Темы сообщений, страница 63 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Тема сообщения

Устройство и принцип действия транзистора.

Транзистор — это полупроводниковый радиоэлектронный компонент, как правило, с тремя выводами, который используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов, а также в качестве электронного ключа. Он является фундаментальным элементом практически всех современных электронных устройств.

Устройство транзистора

Транзисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов, чаще всего из кремния (Si). Основой биполярного транзистора (наиболее распространенного типа для изучения принципов работы) является монокристалл полупроводника, в котором созданы три области с разным типом примесной проводимости. Эти области называются эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К).

Существует два основных типа биполярных транзисторов:

1. n-p-n транзистор: состоит из тонкого слоя полупроводника p-типа (база), расположенного между двумя слоями полупроводника n-типа (эмиттер и коллектор).

2. p-n-p транзистор: состоит из слоя полупроводника n-типа (база), расположенного между двумя слоями полупроводника p-типа (эмиттер и коллектор).

Области транзистора имеют разные размеры и концентрацию примесей (степень легирования):

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

• База — очень тонкий центральный слой со слабой концентрацией основных носителей заряда. Она управляет потоком носителей от эмиттера к коллектору.

• Коллектор — область, по площади превосходящая эмиттер и базу, с промежуточной концентрацией носителей. Его функция — собирать (коллекционировать) носители заряда, пришедшие из эмиттера через базу.

Таким образом, в структуре транзистора есть два p-n перехода: эмиттерный (между эмиттером и базой) и коллекторный (между базой и коллектором).

Ответ: Транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с тремя выводами (эмиттер, база, коллектор), образующую два p-n перехода. В зависимости от чередования слоев различают n-p-n и p-n-p транзисторы. Области различаются размерами и степенью легирования для выполнения своих функций по инжекции, управлению и сбору носителей заряда.

Принцип действия транзистора

Рассмотрим принцип действия на примере n-p-n транзистора в активном режиме (режиме усиления). Для этого к его переходам необходимо приложить управляющие напряжения (смещения): эмиттерный переход смещают в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

1. К эмиттерному переходу (n-p) прикладывается небольшое прямое напряжение (плюс к базе, минус к эмиттеру). Это приводит к тому, что электроны (основные носители в n-эмиттере) начинают интенсивно перемещаться из эмиттера в p-базу. Этот поток формирует ток эмиттера $I_Э$.

2. Так как база очень тонкая и имеет низкую концентрацию дырок (основных носителей для p-типа), лишь незначительная часть (1–5%) электронов, попавших в базу, рекомбинирует с дырками. Эта рекомбинация образует небольшой ток базы $I_Б$.

3. Основная масса электронов (95–99%), не успев рекомбинировать, достигает коллекторного перехода (p-n). Этот переход смещен в обратном направлении (к коллектору приложено высокое положительное напряжение относительно эмиттера), и его сильное электрическое поле "захватывает" электроны и переносит их в область коллектора. Этот поток электронов создает ток коллектора $I_К$.

Таким образом, ток эмиттера разделяется на ток базы и ток коллектора: $I_Э = I_К + I_Б$.

Главное свойство транзистора — усиление. Оно заключается в том, что малый ток базы $I_Б$ управляет значительно большим током коллектора $I_К$. Отношение изменения тока коллектора к вызвавшему его изменению тока базы называется коэффициентом усиления по току $\beta$ (бета). Для активного режима справедливо соотношение: $I_К = \beta \cdot I_Б$. Значение $\beta$ обычно лежит в диапазоне от 20 до 800. Таким образом, изменяя малый ток в цепи база-эмиттер, можно управлять большим током в цепи коллектор-эмиттер.

Транзистор также широко используется в качестве электронного ключа в двух режимах:

• Режим отсечки (транзистор закрыт): если ток базы равен нулю ($I_Б = 0$), то ток коллектора также практически равен нулю ($I_К \approx 0$). Цепь коллектор-эмиттер разомкнута.

• Режим насыщения (транзистор открыт): при подаче на базу достаточного тока транзистор полностью открывается, и ток коллектора достигает максимального значения, которое определяется параметрами внешней цепи. Цепь коллектор-эмиттер замкнута.

Для p-n-p транзистора все процессы аналогичны, однако полярность напряжений смещения обратная, а основными носителями заряда, обеспечивающими ток, являются дырки.

Ответ: Принцип действия транзистора основан на управлении потоком основных носителей заряда (электронов или дырок) из эмиттера в коллектор с помощью малого управляющего тока базы. В активном режиме малые изменения тока базы вызывают большие пропорциональные изменения тока коллектора, что обеспечивает усиление сигнала. В ключевом режиме подача или прекращение тока базы переводит транзистор в полностью открытое или закрытое состояние.