Транзисторлар және олардың түрлері

 

 

 

 

Жоспары:

1. Кіріспе
2. Транзисторлар, олардың түрлері
3. Өрістік және биполярлы транзисторлар
4. Жұмыс істеу принципі
5. Қорытынды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Транзисторлар және олардың  түрлері

Транзистор (ағылш. transfer — тасымалдау және resistor — кедергіш) — токты күшейтуге, түрлендіруге арналған үш электродты жартылай өткізгіш құрал. Транзисторға жіберілген аз ток (кернеу) үлкен ток ағынын басқарады.

Транзистор — электр тербелістерін күшейтуге, оны тудыруға және түрлендіруге арналып жартылай өткізгіш кристалл негізінде жасалған электрондық прибор.Электрондық лампа сияқты қызмет атқаратын транзисторлар одан өлшемінің едәуір кішілігімен, электр энергиясын тұтынудағы аса үнемділігімен, механикалық аса беріктігімен және бүлінбей ұзақ жұмыс істейтіндігімен, бірден әсер етуге әзірлігімен ерекшеленеді. Радиолампа орнына қолданылатын жартылай өткізгіш аспаптар (транзисторлар) негізінде жасалған өте кішкентай радиоқабылдағыштарды көбінесе транзисторлар деп дұрыс атамайды; оның дұрыс атауы — транзисторлы қабылдағыш немесе транзистор негізінде жасалған қабылдағыш.

Ең бірінші транзистор алтын фольгасына оралған үшкір  пластиктен, аз мөлшерде германийден  тұратын. Көпшілік те, ғалымдар да бұл  нәрсенің қалай істейтінін түсіндіре  алмады, ол құрал арқылы тек радио  тыңдады.

Алғаш өріс эффектсіне негізделген  транзисторге патентті Канадада Julius Edgar Lilienfeld 1925 жылы 22 қазанда тіркеді. Бірақ ол өзінің құрылғысы туралы мәлімет таратпағандықтан, жетістігі ескерілмеді. Кейін, 1934 жылы неміс ғалымы Oskar Heil өріс эффектсіне негізделген басқа тразисторге патент алады.

1947 ж. желтоқсанның 16 Уильям Шокли (William Shockley), Джон Бардин (John Bardeen), Уолтер Брэттэйн (Walter Brattain) істейтін транзистор жасағандығы туралы хабарлады. Бұл кезде олар Bell Labs. -та істейтін еді.

Алғашқы жұмыс істейтін транзистордың  көшірмесі.

Bell Labs. патент алып, нарыққа  шығады. Бірақ Bell Labs. барлық қиындықтарды  жеңе алмай, 1952 жылы транзисторға патентті сатып жібереді. Сол уақыттан бері транзисторлар барлық жерде таралды.

 

Транзистор өрістік (униполярлы) және биполярлы деп бөлінеді.

Өрістік (арналық) транзистор – жұмыстық токтың өзгеруі кіріс сигналы тудыратын, оған перпендикуляр бағытталған электр өрісі әрекетінен болатын транзистор. Өрістік транзисторларда кристалл арқылы өтетін токты тек бір таңбалы заряд тасушы –электрон немесе кемтік тудырады. Заряд тасушыларды басқаруға негізделетін физикалық эффектілерге қарай өрістік транзисторлар шартты түрде 2 топқа: басқаратын р-п электрон-кемтіктік ауысуы бар немесе металл-шалаөткізгіш түйіспелі, оқшауланған, жапқылы металл-диэлектрик-шалаөткізгіш (МДШ) транзисторлар деп бөлінеді.

Өрістік транзисторлар әдетте кремний немесе галий арсениді негізінде жасалады. Олардың тұрақты ток бойынша кірістік және шығыстық кедергілері жоғары, инерциялығы төмен, жиіліктік шегі жоғары болып келеді. Өрістік транзисторлар байланыс, есептеуіш техникаларында, теледидарда шусыз, қуатты және ауыстырып-қосқыш (кілттік) ретінде қолданылады. Металл-диэлектрик-шалаөткізгіш (МДШ) құрылымды өрістік транзисторлар интегралдық сұлбаларда кеңінен қолданылады. Өрістік транзистор күшейту қасиеті өткізуші арна арқылы өтетін негізгі тасымалдағыштар ағымымен және басқарушы электрлік өріспен анықталынатын шала өткізгішті аспап. Өрістік транзистор униполерлы транзистор да, өйткені оның жұмысы тек негізгі тасымалдағыштарды қолдануға ғана негізделген. Сондықтан өрістік транзисторда негізгі емес зарядтардың жиналып қалған үлкен көлемін сору сияқты үрдістер болмайды.

Құрастыру және технологиялық  дайындау жолдары бойынша өрістік  транзисторды екі топқа бөлуге болды: басқарушы р-п ауысуы бар өрістік  транзистор және оқшауланған затворы  бар транзистор.

Басқарушы p-n ауысуы бар өрістік транзторлар  сызықтық сұлбалар, сызықтық күшейткіштер, аналогты кілттер және т.б жасауда  қолданылады. Бекітпесі оқшауланған  МОП- транзисторлар екіге бөлінеді: орнатылған арналы (біріккен тип) және индуцияланған арналы (қанықан тип). Соңғысы цифрлық интегралдық  сұлбаларда кеңінен қолданылады.

Артықшылығы: Статикада қолданылатын (p) қуатының аздығы, R_кір= 10¹²-10¹⁴ Ом кіріс кернеуінің жоғарылығына байланысты кіріс U_{бекітпе бастау} кернеуі мен алынатын (p) қуаттың аздығы. Кіріс және шығыс кернеулер деңгейлері тең:  U_кір= U_шығ. Жоғары температура кезінде бекітпе тоғының аздығы. Логикалық сұлбалары каскады арасында тікелей байланыс орнатуға мүмкіндік береді. Интегралды сұлбаларда қолданылады, бағасы арзан.

Төменде n МОП транзистрлардың  шартты графикалық белгіленулері көрсетілген.

                                                                                             

Басқарушы p-n ауысуы және n-арнасы бар өрістік транзистор

Орнатылған арнасы бар  МДП-транзистор

Индуцирленген арнасы бар

МОП транзисторлардың кіріс R_кір кедергісі басқарушы U_{бекітпе бастау} кернеуінің шамасы мен өрістілігіне тәуелсіз.

Басқарушы р-п  ауысуы бар өрістік транзисторлар –бекітпесі электрлік тұрғыда р-п ауысыз мен арнадан жекеленген, кері бағытта ауытқыған өрістік транзистор.

Арнаға заряд тасымалдағыштарын  кіргізетін электрод – бастауда; арнадан  заряд тасымалдарын шығаратын электрод құйма д.а; арнаның көлденең қимасын  реттеуге арналған электрод – бекітпе  деп аталынады. Бастауға ( n арналған үшін) теріс, ал құймаға оң кернеу берген кезде арнада бастаудан кұймаға  қарай бет алған электрондарын, яғни негізгі заряд тасымалдағыш транзистордың қозғалысы нәтижесінде  қалыптасқан электр тоғы пайда болды. Заряд тасымалдағыштарының электронды кемтіктік ауысу арқылы қозғалысы  өрістік транзистордың тағы бір  ерекшелігі болып табылады. Бекітпе  және арка арасында пайда болған электрлік  өріс арнадағы заряд тасымалдағыштарының  тығыздығыны, яғни ағып өтетін тоқ шамасын  өзгертеді. Басқару кері ығысқан  р-п ауысуы арқылы орындалатындықтан  басқарушы электрод пен арна арасындағы кедергі жоғары болды да, ал бекітпе  тізбгінде сигнал көзінен тұтынатын  қуат өте аз болады. Сондықтан өрістік  транзистор электромагниттік тербелістерді  қуат бойынша, тоқ бойынша сондай-ақ тернеу бойынша күшейте алады.

Үлкен көлемді арнасы бар. Өрістік транзисторда арнаның көлденең кесіндісі кері қосылған р-п ауысуының  біріктен қабаттарының ауданының өзгеру есебінен өзгеріп тұрады төмендегі суретте басқарушы р-п ауысуы ортақ басталулы сұлба бойынша қосылған өрістік транзистордың құрылымы көрсетілген р-п ауысуына (Бекітпе-бастау) U_бб кері кернеуі беріледі. U_бб кернеуін төмендеткенде біріккен қабат (көлемдік зарядаймағы) тереңдігі өседі, ал арнадағы тоқ өткізу қабаты жіңішкереді. Бұл жағдайда арна, кедергісі жоғарылап, транзистордың І_қ шығыс тоғы азаяды. U_бб тоғы р-п ауысуына кері бағытта ығысқандықтан І_{бекітпе} тоғы айтарлықтай аз және басқарушы кернеден тәуелді емес. Өрістік транзистор үшін кіріс сипаттамасы (І_{бекітпе} тоғының U_{құйма-бастау} кернеудің тиянақты мәні кезіндегі U _{бекітпе –бастау} кернеуінен тәуелділігі) қолданылмайды, және есептеулер кезінде тек беріліс сипаттамалары мен вольт-амперлік шығыс сипаттамалары қолданылады.

  Оқшауланған бекітпесі бар өрістік транзистор – бекітпесі электрлік тұрғыда арнадан диэлектрик қабаты арқылы бөлінген. Оқшауланған бекітпесі бар өрістік транзисторлар айтарлықтай жоғары меншікті кедергісі бар шалаөткізгіш пластинадан тұрады, мұнда қарама-қарсы бағытта электр тоғын өткізетін екі аймақ қалыптасқан. Бұл аймаққа металлдық электродтар еңгізілген – бастау және құйма. Бастау мен құйма арасындағы шалаөткізгіштің үсті жұқа қабатты диэлектрикпен (әдетте, оксид кремний қабатымен) жабылған. Диэлектрик қабатына металлдық электрод еңгізілген - бекітпе. Нәтижесінде металлдан, диэлектриктен және шалаөткізгіштен тұратын құрылым пайда болады. Сондықтан оқшауланған бекітпесі бар МДП- трпнзисторлар немесе МОП транзисторлар (металл-оксид- шалаөткізгіш (полупроводник)) д.а.

Индуцирленген арнасы бар  МДП транзистрлардың қатты біріккен бастау мен құйма арасындағы өткізгіш арна, яғни тоқ нақты 1 өрістілік  кезінде немесе бастаумен байланысқан  бекітпедегі кернеудің нақты  мәнінде (p-арнада теріс, n арнада оң болатын) пайда болады. Бұл кернеу (U_{бекітпе бастау  таб}) табылдырықтық кернеу деп аталады. Индуцирленген арнадағы өткізгіш қабілетінің пайда болуы және өсуі негізгі заряд тасымалдағыштарының көбеюіне байланысты.

Орнатылған арнасы бар  МДП тразистордағы өткізгіш арна бекітпедегі кернеу 0-ге тең кезінде  технологиялық  жолмен қалыптасады. Құймадағы тоқты бекітпедегі  кернеу мәнін және бекітпе мен  бастау кернеулерінің өрісін өзгерте  отырып басқаруға болады. p арналы транзисторларының  бекітпе – бастау оң кернеуі кезінде  немесе n арналы теріс кернеу кезінде  құйма тізбегіндегі  тоқ жойылады. Бұл кернеу қиылу(жабу) кернеу депт аталады. Орнатылған арнасы бар МДП транзисторлары қанығу режимінде де, қанықпаған режимде де жұмыс істей алады.

 Өрістік транзисторлардың параметрлері. Кіріс өткізу қабілеті бекіте – бастау бөлімінің өткізу қабілеті мен анықталады: Y_{бекітпе бастау} = Y₁₁+ Y₁₂;  шығыс өткізу қабілеті құйма - бастау бөлімінің өткізу қабілетімен анықталады: Y_{кима бастау} = Y₂₂+ Y₂₁; тасымалдау функциясы вольт-амперлі сипаттама қисығымен анықталады S=Y₂₁+ Y₁₂; кері тасымалдау функциясы - өтпелі өткізу қабілетімен                  Y_{бекітпе құйма}=Y₁₁  анықталады. Бұл параметрлер ширекөрістілік ретінде қолданылатын өрістік транзисторлардың бастапқы параметрлері деп қабылдайды. Ширекөрістіліктің ортақ бастаулы сұлбасы үшін бастапқы параметрлері анықталған болағандықтан, өрісті тразистрлардың басқа кез-келген сұлбалары үшін бастапқы параметрлерін есептеп алуға болады:

Құйманың бастапқы тoғы I_{құйма Б} – бекітпе және бастау арасындағы кернеу 0-ге тең және құймадағы тоқ қанығу кернеуіне тең және одан асатын кездегі құйма тоғы.

Құйманың қалдық тоғы I_құйма – бекітпе және бастау арасындағы кернеу қиылысу (жабу) кернеуінен жоғары кездегі құйма тоғы.

Бекітпе - құйма ауысуының  кері тоғы I _{бекітіс құйма к} – бекітпе және құйма арасындағы берілген кері кернеу кезіндегі және де басқа шықпалар жабық кезіндегі бекітпе құйма тізбегінде ағатын тоқ.

Бекітпе-бастау ауысуының  кері тоғы I _{бекітпе-бастау к} – бекітпе мен бастау  арасындағы берілген кері кернеу кезіндегі және де басқа шықпалар жабық кезіндегі бекітпе бастау тізбегінде ағатын тоқ.

 

                          

 

Биполярлық транзистор — үш рет кезектесіп орналастырылған электрондық (п) немесе кемтіктік (р) типті откізгішті шалаөткізгіш облыстары, екі р-п өткелі бар, яғни п-р-п не р-п-р құрылымды, көбіне үш электроды болатын, электр сигналдарын күшейтуге, түрлендіруге арналған шалаөткізгіш аспап. Биполярлық транзистордың жұмысы база деп аталатын ортаңғы облысы арқылы ағып өтетін негізгі емес заряд тасымалдаушылардың ағынын басқаруга негізделген, әдетте, тікелей бағытта ығысқан және базаға негізгі емес заряд тасымалдаушылардың инжекциясын қамтамасыз ететін электронды-кемтіктік өткел эмиттерлік деп аталады, ал осы өткелмен базадан бөлінген сол жактагы шалаөткізгіш облыс эмиттер деп аталады. Кері бағытта ығысқан және эмиттерден инжекция жасап, база арқылы өзіне тақаған негізгі емес заряд тасымалдаушыларды жинауды қамтамасыз ететін өткел коллекторлық деп аталады. Осы өткелмен базадан бөлінетін және транзисторлық  құрылымның он жақ шетінде орналасқан шалаөткізгіш облыс коллектор деп аталады. Биполярлық транзистор – қуатты күшейтуге арналған электрөткізгіштік түрлері алмасатын үш саладан құрылған электр түрлендіргіш аспап. Биполярлық транзисторда ток екі түрлі заряд тасушылардың  қозғалысымен белгіленеді.Биполярлық транзисторда үш қабатты жартылай өткізгішті құрылымының көмегімен әр түрлі электр өткізгіштері бар жартылай өткізгіштерін екі р-п өткелдер құрылады. Екі үш қабатты құрылым болуы мүмкін: кемтікті-электронды-кемтікті және электронды-кемтікті-электронды.

Әр түрлі электр өткізгіштері бар участіктері алмасуға сәйкесті барлық биполярлық транзистор екі түрге  бөлінеді: p-n-p  жіне n-p-n. Әр аймақтан тоқ жүретін шықпалар (электродтар) шығарылып, олар эмиттер(Э), коллетор(К) және база(Б)деп аталады.Латын тілінен  аударганда emitto- эмиттер- «шығарушы»,ол тарнзситорды заряд тасымалдаушылармен қамтамасыз ететін электрод бол.таб. collector- колектор «жинақтаушы»эмиттердан шыққан заряд тасушыларды қабылдайды.ал заряд тасушылардын эмттердан коллеторға қарай қозғалысын реттейтін –база.Ол реттеуші, басқарушы элетроды болып  саналады. n-p-n және p-n-n-p тр-ның жұмыс  істеу принциптері бірдей, айырмашылық  тоқ түзетін заряд тасушыларында. Біріншісінде электрондар, екіншісінде  кемтіктер. Б.Т. – әр жақты тағайындауы  бар жартылай өткізгіштік күшейткіш  аспатар, ал сол себептен әртүрлі  күшейткіштерде, генераторларда, логикалы және серпінді құрылғыларда кең қолданылады.

 

 

Құрылғы және  жұмыс істеу принципі.

 

Биполярлы npn  транзистордың  жеңілетілген схемасы

Алғашқы транзисторлар германийдан  жасалынған болатын. Казіргі кезде оларды кремнийден және арсенад галлийдан жасайды.Соңғы жасалынып жатқан транзисторлар көбіне жоғары жиілікті күшейткіш схемаларда қолданылады. Өндірісте жиі кездесетін биполярлық транзистор кезектесе орналасқан үш p және n аймақтарынан тұрады.Осы аймақтардың өзара орналасуына байланысты олар n-p-n немесе p-n-p болып екіге жіктеліп,схемаларда өздеріне тән шартты белгілермен кескінделеді.