числе — транзистор на германиевых диодах. Ранние схемы на основе трубки не обладали функцией быстрого переключения, и вместо них команда Bell использовала твердотельные диоды. Первые компьютеры на транзисторах работали по похожему принципу.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий