Транзистор
Первый транзистор
На фото справа вы видите первый работающий транзистор, который был создан в 1947 году тремя учёными – Уолтером Браттейном, Джоном Бардином и Уильямом Шокли.
Несмотря на то, что первый транзистор имел не очень презентабельный вид, это не помешало ему произвести революцию в радиоэлектронике.
Трудно предположить, какой бы была нынешняя цивилизация, если бы транзистор не был изобретён.
Транзистор является первым твёрдотельным устройством, способным усиливать, генерировать и преобразовывать электрический сигнал. Он не имеет подверженных вибрации частей, обладает компактными размерами. Это делает его очень привлекательным для применения в электронике.
Это было маленькое вступление, а теперь давайте разберёмся более подробно в том, что же представляет собой транзистор.
Сперва стоит напомнить о том, что транзисторы делятся на два больших класса. К первому относятся так называемые биполярные, а ко второму – полевые (они же униполярные). Основой как полевых, так и биполярных транзисторов является полупроводник. Основной же материал для производства полупроводников — это германий и кремний, а также соединение галлия и мышьяка — арсенид галлия (GaAs).
Стоит отметить, что наибольшее распространение получили транзисторы на основе кремния, хотя и этот факт может вскоре пошатнуться, так как развитие технологий идёт непрерывно.
Так уж случилось, но вначале развития полупроводниковой технологии лидирующее место занял биполярный транзистор. Но не многие знают, что первоначально ставка делалась на создание полевого транзистора. Он был доведён до ума уже позднее. О полевых MOSFET-транзисторах читайте здесь.
Не будем вдаваться в подробное описание устройства транзистора на физическом уровне, а сперва узнаем, как же он обозначается на принципиальных схемах. Для новичков в электронике это очень важно.
Для начала, нужно сказать, что биполярные транзисторы могут быть двух разных структур. Это структура P-N-P и N-P-N. Пока не будем вдаваться в теорию, просто запомните, что биполярный транзистор может иметь либо структуру P-N-P, либо N-P-N.
На принципиальных схемах биполярные транзисторы обозначаются вот так.
Как видим, на рисунке изображены два условных графических обозначения. Если стрелка внутри круга направлена к центральной черте, то это транзистор с P-N-P структурой. Если же стрелка направлена наружу – то он имеет структуру N-P-N.
Маленький совет.
Чтобы не запоминать условное обозначение, и сходу определять тип проводимости (p-n-p или n-p-n) биполярного транзистора, можно применять такую аналогию.
Сначала смотрим, куда указывает стрелка на условном изображении. Далее представляем, что мы идём по направлению стрелки, и, если упираемся в «стенку» – вертикальную черту – то, значит, «Прохода Нет»! «Нет» – значит p-n-p (П-Н-П ).
Ну, а если идём, и не упираемся в «стенку», то на схеме показан транзистор структуры n-p-n. Похожую аналогию можно использовать и в отношении полевых транзисторов при определении типа канала (n или p). Про обозначение разных полевых транзисторов на схеме читайте тут.
Обычно, дискретный, то есть отдельный транзистор имеет три вывода. Раньше его даже называли полупроводниковым триодом. Иногда у него может быть и четыре вывода, но четвёртый служит для подключения металлического корпуса к общему проводу. Он является экранирующим и не связан с другими выводами. Также один из выводов, обычно это коллектор (о нём речь пойдёт далее), может иметь форму фланца для крепления к охлаждающему радиатору или быть частью металлического корпуса.
Вот взгляните. На фото показаны различные транзисторы ещё советского производства, а также начала 90-ых.
А вот это уже современный импорт.
Каждый из выводов транзистора имеет своё назначение и название: база, эмиттер и коллектор. Обычно эти названия сокращают и пишут просто Б (База), Э (Эмиттер), К (Коллектор). На зарубежных схемах вывод коллектора помечают буквой C, это от слова Collector — «сборщик» (глагол Collect — «собирать»). Вывод базы помечают как B, от слова Base (от англ. Base — «основной»). Это управляющий электрод. Ну, а вывод эмиттера обозначают буквой E, от слова Emitter — «эмитент» или «источник выбросов». В данном случае эмиттер служит источником электронов, так сказать, поставщиком.
В электронную схему выводы транзисторов нужно впаивать, строго соблюдая цоколёвку. То есть вывод коллектора запаивается именно в ту часть схемы, куда он должен быть подключен. Нельзя вместо вывода базы впаять вывод коллектора или эмиттера. Иначе не будет работать схема.
Как узнать, где на принципиальной схеме у транзистора коллектор, а где эмиттер? Всё просто. Тот вывод, который со стрелкой – это всегда эмиттер. Тот, что нарисован перпендикулярно (под углом в 90°) к центральной черте – это вывод базы. А тот, что остался – это коллектор.
Также на принципиальных схемах транзистор помечается символом VT или Q. В старых советских книгах по электронике можно встретить обозначение в виде буквы V или T. Далее указывается порядковый номер транзистора в схеме, например, Q505 или VT33. Стоит учитывать, что буквами VT и Q обозначаются не только биполярные транзисторы, но и полевые в том числе.
Далее узнаем, как найти транзисторы на печатной плате электронного прибора.
В реальной электронике транзисторы легко спутать с другими электронными компонентами, например, симисторами, тиристорами, интегральными стабилизаторами, так как те имеют такие же корпуса. Особенно легко запутаться, когда на электронном компоненте нанесена неизвестная маркировка.
В таком случае нужно знать, что на многих печатных платах производится разметка позиционирования и указывается тип элемента. Это так называемая шелкография. Так на печатной плате рядом с деталью может быть написано Q305. Это значит, что этот элемент транзистор и его порядковый номер в принципиальной схеме – 305. Также бывает, что рядом с выводами указывается название электрода транзистора. Так, если рядом с выводом есть буква E, то это эмиттерный электрод транзистора. Таким образом, можно чисто визуально определить, что же установлено на плате – транзистор или совсем другой элемент.
Как уже говорилось, это утверждение справедливо не только для биполярных транзисторов, но и для полевых. Поэтому, после определения типа элемента, необходимо уточнять класс транзистора (биполярный или полевой) по маркировке, нанесённой на его корпус.
Полевой транзистор FR5305 на печатной плате прибора. Рядом указан тип элемента — VT
Любой транзистор имеет свой типономинал или маркировку. Пример маркировки: КТ814. По ней можно узнать все параметры элемента. Как правило, они указаны в даташите (datasheet). Он же справочный лист или техническая документация. Также могут быть транзисторы этой же серии, но чуть с другими электрическими параметрами. Тогда название содержит дополнительные символы в конце, или, реже, в начале маркировки. (например, букву А или Г).
Зачем так заморачиваться со всякими дополнительными обозначениями? Дело в том, что в процессе производства очень сложно достичь одинаковых характеристик у всех транзисторов. Всегда есть определённое, пусть и, небольшое, но отличие в параметрах. Поэтому их делят на группы (или модификации).
Строго говоря, параметры транзисторов разных партий могут довольно существенно различаться. Особенно это было заметно ранее, когда технология их массового производства только оттачивалась.
Условное обозначение транзисторов на схемах
Транзистор (от английских слов transfer) — переносить и (re)sistor — сопротивление) — полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Наиболее распространены так называемые биполярные транзисторы. Электропроводность эмиттера и коллектора всегда одинаковая (p или n), базы — противоположная (n или p). Иными словами, биполярный транзистор содержит два р-n-перехода: один из них соединяет базу с эмиттером (эмиттерный переход), другой — с коллектором (коллекторный переход).
Буквенный код транзисторов — латинские буквы VT. На схемах эти полупроводниковые приборы обозначают, как показано на рис. 1. Здесь короткая черточка с линией от середины символизирует базу, две наклонные линии, проведенные к ее краям под углом 60°, — эмиттер и коллектор. Об электропроводности базы судят по символу эмиттера: если его стрелка направлена к базе (см. рис. 1, VT1), то это означает, что эмиттер имеет электропроводность типа р, а база— типа n, если же стрелка направлена в противоположную сторону (VT2), электропроводность эмиттера и базы обратная.
Рис.1. Условное обозначение транзисторов
Знать электропроводность эмиттера базы и коллектора необходимо для того, чтобы правильно подключить транзистор к источнику питания. В справочниках эту информацию приводят в виде структурной формулы. Транзистор, база которого имеет электропроводимость типа n, обозначают формулой p-n-p, а транзистор с базой, имеющей электропроводность типа p-n-p. В первом случае на базу и коллектор следует подавать отрицательное по отношению к эмиттеру напряжение, во втором — положительное.
Для наглядности условное графическое обозначение дискретного транзистора обычно помещают в кружок, символизирующий его корпус. Иногда металлический корпус соединяют с одним из выводов транзистора. На схемах это показывается точкой в месте пересечения соответствующего вывода с символом корпуса. Если же корпус снабжен отдельным выводом, линию-вывод допускается присоединять к кружку без точки (VT3 на рис. 1). В целях повышения информативности схем рядом с позиционным обозначением транзистора допускается указывать его тип.
Линии электрической связи, идущие от эмиттера и коллектора проводят в одном из двух направлений: перпендикулярно или параллельно выводу базы (VT3-VT5). Излом вывода базы допускается лишь на некотором расстоянии от символа корпуса (VT4).
Транзистор может иметь несколько эмиттерных областей (эмиттеров). В этом случае символы эмиттеров обычно изображают с одной стороны символа базы, а окружность обозначения корпуса заменяют овалом (рис. 1, VT6).
Стандарт допускает изображать транзисторы и без символа корпуса, например, при изображении бескорпусных транзисторов или когда на схеме необходимо показать транзисторы, входящие в состав сборки транзисторов или интегральной схемы.
Поскольку буквенный код VT предусмотрен для обозначения транзисторов, выполненных в виде самостоятельного прибора, транзисторы сборок обозначают одним из следующих способов: либо используют код VT и присваивают им порядковые номера наряду с другими транзисторами (В этом случае на поле схемы помещают такую, например, запись: VT1-VT4 К159НТ1), либо используют код аналоговых микросхем (DA) и указывают принадлежность транзисторов в сборке в позиционном обозначении (рис. 2, DA1.1, DA1.2). У выводов таких транзисторов, как правило, приводят условную нумерацию, присвоенную выводам корпуса, в котором выполнена матрица.
Рис.2. Условное обозначение транзисторных сборок
Без символа корпуса изображают на схемах и транзисторы аналоговых и цифровых микросхем (для примера на рис. 2 показаны транзисторы структуры n-p-n с тремя и четырьмя эмиттерами).
Условные графические обозначения некоторых разновидностей биполярных транзисторов получают введением в основной символ специальных знаков. Так, чтобы изобразить лавинный транзистор, между символами эмиттера и коллектора помещают знак эффекта лавинного пробоя (см. рис. 3, VTl, VT2). При повороте обозначения транзистора на схеме положение этого знака должно оставаться неизменным.
Рис.3. Условное обозначение лавинных транзисторов
Иначе построено обозначение однопереходного транзистора: у него один p-n-переход, но два вывода базы. Символ эмиттера в обозначении этого транзистора проводят к середине символа базы (рис. 3, VT3, VT4). Об электропроводности последней судят по символу эмиттера (направлению стрелки).
На символ однопереходного транзистора похоже обозначение большой группы транзисторов с p-n-переходом, получивших название полевых. Основа такого транзистора — созданный в полупроводнике и снабженный двумя выводами (исток и сток) канал с электропроводностью n или p-типа. Сопротивлением канала управляет третий электрод — затвор. Канал изображают так же, как и базу биполярного транзистора, но помещает в середине кружка-корпуса (рис. 4, VT1), символы истока и стока присоединяют к нему с одной стороны, затвора — с другой стороны на продолжении линии истока. Электропроводность канала указывают стрелкой на символе затвора (на рис. 4 условное графическое обозначение VT1 символизирует транзистор с каналом n-типа, VT2 — с каналом p-типа).
Рис.4. Условное обозначение полевых транзисторов
В условном графическом обозначении полевых транзисторов с изолированным затвором (его изображают черточкой, параллельной символу канала с выводом на продолжении линии истока) электропроводность канала показывают стрелкой, помещенной между символами истока и стока. Если стрелка направлена к каналу, то это значит, что изображен транзистор с каналом n-типа, а если в противоположную сторону (см. рис. 4, VT3) — с каналом р-типа. Аналогично поступают при наличии вывода от подложки (VT4), а также при изображении полевого транзистора с так называемым индуцированным каналом, символ которого — три коротких штриха (см. рис. 4, VT5, VT6). Если подложка соединена с одним из электродов (обычно с истоком), это показывают внутри обозначения без точки (VT7, VT8).
В полевом транзисторе может быть несколько затворов. Изображают их более короткими черточками, причем линию-вывод первого затвора обязательно помещают на продолжении линии истока (VT9).
Линии-выводы полевого транзистора допускается изгибать лишь на некотором расстоянии от символа корпуса (см. рис. 4, VT1). В некоторых типах полевых транзисторов корпус может быть соединен с одним из электродов или иметь самостоятельный вывод (например, транзисторы типа КП303).
Из транзисторов, управляемых внешними факторами, широкое применение находят фототранзисторы. В качестве примера на рис. 5 показаны условные графические обозначения фототранзисторов с выводом базы (VT1, VT2) и без него (VT3). Наряду с другими полупроводниковыми приборами, действие которых основано на фотоэлектрическом эффекте, фототранзисторы могут входить в состав оптронов. Обозначение фототранзистора в этом случае вместе с обозначением излучателя (обычно светодиода) заключают в объединяющий их символ корпуса, а знак фотоэффекта — две наклонные стрелки заменяют стрелками, перпендикулярными символу базы.
Рис.5. Условное обозначение фототранзисторов и оптронов
Для примера на рис. 5 изображена одна из оптопар сдвоенного оптрона (об этом говорит позиционное обозначение U1.1). Аналогично строится обозначение оптрона с составным транзистором (U2).
Обозначение полевого транзистора
Условное графическое обозначение полевых транзисторов
На принципиальных схемах можно встретить обозначения полевого транзистора той или иной разновидности.
Чтобы не запутаться и получить наиболее полное представление о том, какой всё-таки транзистор используется в схеме, сопоставим условное графическое обозначение униполярного транзистора и его отличительные свойства, и особенности.
Независимо от разновидности полевого транзистора он имеет три вывода. Один из них называется Затвор (З). Затвор является управляющим электродом, на него подают управляющее напряжение. Следующий вывод зовётся Исток (И). Исток аналогичен эмиттеру у биполярных транзисторов. Третий вывод именуется Сток (С). Сток является выводом, с которого снимается выходной ток.
На зарубежных электронных схемах можно увидеть следующее обозначение выводов униполярных транзисторов:
- G – затвор (от англ. – Gate «затвор», «ворота»);
- S – исток (от англ. – Source «источник», «начало»);
- D – сток (от англ. – Drain «отток», «утечка»).
Зная зарубежные обозначения выводов полевого транзистора, будет легко разобраться в схемах импортной электроники.
Обозначение полевого транзистора с управляющим p-n – переходом (J-FET).
Итак. Транзистор с управляющим p-n – переходом обозначается на схемах так:
n-канальный J-FET
p-канальный J-FET
В зависимости от типа носителей, которые используются для формирования проводящего канала (область, через которую течёт регулируемый ток), данные транзисторы могут быть n-канальные и p-канальные. На графическом обозначении видно, что n-канальные изображаются со стрелкой, направленной внутрь, а p-канальные наружу.
Обозначение МДП-транзистора.
Униполярные транзисторы МДП типа (MOSFET) имеют немного иное условное графическое обозначение, нежели J-FET’ы c управляющим p-n переходом. MOSFET’ы также могут быть как n-канальными, так и p-канальными.
MOSFET’ы существуют двух типов: со встроенным каналом и индуцированным каналом.
Разница в том, что транзистор с индуцированным каналом открывается только при подаче на затвор положительного или только отрицательного порогового напряжения. Пороговое напряжение (Uпор) – это напряжение между выводом затвора и истока, при котором полевой транзистор открывается и через него начинает протекать ток стока (Ic).
Полярность порогового напряжения зависит от типа канала. Для мосфетов с p-каналом к затвору необходимо приложить отрицательное «-» напряжение, а для тех, что с n-каналом, положительное «+» напряжение. Мосфеты с индуцированным каналом ещё называют транзисторами обогащённого типа. Поэтому, если услышите, что говориться о мосфете обогащенного типа – знайте, это транзистор с индуцированным каналом. Далее показано его условное обозначение.
n-канальный MOSFET
p-канальный MOSFET
Основное отличие МДП-транзистора с индуцированным каналом от полевого транзистора со встроенным каналом заключается в том, что он открывается только при определённом значении (U пороговое) положительного, либо отрицательного напряжения (зависит от типа канала – n или p).
Транзистор же со встроенным каналом открывается уже при «0», а при отрицательном напряжении на затворе работает в обеднённом режиме (тоже открыт, но пропускает меньше тока). Если же к затвору приложить положительное «+» напряжение, то он продолжит открываться и перейдёт в так называемый режим обогащения — ток стока будет увеличиваться. Данный пример описывает работу n-канального mosfet’а со встроенным каналом. Их ещё называют транзисторами обеднённого типа. Далее показано их условное изображение на схемах.
n-канальный МДП транзистор со встроенным каналом
p-канальный МДП транзистор со встроенным каналом
На условном графическом обозначении отличить транзистор с индуцированным каналом от транзистора со встроенным каналом можно по разрыву вертикальной черты.
Иногда в технической литературе можно увидеть изображение МОП-транзистора с четвёртым выводом, который является продолжением линии стрелки указывающей тип канала. Так вот, четвёртый вывод – это вывод подложки (substrate). Такое изображение мосфета применяется, как правило, для описания дискретного (т.е. отдельного) транзистора и используется лишь как наглядная модель. В процессе производства подложку обычно соединяют с выводом истока.
MOSFET с выводом подложки (substrate)
У мощных транзисторов МДП есть одна особенность – это наличие «паразитного» биполярного транзистора. Чтобы предотвратить работу такого «паразитного» элемента применяется следующая хитрость: Вывод истока (S) соединяют с подложкой (substrate). При этом происходит соединение выводов база-эмиттер в структуре «паразитного» транзистора и он находится в закрытом состоянии, и не мешает нормальной работе мосфета. На условном обозначении эта особенность указывается с помощью соединения вывода истока МДП-транзистора и стрелкой, которая указывает тип канала.
Обозначение мощного МОП-транзистора
В результате соединения истока и подложки в структуре полевого mosfet’а между истоком и стоком образуется встроенный диод. На работу прибора данный диод не влияет, поскольку в схему он включен в обратном направлении. В некоторых случаях, встроенный диод, который образуется из-за технологических особенностей изготовления мощного MOSFET’а можно использовать на практике. В последних поколениях мощных МОП-транзисторов встроенный диод используется для защиты самого элемента.
MOSFET со встроенным диодом
Встроенный диод на условном обозначении мощного МДП-транзистора может и не указываться, хотя реально такой диод присутствует в любом мощном полевике.
Условные обозначения транзисторов
Буквенный код транзисторов — латинские буквы VT. На схемах эти полупроводниковые приборы обозначают, как показано на рис. Здесь короткая черточка с линией от середины символизирует базу, две наклонные линии, проведенные к ее краям под углом 60°, — эмиттер и коллектор. Об электропроводности базы судят по символу эмиттера: если его стрелка направлена к базе, то это означает, что эмиттер имеет электропроводность типа р, а база— типа п, если же стрелка направлена в противоположную сторону (VT2), электропроводность эмиттера и базы обратная. Знать электропроводность эмиттера базы и коллектора необходимо для того, чтобы правильно подключить транзистор к источнику питания. В справочниках эту информацию приводят в виде структурной формулы. Транзистор, база которого имеет электропроводимость типа п, обозначают формулой р-п-р, а транзистор с базой, имеющей электропроводность типа р-п-р. В первом случае на базу и коллектор следует подавать отрицательное по отношению к эмиттеру напряжение, во втором — положительное.Для наглядности условное графическое обозначение дискретного транзистора обычно помещают в кружок, символизирующий его корпус. Иногда металлический корпус соединяют с одним из выводов транзистора. На схемах это показывается точкой в месте пересечения соответствующего вывода с символом корпуса. Если же корпус снабжен отдельным выводом, линию-вывод допускается присоединять к кружку без точки. В целях повышения информативности схем рядом с позиционным обозначением транзистора допускается указывать его тип.
Обозначение Реальный вид
Поскольку буквенный код VT предусмотрен для обозначения транзисторов, выполненных в виде самостоятельного прибора, транзисторы сборок обозначают одним из следующих способов: либо используют код VT и присваивают им порядковые номера наряду с другими транзисторами (В этом случае на схеме помещают такую, например, запись:
КЛ-КГ4 К159НТ1, либо используют код аналоговых микросхем ( DA ) и указывают принадлежность транзисторов в сборке в позиционном обозначении. У выводов таких транзисторов, как правило, приводят условную нумерацию, присвоенную выводам корпуса, в котором выполнена матрица.
Без символа корпуса изображают на схемах и транзисторы аналоговых и цифровых микросхем (для примера на рис показаны транзисторы структуры п-р-п с тремя и четырьмя эмиттерами).
Обозначение Реальный вид
Условные графические обозначения некоторых разновидностей биполярных транзисторов получают введением в основной символ специальных знаков. Так, чтобы изобразить лавинный транзистор, между символами эмиттера и коллектора помещают знак эффекта лавинного пробоя ( VTl , VT 2). При повороте УГО положение этого знака должно оставаться неизменным.Иначе построено УГО однопереходного транзистора: у него один р-п- переход, но два вывода базы. Символ эмиттера в УГО этого водят к середине символа базы. Об электропроводности последней судят по символу эмиттера (направлению стрелки).
Из транзисторов, управляемых внешними факторами, широкое применение находят фототранзисторы. Условные графические обозначения фототранзисторов с выводом базы (РТ1, VT 2) и без него (К73). Наряду с другими полупроводниковыми приборами, действие которых основано на фотоэлектрическом эффекте, фототранзисторы могут входить в состав оптронов. УГО фототранзистора в этом случае вместе с УГО излучателя (обычно светодиода) заключают в объединяющий их символ корпуса, а знак фотоэффекта — две наклонные стрелки заменяют стрелками, перпендикулярными символу базы.
Обозначение Реальный вид
Для примера на рис. 8.5 изображена одна из оптопар сдвоенного оптрона (об этом говорит позиционное обозначение 1/1.1). Аналогично строится УГО оптрона с составным транзистором ( U 2).
На символ однопереходного транзистора похоже УГО большой группы транзисторов с pn -переходом, получивших название полевых. Основа такого транзистора — созданный в полупроводнике и снабженный двумя выводами (исток и сток) канал с электропроводностью n или p -типа. Сопротивлением канала управляет третий электрод — затвор. Канал изображают так же, как и базу биполярного транзистора, но помещает в середине кружка-корпуса, символы истока и стока присоединяют к нему с одной стороны, затвора — с другой стороны на продолжении линии истока. Электропроводность канала указывают стрелкой на символе затвора (на рис условное графическое обозначение VT 1 символизирует транзистор с каналом n -типа, VT 2 с каналом p -типа).
Обозначение Реальный вид
В условном графическом обозначении полевых транзисторов с изолированным затвором (его изображают черточкой, параллельной символу канала с выводом на продолжении линии истока) электропроводность канала показывают стрелкой, помещенной между символами истока и стока. Если стрелка направлена к каналу, то это значит, что изображен транзистор с каналом n -типа, а если в противоположную сторону — с каналом p -типа. Аналогично поступают при наличии вывода от подложки ( VT 4), а также при изображении полевого транзистора с так называемым индуцированным каналом, символ которого — три коротких штриха ( VT 5, VT 6). Если подложка соединена с одним из электродов (обычно с истоком), это показывают внутри УГО без точки ( VT 7, VT 8).
В полевом транзисторе может быть несколько затворов. Изображают их более короткими черточками, причем линию-вывод первого затвора обязательно помещают на продолжении линии истока ( VT 9).
Линии-выводы полевого транзистора допускается изгибать лишь на некотором расстоянии от символа корпуса ( VT 1). В некоторых типах полевых транзисторов корпус может быть соединен с одним из электродов или иметь самостоятельный вывод (например, транзисторы типа КПЗОЗ).
