Транзистор — это полупроводниковый прибор. Он может усиливать электрические сигналы, а также включать и выключать их. Его можно сравнить с выключателем. Небольшое движение может управлять гораздо большим потоком электричества. Транзисторы работают как переключатели и усилители. Они позволяют управлять большими токами или напряжениями с помощью крошечного сигнала. Эти малые детали повсюду. Для работы вашего телефона и компьютера требуются миллиарды транзисторов.
процессор | Оценка количества транзисторов |
|---|---|
Apple, A17 | Примерно в два раза больше, чем у Kirin 9000 |
Kirin Hisilicon 9000 | Меньше транзисторов, чем у Apple A17 |
Что такое транзистор
Определение
Транзистор работает как крошечный вентиль в электронике. Он помогает управлять движением электричества в цепи. Это устройство может усиливать сигналы, а также включать и выключать их. Внутри транзистора три слоя из полупроводникового материала. Эти слои… настроен как PNP или NPNСредний слой — управляющий. Изменение входного сигнала здесь приводит к изменению тока в других слоях.
Транзисторы состоят из трех основных частей:
Излучатель
Система исчисления
Коллектор
Небольшое напряжение или ток на базе управляет большим током между эмиттером и коллектором. Вот почему транзисторы настолько важны в электронике. Их можно найти практически в каждом современном устройстве.
Совет: Представьте себе транзистор как своего рода привратника. Слабый сигнал сообщает ему, когда следует увеличить ток.
Транзисторы могут усиливать сигнал. Выходная мощность может значительно превышать входную. Именно поэтому в радиоприемниках, компьютерах и телефонах используются транзисторы.
Транзистор использует полупроводниковый материал.
Он имеет три клеммы для подключения к цепи.
Легирование изменяет полупроводник таким образом, что транзистор работает правильно.
Роль в схемах
Транзисторы выполняют множество функций в аналоговых и цифровых схемах. Они могут усиливать сигналы, коммутировать токи и создавать логические вентили. В аналоговых схемах транзисторы усиливают слабые сигналы. Например, в динамиках транзисторы используются для увеличения громкости музыки. В цифровых схемах транзисторы работают как переключатели. Они включают и выключают сигналы, позволяя компьютерам обрабатывать информацию.
Вот таблица, показывающая работу транзисторов в различных типах цепей:
Тип цепи | Основные роли транзисторов | Примеры приложений |
|---|---|---|
Аналоговый | Усиление | Аудиоусилители, радиопередатчики |
фильтрация | Схемы фильтрации сигналов | |
Модуляция | AM/FM-передача | |
Digital | Логические ворота | И, ИЛИ, НЕ вентили |
Переключение | Контроллеры двигателей, микропроцессоры |
Транзисторы кардинально изменили электронику. Раньше люди использовали электронные лампы. Эти лампы были большими и потребляли много энергии. Когда в лабораториях Белла в 1947 году был изобретён транзистор, схемы стали меньше и работали лучше. Теперь же интегральные схемы состоят из множества транзисторов, расположенных вместе. Это сделало возможными компьютеры, смартфоны и космические полёты.
Примечание: Лунный модуль «Аполлона-11» был оснащен интегральными схемами на транзисторах. Это помогло астронавтам безопасно приземлиться на Луну.
Транзисторы помогают сделать устройства быстрыми, компактными и энергоэффективными. Транзисторы используются, когда вы работаете с калькулятором, слушаете музыку или отправляете текстовые сообщения.
Как работают транзисторы
Функция переключения
Транзисторы есть во многих вещах, которыми вы пользуетесь каждый день. Вы их не видите, но они есть. Они действуют как крошечные переключатели в ваших устройствах. Когда вы нажимаете кнопку на телефоне, транзисторы включают и выключают устройства. Представьте себе транзистор как кран. Если открыть кран, течёт вода. Если закрыть кран, вода перестаёт течь. В электронике транзисторы управляют движением тока так же, как кран управляет водой.
Транзисторы работают как переключатели двумя основными способами. Один из них называется режимом отсечки. В этом режиме транзистор подобен разомкнутому переключателю. Ток между коллектором и эмиттером отсутствует. Другой способ называется режимом насыщения. В этом режиме транзистор подобен замкнутому переключателю. Большая часть тока протекает через него. Этот режим включения и выключения позволяет управлять электрическими сигналами в цепях.
Совет: Транзисторы могут переключаться очень быстро и практически бесшумно. Именно поэтому в новой электронике их используют вместо старых переключателей.
Вот несколько реальных мест, где транзисторы действуют как переключатели:
Компьютерные процессоры используют их для очень быстрого переключения.
Они помогают управлять реле в автомобилях и бытовых приборах.
Транзисторные переключатели небольшие, легкие и дешевые, поэтому их можно встретить практически в каждом устройстве.
Если вы подаете небольшое напряжение на базу NPN-транзистор, он включается. Тогда ток может течь. Если снять напряжение, транзистор закроется. Это позволяет управлять большими токами малыми сигналами.
Функция усилителя
Транзисторы также могут усиливать слабые сигналы. Их можно использовать в качестве усилителей. Например, когда вы слушаете музыку, транзисторы усиливают звук, чтобы вы могли его услышать. В радиоприёмнике транзисторы усиливают сигнал антенны настолько, чтобы его можно было услышать.
Слабый сигнал поступает на базу или затвор транзистора. Этот слабый сигнал управляет большим током от коллектора к эмиттеру. Выходной сигнал становится достаточно сильным для подключения динамиков или наушников. Это можно увидеть в гитарных педалях. Один транзистор делает звук слабой гитары громче.
Примечание: Для работы транзистора в качестве усилителя необходимо правильное напряжение. Это называется смещением. Напряжение между базой и эмиттером кремниевых транзисторов должно быть около 0.6–0.7 В. Напряжение между коллектором и эмиттером должно быть достаточно высоким для обеспечения амплитуды сигнала.
Ниже приведена таблица, показывающая диапазон усиления для усилителя с общим эмиттером:
Тип усиления | Минимальный выигрыш | Максимальное усиление |
|---|---|---|
Усилитель общего эмиттера | -5.32 | -218 |
Транзисторы используются в аудиооборудовании, где они усиливают сигналы микрофона, не добавляя шума. Они также помогают регулировать тембр, позволяя регулировать низкие, средние и высокие частоты.
Текущий контроль
Транзисторы помогают контролировать силу тока в цепи. Они используются для управления током между различными частями устройства. Каждый транзистор имеет три вывода. Для биполярного транзистора это эмиттер, база и коллектор. Для полевого транзистора это исток, затвор и сток.
Вот как транзисторы управляют током и напряжением:
Вы подаете небольшой ток на базу биполярного транзистора или напряжение на затвор полевого транзистора.
Этот небольшой вход управляет гораздо большим током от коллектора к эмиттеру или от стока к истоку.
Изменяя входной сигнал, можно включать и выключать транзистор, подобно тому, как вы поворачиваете кран, чтобы управлять водой.
Совет: Связь между током базы и током коллектора в биполярном транзисторе важна. Небольшой ток базы может управлять гораздо большим током коллектора. Это называется усилением и показывает, как транзисторы управляют сигналами.
Транзисторы работают на основе полупроводниковых материалов. Полупроводники позволяют эффективно управлять напряжением и током. Это можно увидеть в компьютерах, телефонах и даже в космических приборах.
Используя транзисторы, можно управлять напряжением и током различными способами. Можно коммутировать сигналы, усиливать их или управлять мощностью в цепи. Это делает транзисторы основными компонентами современной электроники.
Детали транзистора
Основные компоненты оборудования
Каждый транзистор имеет три основные частиКаждая часть выполняет важную функцию. Вместе эти части обеспечивают передачу электроэнергии в устройствах.
Компонент | Описание |
|---|---|
Излучатель | Испускает электроны, имеет много легирующих примесей, изготовлен из меди или алюминия. |
Система исчисления | Управляет потоком, имеет мало легирующих примесей, позволяет электронам перемещаться от эмиттера к коллектору. |
Коллектор | Собирает электроны, большего размера, чем эмиттер и база, имеет некоторое легирование, изготовлен из кремния или алюминия. |
Эмиттер испускает электроны или дырки. База тонкая и контролирует поток. Через базу может проходить лишь небольшое количество носителей заряда. Коллектор принимает электроны или дырки от эмиттера. Размер и материал каждой детали влияют на эффективность работы транзистора. При использовании транзистора в качестве переключателя база определяет, будет ли ток течь от эмиттера к коллектору. В качестве усилителя слабый сигнал на базе создаёт больший сигнал на коллекторе.
Совет: от того, как вы настроите эти детали и из чего они сделаны, зависит, будет ли транзистор работать как переключатель или как усилитель.
Полупроводниковый материал
Транзисторы используют специальные материалы, называемые полупроводниками. Эти материалы помогают контролировать электричество. Кремний — самый распространённый полупроводник. Кремний можно найти практически в каждом электронном устройстве, потому что он дешёвый и надёжный.
Вот некоторые материалы, используемые для транзисторов:
Германий впервые был использован в полупроводниках.
Кремний приобрел популярность в 1950-х годах, поскольку его было легче найти и он работал лучше.
Арсенид галлия используется в быстрой электронике, но его сложно производить.
Кремний хорош тем, что хорошо выдерживает тепло и его легко получить. Германий использовался в первых транзисторах, но легко плавится и нестабилен. Арсенид галлия лучше подходит для очень быстрых цепей, например, в спутниках или вышках сотовой связи.
Выбранный вами материал влияет на скорость и качество работы вашего транзистора. Материалы с высокой подвижностью позволяют заряду быстро перемещаться, что позволяет устройствам работать быстрее. Некоторые новые материалы, например, магнитные полупроводники, могут даже хранить память внутри транзистора.
Примечание: выбранный вами тип полупроводника может сделать устройства быстрее, компактнее и мощнее.
Типы транзисторов
Транзисторы бывают разных форм и типов. В большинстве электронных устройств используются два основных типа. Каждый тип выполняет свою функцию. Знакомство с ними поможет вам понять, как работают устройства.
BJT
Один из основных типов — это биполярный переходной транзистор. Для краткости его называют биполярным плоскостным транзистором (БПТ). Этот транзистор использует электроны и дырки для передачи тока. Управление им осуществляется посредством подачи небольшого тока на базу. Биполярные плоскостные транзисторы хороши для усиления слабых сигналов. Они также помогают включать и выключать устройства.
Вот таблица с важными характеристиками биполярных транзисторов:
Характеристика | Описание |
|---|---|
Ток отсечки коллектора (ICBO) | Ток в коллекторе при наличии напряжения и открытом эмиттере. |
Ток отсечки эмиттера (IEBO) | Ток в эмиттере при наличии напряжения и открытом коллекторе. |
Коэффициент усиления постоянного тока (hFE) | Ток коллектора, деленный на ток базы, когда эмиттер заземлен. |
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (VCE(sat)) | Напряжение при насыщении транзистора при определенных условиях. |
Напряжение насыщения база-эмиттер (VBE(sat)) | Напряжение между базой и эмиттером при насыщении при определенных условиях. |
Частота перехода (fT) | Частота, на которой коэффициент усиления по току равен 1 при заземленном эмиттере. |
Выходная емкость коллектора (Коб) | Емкость коллектор-база, измеренная при определенных условиях. |
Коэффициент шума (NF) | Соотношение сигнал/шум на входе и выходе, найденное по формуле. |
BJT можно увидеть во многих местах:
Усилители
Осцилляторы
Низковольтное переключение
Усилитель с общим коллектором (эмиттерный повторитель)
Усилитель с общим эмиттером
Усилитель с общей базой
Схема переключения
Совет: Если вы хотите сделать простой усилитель, вы, вероятно, будете использовать биполярный транзистор.
FET
Другой основной тип транзисторов — полевые транзисторы. Они управляются напряжением. Полевые транзисторы используют только один тип носителей заряда. Они потребляют меньше энергии, чем биполярные транзисторы. Полевые транзисторы используются в цифровых схемах и логических вентилях.
Вот таблица, в которой сравниваются полевые транзисторы и биполярные транзисторы:
Характеристика | Полевые транзисторы | BJT |
|---|---|---|
Тип управления | Управляемое напряжение | Текущий контролируемый |
Текущее усиление | Низкий | Высокий |
Усиление напряжения | Высокий | Низкий |
Скорость переключения | Быстрый | Средний |
потребляемая мощность | Низкий | Высокий |
Температурный коэффициент | Положительный | Отрицательный |
Размер | Меньшие | больше |
Входное сопротивление | Высокий | Низкий |
Области применения | Низковольтные приложения | Слаботочные приложения |
Стоимость производства | Высокая | Низкая |
Существует два распространённых типа полевых транзисторов:
Тип полевого транзистора | Описание | Типичное использование |
|---|---|---|
JFET | Простой полевой транзистор с каналом, управляемым затвором, выполненным из p-n-перехода. | Используется в усилителях и переключателях из-за высокого входного сопротивления. |
МОП-транзистор | Наиболее используемый полевой транзистор с изолированным затвором для управления малой мощностью. | Встречается в цифровых схемах, силовой электронике и логических вентилях. |
Примечание: Полевые транзисторы помогают вашим устройствам работать быстрее и потреблять меньше энергии. Их можно найти в компьютерах, телефонах и автомобилях.
У каждого типа транзистора своя задача. Некоторые лучше всего подходят для усиления сигналов. Другие — для быстрого переключения. Понимание различий поможет вам выбрать подходящий транзистор для вашего проекта.
Важность транзисторов
Влияние на технологии
Транзисторы изменили мир, в котором вы живёте. Эти крошечные устройства улучшили технологии и упростили их использование. Создание учёными первого транзистора в 1947 году положило начало множеству новых идей. До появления транзисторов люди использовали электронные лампы. Электронные лампы были большими и часто ломались. Благодаря транзисторам электронные устройства стали компактнее и надёжнее.
Транзисторы помогли сделать электронные устройства гораздо меньше. Благодаря им теперь есть компьютеры, смартфоны и умные часы.
Цифровая эпоха началась с транзисторов. Они позволили нам хранить и использовать огромные объёмы информации.
Транзисторы пришли на смену электронным лампам. Это улучшило ситуацию в сфере связи, развлечений, здравоохранения и науки.
Искусственному интеллекту и Интернету вещей необходимы транзисторы. Эти области продолжают развиваться по мере того, как транзисторы становятся меньше и мощнее.
Вы можете увидеть, как транзисторы изменили мир, посмотрев на эти важные события:
Год | Вехи | Описание |
|---|---|---|
1947 | Первый транзистор | Ученые Bell Labs создали первый рабочий транзистор. |
1955 | Пассивация поверхности | Это позволило изготовить множество интегральных схем. |
1959 | Первый МОП-транзистор | Теперь на одном кристалле можно было разместить тысячи транзисторов. |
1963 | Изобретение КМОП | Это помогло создать компьютерные чипы и память для компьютеров. |
Повседневное использование
Вы используете транзисторы постоянно, даже если не замечаете этого. Они есть практически в каждом электронном устройстве дома или в школе. Вот несколько примеров:
В чипах компьютеров находятся миллионы и миллиарды транзисторов.
Смартфоны используют транзисторы для быстрой работы и сохранения ваших фотографий и приложений.
Телевизорам нужны транзисторы для усиления сигналов и переключения каналов.
В радиоприемниках транзисторы используются для усиления звука и облегчения выбора станций.
В датчиках и микросхемах цифровых камер используются транзисторы.
Современные микросхемы могут содержать миллиарды транзисторов. В некоторых новых микросхемах их число превышает 60 миллиардов. транзисторы в процессоре может составлять миллионы или миллиарды, в зависимости от того, для чего он используется.
Каждый раз, когда вы пишете сообщение, смотрите видео или играете в игру, вы используете транзисторы. Эти маленькие детали обеспечивают работу ваших любимых устройств.
Транзисторы меняют вашу жизнь во многих отношениях. Вы найдете их в каждом цифровом устройстве, которым пользуетесь.
Транзисторы помогают компьютерам работать, быстро включаясь и выключаясь.
Они усиливают слабые сигналы, благодаря чему вы можете лучше слышать музыку или голоса.
Они обеспечивают безопасность электропитания во многих машинах.
Они преобразуют заряд батареи в энергию, которую вы можете использовать.
Транзисторы помогают сделать устройства компактнее и быстрее. Они также повышают их эффективность.
Они положили начало цифровой эпохе и способствовали развитию технологий в медицине, коммуникациях и повседневной жизни.
Когда вы пользуетесь телефоном или компьютером, помните, что транзисторы обеспечивают его работу.
FAQ
Какую функцию выполняет транзистор в вашем телефоне?
Транзистор позволяет вашему телефону обрабатывать информацию и хранить данные. Он очень быстро включает и выключает сигналы. Транзисторы используются каждый раз, когда вы открываете приложение или отправляете сообщение.
Почему транзисторы делают устройства меньше?
Транзисторы занимают меньше места, чем старые электронные лампы. Вы можете поместятся миллиарды из них на чипе. Это позволяет носить мощные устройства в кармане.
Можно ли найти транзисторы в повседневных предметах?
Да! Видишь? транзисторы в компьютерах, телевизоры, радиоприемники и даже игрушки. Они помогают этим устройствам работать лучше и потреблять меньше энергии.
Как узнать, работает ли транзистор?
Вы можете проверить транзистор мультиметром. Если напряжение между клеммами соответствует норме, транзистор исправен. Если нет, возможно, его необходимо заменить.
В чем разница между биполярным транзистором и полевым транзистором?
Тип | Контролируется | Общего пользования |
|---|---|---|
BJT | Текущий | Усилители |
FET | Напряжение | Цифровые схемы |
Совет: Биполярный транзистор (БПТ) выбирается для сильных сигналов, а полевой транзистор — для быстрого переключения.
