Qu'est-ce qu'un transistor et à quoi ressemble-t-il ? Principes de fonctionnement des transistors. Principe de fonctionnement de base

Le principe du contrôle du courant électrique par les semi-conducteurs était connu au début du XXe siècle. Même si les ingénieurs électroniciens savaient comment fonctionnait un transistor, ils ont continué à concevoir des dispositifs basés sur tubes à vide. La raison de cette méfiance à l'égard des triodes semi-conductrices était l'imperfection des premiers transistors point-point. La famille des transistors au germanium n'avait pas de caractéristiques stables et dépendait fortement des conditions de température.

Une concurrence sérieuse tubes électroniques Les transistors monolithiques en silicium n'ont été développés qu'à la fin des années 50. Depuis lors, l'industrie électronique a commencé à se développer rapidement et les triodes semi-conductrices compactes ont activement remplacé les lampes énergivores des circuits. appareils électroniques. Avec l'avènement circuits intégrés Alors que le nombre de transistors peut atteindre plusieurs milliards, l'électronique à semi-conducteurs a remporté une victoire écrasante dans la lutte pour la miniaturisation des appareils.

Qu'est-ce qu'un transistor ?

DANS sens moderne Un transistor est un élément radio semi-conducteur conçu pour modifier les paramètres courant électrique et la gestion de celui-ci. Une triode semi-conductrice conventionnelle comporte trois bornes : une base qui reçoit les signaux de commande, un émetteur et un collecteur. Il existe également des transistors composites de forte puissance.

L'échelle de taille des dispositifs semi-conducteurs est étonnante - de plusieurs nanomètres (éléments non emballés utilisés dans les microcircuits) à des centimètres de diamètre transistors puissants, destiné aux centrales électriques et aux équipements industriels. Les tensions inverses des triodes industrielles peuvent atteindre jusqu'à 1 000 V.

Appareil

Structurellement, la triode est constituée de couches semi-conductrices enfermées dans un boîtier. Les semi-conducteurs sont des matériaux à base de silicium, de germanium, d'arséniure de gallium et autres. éléments chimiques. Aujourd'hui, des recherches sont menées pour préparer certains types de polymères, et même des nanotubes de carbone, au rôle de matériaux semi-conducteurs. Apparemment, dans un avenir proche, nous découvrirons de nouvelles propriétés des transistors à effet de champ au graphène.

Auparavant, les cristaux semi-conducteurs se trouvaient dans caisses métalliques en forme de chapeaux à trois pattes. Cette conception était typique des transistors point-point.

Aujourd'hui, les conceptions de la plupart des dispositifs à semi-conducteurs plats, y compris au silicium, sont réalisées sur la base d'un monocristal dopé dans certaines parties. Ils sont pressés dans des boîtiers en plastique, métal-verre ou métal-céramique. Certains d'entre eux comportent des plaques métalliques saillantes pour la dissipation de la chaleur, qui sont fixées aux radiateurs.

Électrodes transistors modernes disposés sur une seule rangée. Cette position des jambes est pratique pour assemblage automatique plat. Les bornes ne sont pas marquées sur les boîtiers. Le type d'électrode est déterminé à partir d'ouvrages de référence ou par des mesures.

Pour les transistors, des cristaux semi-conducteurs de structures différentes sont utilisés, type pnp ou n-p-n. Ils diffèrent par la polarité de la tension sur les électrodes.

Schématiquement, la structure d'un transistor peut être représentée par deux diodes semi-conductrices, séparé couche supplémentaire. (Voir la figure 1). C'est la présence de cette couche qui permet de contrôler la conductivité de la triode semi-conductrice.

Riz. 1. Structure des transistors

La figure 1 montre schématiquement la structure des triodes bipolaires. Il existe également une classe de transistors à effet de champ, qui sera abordée ci-dessous.

Principe de fonctionnement de base

Au repos, aucun courant ne circule entre le collecteur et l'émetteur d'une triode bipolaire. Le courant électrique est empêché par la résistance de la jonction de l'émetteur, qui résulte de l'interaction des couches. Pour activer le transistor, vous devez appliquer une petite tension à sa base.

La figure 2 montre un schéma expliquant le principe de fonctionnement d'une triode.

Riz. 2. Principe de fonctionnement

En contrôlant les courants de base, vous pouvez allumer et éteindre l'appareil. Si vous postulez à la base signal analogique, alors cela changera l'amplitude des courants de sortie. Dans ce cas, le signal de sortie répétera exactement la fréquence d'oscillation au niveau de l'électrode de base. Autrement dit, le signal électrique reçu en entrée sera amplifié.

Ainsi, les triodes semi-conductrices peuvent fonctionner en mode commutation électronique ou en mode amplification du signal d'entrée.

Fonctionnement de l'appareil en mode clé électronique peut être compris à partir de la figure 3.

Riz. 3. Triode en mode commutation

Désignation sur les schémas

Désignation commune : "VT" ou "Q", suivi d'un index de position. Par exemple, VT 3. Sur les schémas antérieurs, vous pouvez trouver des désignations obsolètes : « T », « PP » ou « PT ». Le transistor est représenté par des lignes symboliques indiquant les électrodes correspondantes, entourées ou non. La direction du courant dans l'émetteur est indiquée par une flèche.

La figure 4 montre un circuit ULF dans lequel les transistors sont désignés d'une nouvelle manière, et la figure 5 montre des images schématiques de différents types de transistors à effet de champ.

Riz. 4. Exemple Circuits ULF sur les triodes

Types de transistors

Selon leur principe de fonctionnement et leur structure, on distingue les triodes semi-conductrices :

• champ;
• bipolaire;
• combiné.

Ces transistors remplissent les mêmes fonctions, mais il existe des différences dans le principe de leur fonctionnement.

Champ

Ce type de triode est également appelé unipolaire, en raison de ses propriétés électriques : elles transportent un courant d'une seule polarité. En fonction de leur structure et de leur type de contrôle, ces appareils sont divisés en 3 types :

1. Transistors avec gestionnaire p-n transition (Fig. 6).
2. Avec portail isolé (disponible avec caniveau intégré ou induit).
3. MIS, avec structure : métal-diélectrique-conducteur.

Une particularité d'un portail isolé est la présence d'un diélectrique entre celui-ci et le canal.

Les pièces sont très sensibles à l'électricité statique.

Les circuits de triodes de champ sont illustrés à la figure 5.

Riz. 5. Transistors à effet de champ
Riz. 6. Photo d'une véritable triode à effet de champ

Faites attention aux noms des électrodes : drain, source et grille.

Les transistors à effet de champ consomment très peu d'énergie. Ils peuvent fonctionner pendant plus d’un an avec une petite batterie ou une batterie rechargeable. Par conséquent, ils ont trouvé une large application dans le monde moderne. appareils électroniques comme les télécommandes télécommande, gadgets mobiles etc.

Bipolaire

On a beaucoup parlé de ce type de transistor dans la sous-section « Principe de base travail." Notons seulement que l'appareil a reçu le nom de « Bipolaire » en raison de sa capacité à faire passer des charges de signes opposés par un seul canal. Leur particularité est une faible impédance de sortie.

Les transistors amplifient les signaux et agissent comme des dispositifs de commutation. Une charge assez puissante peut être connectée au circuit collecteur. Grâce à courant élevé collecteur, vous pouvez réduire la résistance de charge.

Examinons plus en détail la structure et le principe de fonctionnement ci-dessous.

Combiné

Afin d'atteindre certains paramètres électriquesÀ partir de l’utilisation d’un seul élément discret, les développeurs de transistors inventent des conceptions combinées. Parmi eux figurent :

• avec résistances intégrées et leur circuit ;
• combinaisons de deux triodes (structures identiques ou différentes) dans un seul boîtier ;
• diodes lambda - une combinaison de deux triodes à effet de champ formant une section à résistance négative ;
• conceptions dans lesquelles une triode à effet de champ avec une grille isolée contrôle une triode bipolaire (utilisée pour contrôler les moteurs électriques).

Les transistors combinés sont en fait un microcircuit élémentaire dans un seul boîtier.

Comment fonctionne un transistor bipolaire ? Instructions pour les nuls

Le fonctionnement des transistors bipolaires repose sur les propriétés des semi-conducteurs et leurs combinaisons. Pour comprendre le principe de fonctionnement des triodes, comprenons le comportement des semi-conducteurs dans les circuits électriques.

Semi-conducteurs.

Certains cristaux, comme le silicium, le germanium, etc., sont des diélectriques. Mais ils ont une particularité : si vous ajoutez certaines impuretés, ils deviennent des conducteurs dotés de propriétés particulières.

Certains additifs (donneurs) conduisent à l’apparition d’électrons libres, tandis que d’autres (accepteurs) créent des « trous ».

Si par exemple le silicium est dopé au phosphore (donneur), on obtient un semi-conducteur avec un excès d'électrons (structure n-Si). En ajoutant du bore (un accepteur), le silicium dopé deviendra un semi-conducteur conducteur de trous (p-Si), ce qui signifie que sa structure sera dominée par des ions chargés positivement.

Conduction à sens unique.

Menons une expérience de réflexion : connectez deux types différents de semi-conducteurs à une source d'alimentation et alimentez notre conception en courant. Quelque chose d’inattendu va se produire. Si vous connectez le fil négatif à un cristal de type n, le circuit est terminé. Cependant, lorsque nous inversons la polarité, il n’y aura plus d’électricité dans le circuit. Pourquoi cela se produit-il ?

En combinant des cristaux avec différents types conductivité, une région avec une jonction p-n se forme entre eux. Certains électrons (porteurs de charge) d'un cristal de type n circuleront dans un cristal avec une conductivité de trous et recombineront les trous dans la zone de contact.

En conséquence, des charges non compensées apparaissent : dans la région de type N - à partir d'ions négatifs et dans la région de type P à partir d'ions positifs. La différence de potentiel atteint une valeur de 0,3 à 0,6 V.

La relation entre la tension et la concentration d'impuretés peut être exprimée par la formule :

φ= VT*ln( Nn* Np)/n 2 i , où

VT – valeur de la contrainte thermodynamique, Nn Et Np – la concentration d'électrons et de trous, respectivement, et n i désigne la concentration intrinsèque.

Lors de la connexion d'un plus à un conducteur p et d'un moins à un semi-conducteur de type n, les charges électriques franchiront la barrière, car leur mouvement sera dirigé contre champ électriqueà l'intérieur jonction p-n. DANS dans ce cas le passage est ouvert. Mais si les pôles s’inversent, la transition sera fermée. D'où la conclusion : la jonction p-n forme une conductivité unidirectionnelle. Cette propriété est utilisée dans la conception des diodes.

De la diode au transistor.

Compliquons l'expérience. Ajoutons une autre couche entre deux semi-conducteurs avec les mêmes structures. Par exemple, entre des tranches de silicium de type p, nous insérons une couche conductrice (n-Si). Il n’est pas difficile de deviner ce qui va se passer dans les zones de contact. Par analogie avec le processus décrit ci-dessus, des régions avec des jonctions p-n sont formées qui bloquent le mouvement. charges électriques entre l'émetteur et le collecteur, et quelle que soit la polarité du courant.

La chose la plus intéressante se produira lorsque nous appliquerons une légère tension à la couche (base). Dans notre cas, nous appliquerons un courant de signe négatif. Comme dans le cas d'une diode, un circuit émetteur-base est formé à travers lequel le courant circulera. Dans le même temps, la couche commencera à être saturée de trous, ce qui entraînera une conduction de trous entre l'émetteur et le collecteur.

Regardez la figure 7. Elle montre que les ions positifs ont rempli tout l'espace de notre structure conditionnelle et que désormais plus rien n'interfère avec la conduction du courant. Nous avons un modèle visuel transistor bipolaire structures pnp.

Riz. 7. Principe de fonctionnement de la triode

Lorsque la base est hors tension, le transistor entre très rapidement en état d'origine et la jonction du collecteur se ferme.

L'appareil peut également fonctionner en mode amplification.

Le courant du collecteur est directement proportionnel au courant de base : jeÀ= ß* jeB , Où ß – gain de courant, jeB – courant de base.

Si vous modifiez la valeur du courant de commande, l'intensité de la formation de trous sur la base changera, ce qui entraînera une modification proportionnelle de l'amplitude de la tension de sortie, tout en maintenant la fréquence du signal. Ce principe est utilisé pour amplifier les signaux.

En appliquant des impulsions faibles à la base, on obtient en sortie la même fréquence d'amplification, mais avec une amplitude beaucoup plus grande (fixée par la tension appliquée au circuit collecteur-émetteur).

Les transistors NPN fonctionnent de la même manière. Seule la polarité des tensions change. Appareils avec structure n-p-n avoir une conductivité directe. Avoir une conductivité inverse transistor pnp taper.

Il reste à ajouter que le cristal semi-conducteur réagit de la même manière au spectre ultraviolet de la lumière. En activant et désactivant le flux de photons, ou en ajustant son intensité, vous pouvez contrôler le fonctionnement d'une triode ou modifier la résistance d'une résistance semi-conductrice.

Circuits de connexion de transistors bipolaires

Les ingénieurs circuits utilisent les schémas de connexion suivants : avec base commune, électrodes émettrices communes et connexion avec un collecteur commun (Fig. 8).

Riz. 8. Schémas de connexion des transistors bipolaires

Les amplificateurs à base commune se caractérisent par :

• faible impédance d'entrée, qui ne dépasse pas 100 Ohms ;
• bonnes propriétés de température et caractéristiques de fréquence de la triode ;
• tension admissible élevée ;
• il en faut deux différentes sources pour la nourriture.

Schémas avec émetteur commun avoir:

• gain de courant et de tension élevé ;
• faible gain de puissance ;
• inversion de la tension de sortie par rapport à l'entrée.

Avec cette connexion, une seule source d'alimentation suffit.

Le schéma de raccordement basé sur le principe du « collecteur commun » prévoit :

• résistance d'entrée élevée et faible résistance de sortie ;
• facteur de gain basse tension (< 1).

Comment fonctionne un transistor à effet de champ ? Explication pour les nuls

La structure d'un transistor à effet de champ diffère de celle d'un transistor bipolaire en ce que le courant qu'il contient ne traverse pas la zone de jonction p-n. Les charges se déplacent à travers une zone contrôlée appelée porte. Bande passante La porte est contrôlée en tension.

Espace zones p-n diminue ou augmente sous l'influence d'un champ électrique (voir Fig. 9). Le nombre de porteurs de charge gratuits change en conséquence - de la destruction complète à la saturation extrême. En raison de cet effet sur la grille, le courant au niveau des électrodes de drain (contacts qui délivrent le courant traité) est régulé. Le courant entrant traverse les contacts sources.

Graphique 9. Transistor à effet de champ avec jonction p-n

Les triodes de champ avec canal intégré et induit fonctionnent selon un principe similaire. Vous avez vu leurs diagrammes dans la figure 5.

Circuits de connexion à transistors à effet de champ

En pratique, les schémas de connexion sont utilisés par analogie avec une triode bipolaire :

• avec une source commune - produit un gain important de courant et de puissance ;
• les circuits à porte commune offrent une faible impédance d'entrée et un gain négligeable (ont une utilisation limitée) ;
• circuits à drain commun qui fonctionnent de la même manière que les circuits à émetteur commun.

La figure 10 montre divers schémas inclusions.

Riz. 10. Image des schémas de connexion des triodes de champ

Presque tous les circuits sont capables de fonctionner à de très faibles tensions d’entrée.

Vidéos expliquant le principe de fonctionnement du transistor dans un langage simple

Si l'on considère les analogues mécaniques, le fonctionnement des transistors ressemble au principe de fonctionnement d'une direction assistée hydraulique dans une voiture. Mais la similitude n’est valable qu’en première approximation, puisque les transistors n’ont pas de valves. Dans cet article, nous examinerons séparément le fonctionnement d'un transistor bipolaire.

Dispositif à transistor bipolaire

La base du dispositif à transistor bipolaire est un matériau semi-conducteur. Les premiers cristaux semi-conducteurs pour transistors étaient fabriqués à partir de germanium ; aujourd'hui, le silicium et l'arséniure de gallium sont plus souvent utilisés. Tout d’abord, un matériau semi-conducteur pur avec un réseau cristallin bien ordonné est produit. Puis ils attachent le formulaire requis cristal et une impureté particulière est introduite dans sa composition (le matériau est dopé), ce qui lui donne certaines propriétés conductivité électrique. Si la conductivité est due au mouvement d’électrons en excès, elle est définie comme donneur de type n (électronique). Si la conductivité d'un semi-conducteur est due au remplacement séquentiel de positions vacantes, appelées trous, par des électrons, alors cette conductivité est appelée accepteur (trou) et est désignée conductivité de type p.

Graphique 1.

Le cristal du transistor se compose de trois parties (couches) avec alternance séquentielle de type de conductivité (n-p-n ou p-n-p). Les transitions d’une couche à une autre forment des barrières potentielles. La transition de la base à l’émetteur s’appelle émetteur(EP), au collectionneur – collectionneur(KP). Sur la figure 1, la structure du transistor est représentée comme symétrique et idéalisée. En pratique, lors de la production, les tailles des zones sont nettement asymétriques, approximativement comme le montre la figure 2. La surface de la jonction du collecteur est nettement plus grande que celle de la jonction de l'émetteur. La couche de base est très fine, de l'ordre de plusieurs microns.

Graphique 2.

Principe de fonctionnement d'un transistor bipolaire

Toute jonction p-n d'un transistor fonctionne de la même manière. Lorsqu’une différence de potentiel est appliquée à ses pôles, elle est « déplacée ». Si la différence de potentiel appliquée est conditionnellement positive et que la jonction pn s'ouvre, la jonction est dite polarisée en direct. Lorsqu'une différence de potentiel conditionnellement négative est appliquée, une polarisation inverse de la jonction se produit, à laquelle elle est verrouillée. Une caractéristique du fonctionnement du transistor est qu'avec une polarisation positive d'au moins une transition, la zone générale, appelée base, est saturée d'électrons ou de lacunes électroniques (selon le type de conductivité du matériau de base), ce qui provoque une réduction significative de la barrière de potentiel de la deuxième transition et, par conséquent, de sa conductivité en polarisation inverse.

Modes de fonctionnement

Tous les circuits de connexion de transistors peuvent être divisés en deux types : normale Et inverse.

Graphique 3.

Circuit de commutation à transistor normal implique de modifier la conductivité électrique de la jonction collectrice en contrôlant la polarisation de la jonction émetteur.

Schéma inverse, contrairement à la normale, vous permet de contrôler la conductivité de la jonction émetteur en contrôlant la polarisation de la jonction collecteur. Le circuit inverse est un analogue symétrique du circuit normal, mais en raison de l'asymétrie structurelle du transistor bipolaire, son utilisation est inefficace et comporte des restrictions plus strictes sur le maximum. paramètres acceptables et n'est pratiquement pas utilisé.

Avec n'importe quel schéma de connexion, le transistor peut fonctionner dans trois modes: Mode coupure, mode actif Et mode saturation.

Pour décrire le travail, la direction du courant électrique dans cet article est classiquement considérée comme la direction des électrons, c'est-à-dire du pôle négatif de l'alimentation au pôle positif. Utilisons pour cela le diagramme de la figure 4.

Graphique 4.

Mode coupure

Pour la jonction p-n, il existe une valeur tension minimale polarisation directe, à laquelle les électrons sont capables de surmonter la barrière potentielle de cette transition. Autrement dit, à une tension de polarisation directe allant jusqu'à cette valeur seuil, aucun courant ne peut traverser la jonction. Pour les transistors au silicium, la valeur de ce seuil est d'environ 0,6 V. Ainsi, avec un circuit de commutation normal, lorsque la polarisation directe de la jonction de l'émetteur ne dépasse pas 0,6 V (pour les transistors au silicium), aucun courant ne traverse la base, il est non saturé d'électrons et, par conséquent, il n'y a pas d'émission d'électrons de base dans la région du collecteur, c'est-à-dire Il n'y a pas de courant de collecteur (zéro).

Ainsi, pour le mode de coupure une condition nécessaire sont les identités:

U ÊTRE<0,6 В

je B =0

Mode actif

En mode actif, la jonction émetteur est polarisée dans le sens direct jusqu'au moment du déverrouillage (le courant commence à circuler) avec une tension supérieure à 0,6 V (pour les transistors en silicium), et la jonction collecteur dans le sens inverse. Si la base a une conductivité de type p, les électrons sont transférés (injectés) de l'émetteur vers la base, qui sont instantanément répartis dans une fine couche de la base et atteignent presque tous la limite du collecteur. La saturation de la base en électrons entraîne une réduction significative de la taille de la jonction du collecteur, à travers laquelle les électrons, sous l'influence d'un potentiel négatif de l'émetteur et de la base, sont forcés dans la zone du collecteur, circulant à travers la borne du collecteur, ainsi provoquant le courant du collecteur. La couche très fine de la base limite son courant maximum traversant une très petite section en direction de la sortie de la base. Mais cette faible épaisseur de la base provoque sa saturation rapide en électrons. La zone de jonction est importante, ce qui crée les conditions d'écoulement d'un courant émetteur-collecteur important, des dizaines et des centaines de fois supérieur au courant de base. Ainsi, en faisant passer des courants insignifiants à travers la base, nous pouvons créer des conditions pour le passage de courants beaucoup plus importants à travers le collecteur. Plus le courant de base est élevé, plus sa saturation est importante et plus le courant du collecteur est important. Ce mode vous permet de contrôler (réguler) en douceur la conductivité de la jonction du collecteur en modifiant (régulant) en conséquence le courant de base. Cette propriété du mode actif du transistor est utilisée dans divers circuits amplificateurs.

En mode actif, le courant d'émetteur du transistor est la somme du courant de base et du collecteur :

Je E = Je K + Je B

Le courant du collecteur peut être exprimé comme suit :

Je K = α Je E

où α est le coefficient de transfert du courant de l'émetteur

A partir des égalités ci-dessus, nous pouvons obtenir ce qui suit :

où β est le facteur d'amplification du courant de base.

Mode saturation

La limite d'augmentation du courant de base jusqu'au moment où le courant du collecteur reste inchangé détermine le point de saturation maximale de la base en électrons. Une augmentation supplémentaire du courant de base ne modifiera pas le degré de saturation et n'affectera en aucune façon le courant du collecteur ; elle peut entraîner une surchauffe du matériau dans la zone de contact de la base et une défaillance du transistor ; Les données de référence pour les transistors peuvent indiquer les valeurs du courant de saturation et du courant de base maximal admissible, ou la tension de saturation émetteur-base et la tension émetteur-base maximale admissible. Ces limites déterminent le mode de saturation du transistor dans des conditions normales de fonctionnement.

Le mode de coupure et le mode de saturation sont efficaces lorsque les transistors fonctionnent comme des commutateurs électroniques pour commuter les circuits de signal et de puissance.

La différence dans le principe de fonctionnement des transistors de structures différentes

Le cas du fonctionnement d'un transistor n-p-n a été envisagé ci-dessus. Les transistors des structures PNP fonctionnent de la même manière, mais il existe des différences fondamentales que vous devez connaître. Un matériau semi-conducteur avec une conductivité accepteur de type P a un débit électronique relativement faible, car il est basé sur le principe de transition électronique d'un site vacant (trou) à un autre. Lorsque toutes les lacunes sont remplacées par des électrons, leur mouvement n'est possible que lorsque des lacunes apparaissent dans la direction du mouvement. Avec une surface importante d'un tel matériau, il aura une résistance électrique importante, ce qui entraîne des problèmes plus importants lorsqu'il est utilisé comme collecteur et émetteur le plus massif de transistors bipolaires p-n-p que lorsqu'il est utilisé dans une très fine couche de base de transistors n-p-n. Un matériau semi-conducteur avec une conductivité donneuse de type n possède les propriétés électriques des métaux conducteurs, ce qui le rend plus avantageux pour une utilisation comme émetteur et collecteur, comme dans les transistors n-p-n.

Cette particularité des différentes structures de transistors bipolaires entraîne de grandes difficultés dans la réalisation de paires de composants présentant des structures différentes et des caractéristiques électriques similaires les unes aux autres. Si vous faites attention aux données de référence pour les caractéristiques des paires de transistors, vous remarquerez que lorsque les mêmes caractéristiques sont obtenues pour deux transistors de types différents, par exemple KT315A et KT361A, malgré leur puissance de collecteur identique (150 mW) et environ le même gain de courant (20-90), ils ont des courants de collecteur maximaux admissibles différents, des tensions émetteur-base, etc.

P.S. Cette description du principe de fonctionnement du transistor a été interprétée du point de vue de la théorie russe, il n'y a donc aucune description de l'action des champs électriques sur des charges positives et négatives fictives. La physique russe permet d'utiliser des modèles mécaniques plus simples et compréhensibles, plus proches de la réalité que les abstractions sous forme de champs électriques et magnétiques, de charges positives et électriques, que l'école traditionnelle nous refile traîtreusement. Pour cette raison, je ne recommande pas d'utiliser la théorie énoncée sans analyse et compréhension préalables lors de la préparation des tests, des cours et d'autres types de travaux ; vos professeurs peuvent tout simplement ne pas accepter la dissidence, même compétitive et tout à fait cohérente du point de vue commun ; sens et logique. De plus, de ma part, il s'agit de la première tentative de décrire le fonctionnement d'un dispositif semi-conducteur du point de vue de la physique russe, elle pourra être affinée et complétée à l'avenir.

Voici comment fonctionne une diode

C'est une chose tellement astucieuse qui fait passer le courant dans une seule direction. Cela peut être comparé à un mamelon. Il est utilisé par exemple dans les redresseurs, lorsque le courant alternatif est converti en courant continu. Ou lorsque vous devez séparer la tension inverse de la tension directe. Regardez le circuit du programmateur (où il y avait un exemple avec un diviseur). Vous voyez qu'il y a des diodes, pourquoi pensez-vous ? C'est simple. Pour un microcontrôleur, les niveaux logiques sont de 0 et 5 volts, et pour le port COM, un est de moins 12 volts et zéro est de plus 12 volts. La diode coupe donc ce moins 12, formant 0 volt. Et comme la conductivité de la diode dans le sens direct n'est pas idéale (elle dépend généralement de la tension directe appliquée ; plus elle est élevée, mieux la diode conduit le courant), alors sa résistance chutera d'environ 0,5 à 0,7 volts, le reste étant divisé en deux par les résistances, sera d'environ 5,5 volts, ce qui est dans les limites normales du contrôleur.
Les fils de la diode sont appelés anode et cathode. Le courant circule de l’anode vers la cathode. Il est très simple de se rappeler où se trouve chaque sortie : sur le symbole il y a une flèche et un bâton sur le côté À c'est comme dessiner une lettre À ici, regarde - À|—. K=Cathode ! Et sur la partie la cathode est indiquée par une bande ou un point.

Il existe un autre type de diode intéressant : diode Zener. Je l'ai utilisé dans l'un des articles précédents. Sa particularité est que dans le sens direct, elle fonctionne comme une diode ordinaire, mais dans le sens inverse, elle se brise à une certaine tension, par exemple 3,3 volts. Semblable à la vanne de limitation d'une chaudière à vapeur, qui s'ouvre lorsque la pression est dépassée et libère l'excès de vapeur. Les diodes Zener sont utilisées lorsqu'elles souhaitent obtenir une tension d'une valeur donnée, quelles que soient les tensions d'entrée. Il peut s'agir, par exemple, d'une valeur de référence à laquelle le signal d'entrée est comparé. Ils peuvent couper le signal entrant à la valeur souhaitée ou l'utiliser comme protection. Dans mes circuits, j'utilise souvent une diode Zener de 5,5 volts pour alimenter le contrôleur, de sorte que si quelque chose se produit, si la tension saute soudainement, cette diode Zener évacuera l'excédent par elle-même. Il existe également une bête comme suppresseur. La même diode Zener, mais en beaucoup plus puissante et souvent bidirectionnelle. Utilisé pour la protection de l'alimentation.

Transistor.

C’est une chose terrible, quand j’étais enfant, je ne comprenais pas comment cela fonctionnait, mais cela s’est avéré simple.
En général, un transistor peut être comparé à une vanne contrôlée, où, avec un infime effort, nous contrôlons un débit puissant. Il tourna un peu la poignée et des tonnes de merde se précipitèrent dans les tuyaux, il l'ouvrit plus fort et maintenant tout autour se noyait dans les eaux usées. Ceux. La sortie est proportionnelle à l'entrée multipliée par une certaine valeur. Cette valeur est le gain.
Ces appareils sont divisés en champs et bipolaires.
Un transistor bipolaire a émetteur, collectionneur Et base(voir photo du symbole). L'émetteur a une flèche, la base est désignée comme une zone droite entre l'émetteur et le collecteur. Il y a un courant de charge utile important entre l'émetteur et le collecteur, la direction du courant est déterminée par la flèche sur l'émetteur. Mais entre la base et l'émetteur il y a un petit courant de commande. En gros, l'amplitude du courant de commande affecte la résistance entre le collecteur et l'émetteur. Les transistors bipolaires sont de deux types : p-n-p Et n-p-n la différence fondamentale réside uniquement dans la direction du courant qui les traverse.

Un transistor à effet de champ diffère d'un transistor bipolaire en ce sens que la résistance du canal entre la source et le drain n'est pas déterminée par le courant, mais par la tension à la grille. Récemment, les transistors à effet de champ ont gagné en popularité (tous les microprocesseurs sont construits dessus), car les courants qui y circulent sont microscopiques, la tension joue un rôle décisif, ce qui signifie que les pertes et la génération de chaleur sont minimes.

Bref, le transistor permettra de recevoir un signal faible, venant par exemple de la patte d'un microcontrôleur, . Si le gain d'un transistor n'est pas suffisant, ils peuvent alors être connectés en cascade - les uns après les autres, de plus en plus puissants. Et parfois, un puissant homme de terrain suffit MOSFET transistor. Regardez, par exemple, comment l'alerte vibratoire est contrôlée dans les circuits des téléphones portables. Là, la sortie du processeur va au portail d'alimentation MOSFET clé

L'électronique nous entoure partout. Mais presque personne ne pense à la façon dont tout cela fonctionne. C'est en fait assez simple. C’est exactement ce que nous allons essayer de montrer aujourd’hui. Commençons par un élément aussi important que le transistor. Nous vous dirons de quoi il s'agit, à quoi il sert et comment fonctionne le transistor.

Qu'est-ce qu'un transistor ?

Transistor– un dispositif semi-conducteur conçu pour contrôler le courant électrique.

Où sont utilisés les transistors ? Oui partout ! Presque aucun circuit électrique moderne ne peut se passer de transistors. Ils sont largement utilisés dans la production de matériel informatique, audio et vidéo.

Des moments où Les microcircuits soviétiques étaient les plus grands au monde, sont passés et la taille des transistors modernes est très petite. Ainsi, les plus petits appareils ont une taille de l’ordre du nanomètre !

Préfixe nano- désigne une valeur de l'ordre de dix à la puissance moins neuvième.

Cependant, il existe également des spécimens géants utilisés principalement dans les domaines de l’énergie et de l’industrie.

Il existe différents types de transistors : bipolaires et polaires, à conduction directe et inverse. Toutefois, le fonctionnement de ces appareils repose sur le même principe. Un transistor est un dispositif semi-conducteur. Comme on le sait, dans un semi-conducteur, les porteurs de charge sont des électrons ou des trous.

La région avec un excès d'électrons est indiquée par la lettre n(négatif), et la région avec une conductivité de trou est p(positif).

Comment fonctionne un transistor ?

Pour que tout soit très clair, regardons le travail transistor bipolaire (le type le plus populaire).

(ci-après simplement appelé transistor) est un cristal semi-conducteur (le plus souvent utilisé silicium ou germanium), divisé en trois zones de conductivités électriques différentes. Les zones sont nommées en conséquence collectionneur, base Et émetteur. Le dispositif du transistor et sa représentation schématique sont représentés dans la figure ci-dessous

Transistors à conduction directe et inverse séparés. Les transistors PNP sont appelés transistors à conduction directe et les transistors nPN sont appelés transistors à conduction inverse.

Parlons maintenant des deux modes de fonctionnement des transistors. Le fonctionnement du transistor lui-même est similaire au fonctionnement d'un robinet ou d'une vanne d'eau. Seulement, à la place de l'eau, il y a du courant électrique. Il existe deux états possibles du transistor : l'état de fonctionnement (transistor ouvert) et l'état de repos (transistor fermé).

Qu'est-ce que ça veut dire? Lorsque le transistor est bloqué, aucun courant ne le traverse. À l'état ouvert, lorsqu'un petit courant de commande est appliqué à la base, le transistor s'ouvre et un courant important commence à circuler à travers l'émetteur-collecteur.

Processus physiques dans un transistor

Et maintenant, pourquoi tout se passe ainsi, c'est-à-dire pourquoi le transistor s'ouvre et se ferme. Prenons un transistor bipolaire. Qu'il en soit ainsi n-p-n transistor.

Si vous connectez une source d'alimentation entre le collecteur et l'émetteur, les électrons du collecteur commenceront à être attirés vers le positif, mais il n'y aura pas de courant entre le collecteur et l'émetteur. Ceci est entravé par la couche de base et la couche émettrice elle-même.

Si vous connectez une source supplémentaire entre la base et l'émetteur, les électrons de la région n de l'émetteur commenceront à pénétrer dans la région de base. En conséquence, la zone de base sera enrichie d'électrons libres, dont certains se recombineront avec des trous, certains circuleront vers le plus de la base et certains (la plupart) iront vers le collecteur.

Ainsi, le transistor s'avère ouvert et le courant émetteur-collecteur y circule. Si la tension de base augmente, le courant collecteur-émetteur augmentera également. De plus, avec un léger changement dans la tension de commande, une augmentation significative du courant traversant le collecteur-émetteur est observée. C'est sur cet effet que repose le fonctionnement des transistors dans les amplificateurs.

Voilà, en un mot, l’essence même du fonctionnement des transistors. Besoin de calculer un amplificateur de puissance à l'aide de transistors bipolaires pendant la nuit, ou de réaliser des travaux en laboratoire pour étudier le fonctionnement d'un transistor ? Ce n'est pas un problème, même pour un débutant, si vous faites appel à nos spécialistes du service aux étudiants.

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Un transistor est un dispositif qui fonctionne sur des semi-conducteurs à remplissage électronique. Il est conçu pour transformer et amplifier les signaux électriques. Il existe deux types de dispositifs : un transistor unipolaire ou un transistor à effet de champ.

Si deux types de porteurs de charge fonctionnent simultanément dans un transistor : les trous et les électrons, on parle alors de bipolaire. Si un seul type de charge opère dans un transistor, alors il est unipolaire.

Imaginez le fonctionnement d'un robinet d'eau ordinaire. Tournez la vanne - le débit d'eau a augmenté, tournez-la dans l'autre sens - le débit a diminué ou s'est arrêté. En pratique, c'est le principe de fonctionnement d'un transistor. Seulement, au lieu de l'eau, un flux d'électrons le traverse. Le principe de fonctionnement d'un transistor bipolaire se caractérise par le fait que deux types de courant circulent à travers ce dispositif électronique. Ils sont divisés en grands, ou principaux, et petits, ou gestionnaires. De plus, la puissance du courant de commande affecte la puissance du courant principal. Considérons que le principe de son fonctionnement est différent des autres. Un seul le traverse, ce qui dépend de l'environnement.

Un transistor bipolaire est constitué de 3 couches de semi-conducteur et aussi, surtout, de deux jonctions PN. Il faut distinguer les jonctions PNP et NPN, et donc les transistors. Ces semi-conducteurs alternent entre la conductivité des électrons et celle des trous.

Un transistor bipolaire possède trois contacts. Il s'agit de la base, du contact sortant de la couche centrale et de deux électrodes sur les bords : l'émetteur et le collecteur. Comparée à ces électrodes externes, la couche de base est très fine. Aux bords du transistor, la région semi-conductrice n’est pas symétrique. Pour un bon fonctionnement de cet appareil, la couche semi-conductrice située côté collecteur doit être légèrement, mais plus épaisse par rapport au côté émetteur.

Les principes de fonctionnement d'un transistor reposent sur des processus physiques. Travaillons avec le modèle PNP. Le fonctionnement du modèle NPN sera similaire, à l'exception de la polarité de tension entre les éléments de base tels que le collecteur et l'émetteur. Il sera dirigé dans la direction opposée.

Une substance de type P contient des trous ou des ions chargés positivement. La substance de type N est constituée d’électrons chargés négativement. Dans le transistor considéré, le nombre de trous dans la région P est bien supérieur au nombre d’électrons dans la région N.

Lorsqu'une source de tension est connectée entre des pièces telles que l'émetteur et le collecteur, les principes de fonctionnement du transistor sont basés sur le fait que les trous commencent à être attirés vers le pôle et à se rassembler à proximité de l'émetteur. Mais le courant ne passe pas. Le champ électrique de la source de tension n'atteint pas le collecteur en raison de la couche épaisse du semi-conducteur émetteur et de la couche semi-conductrice de base.
Ensuite, nous connecterons la source de tension avec une combinaison différente d'éléments, à savoir entre la base et l'émetteur. Les trous sont désormais dirigés vers la base et commencent à interagir avec les électrons. La partie centrale de la base est saturée de trous. En conséquence, deux courants se forment. Grand - de l'émetteur au collecteur, petit - de la base à l'émetteur.

À mesure que la tension dans la base augmente, il y aura encore plus de trous dans la couche N, le courant de base augmentera et le courant de l'émetteur augmentera légèrement. Cela signifie qu'avec un petit changement dans le courant de base, le courant de l'émetteur augmente assez sérieusement. En conséquence, nous obtenons une augmentation du signal dans le transistor bipolaire.

Considérons les principes de fonctionnement d'un transistor en fonction de ses modes de fonctionnement. Il existe un mode actif normal, un mode de saturation active inverse et un mode de coupure.
Lorsque le mode de fonctionnement est actif, la jonction émetteur est ouverte et la jonction collecteur est fermée. En mode inversion, tout se passe dans l'autre sens.