Категории:
Главный принцип устройства транзисторов и радиоламп "на пальцах"
Здесь на примере n-p-n транзистора излагается главная идея на которой основаны биполярные и полевые транзисторы. Именно n-p-n транзистор в данном случае наиболее нагляден, но изложенный здесь принцип с соотвествующими поправками относится и к p-n-p транзисторам.
Чтобы понять принцип благодаря которому транзистор обладает своими главным свойством (свойством прибора с электронным регулированием сопротивления) необходимо сначала рассмотреть устройство радиолампы, тем более, что, как потом окажется, главная идея устройства транзистора (как полевого, так и биполярного) по сути совпадает с идеей устройства радиолампы.
На рис. 1 изображена радиолампа (ещё её называют электронная лампа). У неё есть катод, анод и сетка. Катод испускает поток электронов, они попадают на анод и в итоге между катодом и анодом получается электрический ток – это в случае, если на сетку мы не подали никакого напряжения, то есть, если сетка электрически нейтральна.
рис.1
Если на сетку подать отрицательный потенциал (насытить сетку электронами), то электрон вылетевший с катода будет отталкиваться электронами сетки обратно к катоду – см. рис. 2, так как электроны имея одинаковый отрицательный заряд отталкиваются друг от друга.
рис.2
То есть электроны сетки будут препятствовать проходу электронов с катода на анод. Тут важно отметить, что в потоке электронов вылетевших с катода одни электроны имеют большую скорость (энергию), а другие меньшую. Те электроны вылетевшие с катода, что имеют небольшую скорость (энергию), они не смогут пробиться сквозь насыщенную электронами сетку и так и не дойдут до анода. Но есть в этом потоке с катода и такие электроны, что имеют достаточную скорость (энергию) чтобы пробиться к аноду сквозь сетку с электронами. В итоге получается, что когда мы подаём на сетку отрицательный заряд, то через сетку до анода пройдёт лишь часть потока электронов вылетевших с катода и таким образом мы получим меньший поток электронов, а значит и меньший электрический ток между катодом и анодом так как, повторюсь, на анод придёт меньше электронов по сравнению с ситуацией, когда мы на сетку не подавали никакого отрицательного заряда. Таким образом, регулируя отрицательный потенциал на сетке лампы мы регулируем величину тока проходящего через лампу, то есть получается, что управляя потенциалом на сетке мы управляем сопротивлением лампы. Регулируемая нами насыщенность сетки лампы электронами обеспечивает ту величину "задвижки", которая препятствует проходу электронов с катода на анод лампы. В этом основная идея, суть, принцип радиолампы.
Теперь перейдём к транзистору. Для того чтобы понять главный принцип устройства транзистора необходимо знать, что существуют полупроводники p и n типа. Как химически утроены данные полупроводники для понимания сути транзистора знать не обязательно (хотя если интересно, то см. здесь). Достаточно знать, что у полупроводника n-типа часть электронов оторвана от своих атомов и вернуться к этим атомам не стремится – эти электроны стали свободными, а потому они могут свободно перемещаться по полупроводнику n-типа. При этом важно подчеркнуть, что полупроводник n-типа остаётся электрически нейтральным – там нет избыточного отрицательного заряда, там просто отрицательные заряды в виде электронов могут гулять по полупроводнику, а положительные заряды являются теми атомами от которых и оторвались эти самые свободные электроны и эти атомы не могут перемещаться по полупроводнику так как атомы здесь зафиксированы в виде кристаллической решётки.
У полупроводника p-типа тоже электроны оторваны от некоторых атомов, но здесь (в отличии от n-полупроводника) эти атомы постоянно пытаются вернуть себе недостающие электроны, а вот эти оторванные электроны прочно зафиксированы возле определённых других атомов и не могут ни вернуться к своим атомам у которых они были оторваны, ни тем более как либо ещё гулять по полупроводнику. Полупроводник p-типа также (как и n-типа) электрически нейтрален так как там электроны просто перераспределены внутри между атомами и никуда не выкинуты во вне. В результате у полупроводника p-типа образовались места "жадные" до электронов – это те самые атомы у которых оторваны электроны. Эти незаполненные электронами места (атомы) назвали дырками. И в связи с этим в полупроводнике p-типа нет свободных электронов так как, как только в полупроводник p-типа "забредает" какой-либо электрон, то его тут же захватывает дырка и держит у себя не давая ему гулять по бруску полупроводника p-типа. При этом в бруске p-типа ещё и остаётся куча незанятых дырок, которые тянут электроны у соседних атомов (у которых полный комплект электронов и которые не являются дырками) и таким образом если дырке удалось утянуть электрон у соседнего атома, то дырка перестаёт быть дыркой (так как дырка это атом с нехваткой электрона, а теперь он у неё есть), но зато теперь дыркой становится атом у которого только что был "похищен" электрон. Так получается как бы перемещение дырки по бруску p-типа. Тут важно подчеркнуть, что дырки имеют положительный заряд, эти дырки-заряды как бы гуляют по p-бруску, но при этом, как уже говорилось, сам p-брусок электрически нейтрален.
Соединим теперь бруски полупроводников p и n типов – см. рис 3. Благодаря тепловому движению электроны из n-бруска начинают перескакивать в p-брусок и там тут же захватываются дырками p-бруска. В результате так как в p-брусок пришли дополнительные электроны, то он приобретает отрицательный заряд то есть из электрически нейтрального объекта превращается в объект с отрицательным электрическим зарядом. А n-брусок теряет часть электронов (они ушли в p-брусок) и в связи с этим получается положительно заряженным объектом. Всё это из-за теплового движения электронов.
рис.3
Но далее всё труднее и труднее электронам перескочить из n-бруска в p-брусок так как это движение теперь идёт против отрицательно заряженной p-области, ну и n-брусок теперь имеет положительный заряд, а значит из и n-бруска отрицательно заряженному электрону труднее вырваться. То есть далее из-за вот такой вот образовавшейся поляризации p-n-бруска электроны прекратят тепловое движение из n-области в p-область p-n-бруска. Если теперь батарейку подключить минусом к n-бруску, а плюсом к p-бруску (см. рис.4), то электроны с минуса батарейки компенсируют положительный заряд n-бруска, а значит у n-бруска не будет положительного заряда препятствующего попытке электрона вырваться от n-бруска (в p-брусок соответственно).
рис.4
Так же здесь и плюс батарейки компенсирует отрицательный заряд p-бруска (этот плюс вытянет лишние электроны из p-области) и в итоге электронам из n-области ничто не помешают попасть в p-область и дальше в плюс батарейки. В итоге p-n-переход будет открыт. Если же батарейку подключить минусом к p-бруску, а плюсом к n-бруску, то отрицательный заряд p-бруска увеличится, так же увеличится и положительный заряд n-бруска. То есть тогда всё будет как на рис.3, но с ещё большим запорным слоем электронов в p-области. В итоге электронам будет труднее преодолеть этот поляризационный барьер – труднее электронам от минуса батарейки пройти через p-n-переход к плюсу батарейки.
Ну и далее, если соединить два n и один p полупроводники так, чтобы в центре был p-полупроводник (а по краям соответственно n-полупроводники), то в центре здесь будет слой электронов, а по краям соответственно положительно заряженные n-полупроводники см. рис.5.
рис.5
Обзовём это всё эмиттер, база, коллектор. Подключим теперь минус батарейки B к эмиттеру, а плюс к коллектору. На базу подадим положительный потенциал (мы можем это сделать от той же батарейки B или от другой батарейки, например, от некоей B1, подключив её плюс к базе, а её минус к эмиттеру транзистора – как мы подадим положительный потенциал на базу не суть как важно). Плюс поданный на базу уничтожит слой электронов на базе (обычно в связи с этим пишут, что переход эмиттер-база будет открыт так же как на рис. 4) и электроны из минуса батарейки B сначала легко попадают в эмиттер, а далее с эмиттера легко попадают в базу, ведь в базе теперь нет мешающих электронов, а далее электроны довольно легко попадут из базы в положительно заряженный коллектор и на плюс батарейки B. Таким образом подача плюса на базу открывает транзистор. Если на базу подать не положительный потенцал, а отрицательный (то есть если подать не плюс, а минус), то электроны с минуса батарейки B так же легко попадают на эмиттер, но далее с эмиттера попасть в базу уже сложнее так как запорный слой в виде электронов с базы никуда не делся, а может даже и усилился так как на базу мы подали отрицательный потенциал, который вполне может добавить на базу ещё и своих дополнительных электронов. В итоге теперь, когда мы на базу подали минус, электронам с эмиттера в коллектор пройти гораздо сложнее, чем в ситуации, когда на базу мы подавали плюс и таким образом благодаря запорному слою из электронов на базе общее сопротивление между эмиттером и коллектором транзистора довольно сильно увеличилось. То есть здесь суть в прослойке из электронов на базе – всё так же как в радиолампе (там прослойка из электронов на сетке). Чем больше в базе слой из электронов, тем сложнее электронам пробиться с эммитера в коллектор через слой электронов на базе. Они пробиваются через этот слой с меньшей вероятностью, а это соответствует меньшему току между эмиттером и коллектором.
рис.6
Ну а полевой транзистор это в принципе всё то же самое (см. рис. 6) и даже более наглядно – там по сути в затворе (который есть аналог базы биполярного транзистора) даже специально оставлен проход в слое электронов при помощи канала из n-полупроводника и этот проход шире, если электронов в затворе меньше и соответственно проход становится уже, если электронов в затворе больше (когда электроов в затворе больше, то они сильнее "пережимают" канал) – так и регулируется сопротивление между истоком и стоком в полевом транзисторе. То есть тут вообще практически полнная аналогия с сеткой радиолампы, где в сетке тоже есть отверстия для прохода электронов.
Таким образом транзистор это всего лишь сопротивление, чья величина может регулироваться при подаче на базу соответствующего напряжения. Ну или как часто для наглядности это объясняется – суть транзистора это "задвижка" на базе, которая регулируется подачей соответствующего напряжения на базу и та или иная "выдвинутость" этой "задвижки" соответствует большему или меньшему препятствию для тока между эмиттером и коллектором (ну или между истоком и стоком в полевом транзисторе). А это препятствие-"задвижка", как мы теперь понимаем, образуется при помощи электронов на базе, на затворе или на сетке, если мы соотвественно говорим о биполярном, полевом транзисторе или о радиолампе.
p.s. Для того, кто интересуется объяснениями понятий математики, физики, техники что называется "на пальцах" можно посоветовать вот эту книгу и в частности главы из её разделов "Математика", "Физика", "Техника" (саму книгу или отдельные главы из неё вы можете приобрести здесь).
Комментарии
