Номер 14, страница 100, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

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

Как устроен транзистор?

Транзистор — это полупроводниковый электронный компонент, как правило, с тремя выводами, предназначенный для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов, а также для использования в качестве электронного ключа.

Наиболее распространены два типа транзисторов: биполярные (BJT) и полевые (FET).

Биполярный транзистор состоит из трёх последовательно соединённых слоёв полупроводника с чередующимся типом проводимости. Существует две основные структуры:

• n-p-n: тонкий слой полупроводника p-типа (база) находится между двумя слоями n-типа (эмиттер и коллектор).
• p-n-p: тонкий слой n-типа (база) находится между двумя слоями p-типа.

Каждый слой имеет свой вывод (электрод):

• Эмиттер (Э) — его назначение — эмитировать (инжектировать) носители заряда (электроны или дырки) в базу.
• База (Б) — тонкий средний слой, который управляет потоком носителей заряда от эмиттера к коллектору.
• Коллектор (К) — его назначение — собирать (коллектировать) носители заряда, прошедшие через базу.

Полевой транзистор (например, MOSFET) также имеет три вывода: исток, сток и затвор. В отличие от биполярного, где ток управляется током базы, в полевом транзисторе ток между истоком и стоком управляется напряжением, приложенным к затвору (то есть электрическим полем).

Ответ: Транзистор — это полупроводниковый прибор с тремя выводами (эмиттер, база, коллектор у биполярного; исток, затвор, сток у полевого), состоящий из трёх слоёв полупроводникового материала разной проводимости (например, n-p-n), предназначенный для управления электрическим током.

Как работает транзистор?

Принцип работы транзистора зависит от его основного назначения в схеме: усиление сигнала или работа в качестве ключа.

1. Режим усиления (на примере n-p-n биполярного транзистора)

В этом режиме транзистор позволяет управлять большим током в цепи коллектор-эмиттер с помощью малого тока в цепи базы. Для этого на переходы подаются определённые напряжения: переход эмиттер-база смещается в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт).

Когда на базу подаётся небольшой ток `$I_Б$`, он открывает переход эмиттер-база. Эмиттер, имеющий n-тип проводимости, начинает инжектировать электроны в тонкую базу p-типа. Большинство этих электронов (около 95-99%) не успевают рекомбинировать в базе и "проскакивают" её, попадая в область действия сильного электрического поля обратно смещённого коллекторного перехода. Это поле "подхватывает" их и уносит в коллектор, создавая ток коллектора `$I_К$`. Таким образом, малый ток базы `$I_Б$` управляет значительно большим током коллектора `$I_К$`. Отношение `$I_К / I_Б$` называется коэффициентом усиления по току и обозначается `$β$` (бета).

`$I_К = β \cdot I_Б$`

Так как `$β$` может достигать значений от 10 до нескольких сотен, малые изменения тока базы вызывают большие, но пропорциональные изменения тока коллектора, что и обеспечивает усиление сигнала.

2. Ключевой (переключательный) режим

В этом режиме транзистор работает в двух крайних состояниях:

• Режим отсечки (транзистор закрыт): На базу не подаётся управляющий ток (`$I_Б = 0$`). Транзистор не проводит ток между коллектором и эмиттером (`$I_К ≈ 0$`). В этом состоянии транзистор подобен разомкнутому выключателю (состояние "ВЫКЛ").
• Режим насыщения (транзистор открыт): На базу подаётся достаточный ток, чтобы транзистор полностью открылся. Сопротивление участка коллектор-эмиттер становится очень малым, и через него течёт максимальный ток, ограниченный только внешней цепью. В этом состоянии транзистор подобен замкнутому выключателю (состояние "ВКЛ").

Быстрое переключение между этими двумя состояниями является основой работы всей цифровой логики и вычислительной техники.

Ответ: Транзистор работает либо как усилитель, где малый ток базы управляет большим током коллектора, либо как электронный ключ, который может находиться в двух состояниях — полностью открытом ("ВКЛ") или полностью закрытом ("ВЫКЛ").

Где он применяется?

Транзисторы являются фундаментальным строительным блоком практически всех современных электронных устройств. Их изобретение в 1947 году произвело революцию в электронике, позволив заменить громоздкие и энергозатратные вакуумные лампы.

Основные области применения:

• Цифровая электроника: Транзисторы в ключевом режиме образуют логические элементы (И, ИЛИ, НЕ), которые являются основой микропроцессоров, микроконтроллеров, памяти (SRAM, флеш-память) и других цифровых микросхем. Современный процессор в компьютере или смартфоне содержит миллиарды транзисторов.
• Аналоговая электроника: Транзисторы в усилительном режиме используются для создания всевозможных усилителей — звуковых (в аудиосистемах), радиочастотных (в радиоприемниках, мобильных телефонах, телевизорах), операционных и измерительных усилителей.
• Силовая электроника: Мощные транзисторы используются в качестве ключей в импульсных блоках питания, инверторах (например, для преобразования постоянного тока аккумулятора в переменный), системах управления электродвигателями, сварочных аппаратах.
• Генерация и обработка сигналов: Транзисторы используются в схемах генераторов (осцилляторов) для создания колебаний определённой частоты, в модуляторах и демодуляторах для передачи информации, а также в активных фильтрах.

Проще говоря, любое устройство, которое сложнее электрического чайника или лампочки накаливания — от калькулятора и кварцевых часов до компьютера, телевизора, автомобиля и космического корабля — содержит в себе транзисторы.

Ответ: Транзисторы применяются повсеместно: в компьютерах и мобильных телефонах (процессоры, память), в бытовой технике (телевизоры, стиральные машины), в аналоговой аппаратуре (усилители звука, радио), в силовой электронике (блоки питания, управление двигателями) — фактически, во всех современных электронных устройствах.