Номер 3, страница 154 - гдз по физике 10 класс учебник Казахбаева, Кронгарт

3. Как устроен и работает транзистор? Где он применяется?

Устройство транзистора

Транзистор — это полупроводниковый радиоэлектронный компонент, как правило, изготовленный из кремния или германия, и предназначенный для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В основе его конструкции лежат три последовательно соединенных области полупроводника с разным типом проводимости (p-тип с дырочной проводимостью и n-тип с электронной).

Существует два основных типа биполярных транзисторов: p-n-p (слой n-типа между двумя слоями p-типа) и n-p-n (слой p-типа между двумя слоями n-типа). Каждая из этих областей имеет свой вывод (электрод):

1. Эмиттер (Э) — область с высокой концентрацией основных носителей заряда. Его функция — инжектировать (эмиттировать) носители заряда в базу.

2. База (Б) — очень тонкий средний слой с низкой концентрацией носителей заряда. База управляет потоком носителей из эмиттера в коллектор.

3. Коллектор (К) — область, предназначенная для сбора (коллекционирования) носителей заряда, прошедших через базу. По размеру он больше эмиттера, так как на нем выделяется основная часть мощности.

Таким образом, транзистор представляет собой структуру с двумя p-n переходами: эмиттер-база и коллектор-база.

Принцип работы транзистора

Принцип работы транзистора основан на возможности управлять большим током в цепи коллектора с помощью малого тока в цепи базы. Это позволяет транзистору работать в двух основных режимах: усиления и ключевом.

1. Режим усиления. Для работы в этом режиме на переход эмиттер-база подается прямое напряжение (он открыт), а на переход коллектор-база — обратное (он закрыт). Малый ток, втекающий в базу ($I_Б$), "открывает" путь для значительно большего тока из коллектора в эмиттер ($I_К$). При этом ток коллектора оказывается пропорционален току базы. Отношение $I_К$ к $I_Б$ называется коэффициентом усиления по току ($\beta$ или $h_{21э}$):

$I_К = \beta \cdot I_Б$

Так как $\beta$ обычно составляет от десятков до нескольких сотен, даже небольшое изменение сигнала на базе приводит к сильному изменению сигнала в цепи коллектора. Именно это свойство и используется для усиления слабых сигналов (например, в аудиоусилителях или радиоприемниках).

2. Ключевой (режим переключения). Этот режим используется в цифровой технике. Транзистор работает как электронный выключатель, имея два крайних состояния:

• Закрытое состояние (режим отсечки): На базу не подается ток ($I_Б = 0$). Транзистор "закрыт", и ток через коллектор почти не течет ($I_К \approx 0$). Это соответствует логическому "0".

• Открытое состояние (режим насыщения): На базу подается достаточный ток, чтобы транзистор полностью "открылся". Сопротивление участка коллектор-эмиттер становится минимальным, и через него протекает максимально возможный для данной цепи ток. Это соответствует логической "1".

Где он применяется?

Транзисторы являются фундаментальным элементом практически всей современной электроники. Их применение чрезвычайно широко:

• Усилители: усилители звука в колонках и наушниках, усилители радиосигнала в приемниках и мобильных телефонах, усилители видеосигнала.

• Цифровая техника: в качестве ключей миллиарды транзисторов образуют логические элементы, из которых строятся микропроцессоры, микроконтроллеры, чипы памяти (ОЗУ, флэш-память) и другие интегральные схемы. Любой компьютер, смартфон или планшет состоит из огромного числа транзисторов.

• Силовая электроника: мощные транзисторы используются для управления электродвигателями, в блоках питания, инверторах (например, для преобразования постоянного тока аккумулятора в переменный 220 В), сварочных аппаратах.

• Генераторы и стабилизаторы: для создания генераторов электрических колебаний различных частот и для стабилизации напряжения.

Фактически, без транзисторов невозможно представить современный мир, от бытовой техники и автомобилей до космических аппаратов и суперкомпьютеров.

Ответ: Транзистор — это полупроводниковый прибор из трех областей (эмиттер, база, коллектор), принцип действия которого основан на управлении большим током (коллектор-эмиттер) с помощью малого тока (база). Он используется в двух основных качествах: как усилитель электрических сигналов и как электронный ключ. Благодаря этим функциям транзисторы являются основным строительным элементом всей современной аналоговой и цифровой электроники, включая компьютеры, системы связи и бытовую технику.