Транзистор является строительным блоком всей цифровой электроники и представляет собой полупроводниковое устройство, которое может быть использовано для усиления или переключения электрического тока.

Для изготовления транзисторов используется кремний, который является полупроводниковым материалом. Если добавить в кремний различные примеси (этот процесс называется допированием (легированием), то мы можем заставить его вести себя по-другому.

Если допирование происходит с помощью фосфора, мышьяка или сурьмы, кремний получит дополнительные свободные электроны, позволяющие проводить электрический ток. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, то полупроводник, полученный таким образом, называется полупроводником N-типа (англ. “Negative“).

Если же допирование проводить путем добавления примесей бора, галлия или алюминия, то получится вещество, в структуре которого будут “дыры”, т.е. места, где электроны отсутствуют. Такой тип полупроводников называется полупроводниками P-типа (англ. “Positive“).

Если сложить полупроводники подобно слоям бутерброда из материала P-типа и N-типа в определенной последовательности, то можно создать новые электронные компоненты.

Предположим, что мы соединили кусок кремния N-типа с куском кремния P-типа. Если мы пропустим через такой компонент электрический ток, то будет наблюдаться переход электронов со стороны N-типа в сторону P-типа (в связи с присутствием дыр на P-стороне). Подобным образом получаются диоды – компоненты, позволяющие проводить ток только в одну сторону.

Что же будет, если в бутерброде использовать три слоя кремния вместо двух?

• Мы можем сделать PNP-бутерброд (со слоем кремния N-типа, как заполнение между двумя слоями P-типа)

• или же NPN-бутерброд (со слоем кремния P-типа, как заполнение между двумя слоями N-типа)

Электронный компонент с таким устройством называется транзистором, или, правильнее сказать биполярным транзистором.

Зоны в биполярном транзисторе имеют специальные обозначения и названия:

• B – база (англ. “Base“). 
• C – коллектор (англ. “Collector“)
• E – эмиттер (англ. “Emitter“)

Как работают транзисторы?

Работа транзистора похожа на работу водопроводного крана или вентиля. Только вместо воды – электрический ток. Возможны два состояния транзистора – рабочее (транзистор открыт) и состояние покоя (транзистор закрыт).

Когда транзистор закрыт, через него не течет ток. В открытом состоянии, когда на базу подается небольшой управляющий ток, транзистор открывается и большой ток начинает течь через эмиттер-коллектор.

Что же происходит в транзисторе на физическом уровне?

Пусть у нас имеется, например, биполярный NPN-транзистор. Если подключить источник питания между коллектором и эмиттером, электроны коллектора начнут притягиваться к плюсу, однако ток не может пройти между коллектором и эмиттером. Всему виной прослойка базы, поскольку транзистор закрыт!

Однако, если мы подключим дополнительный (маломощный) источник питания между базой и эмиттером, то мы сможем открыть транзистор: электроны из N-области эмиттера начнут проникать в область базы. В результате область базы обогатиться свободными электронами, часть из которых рекомбинирует с дырками, часть потечет к плюсу базы, а часть (большая часть) направится к коллектору.

При увеличении управляющего тока на базе происходит увеличение  тока через коллектор-эмиттер. Именно на этом эффекте и основана работа транзисторов в усилителях.

В качестве примера построим несложное электронное устройство, позволяющее контролировать включение/выключение большого количества светодиодов с помощью  транзистора (в примере будет использоваться 2 светодиода, но можно использовать большее количество!). Для этого:

• Зайдите в свое рабочее пространство TinkerCad.
• Создайте новое электронное устройство.
• На рабочее поле добавьте резисторы, светодиоды, переключатель, транзистор и источники питания. С помощью проводников создайте замкнутую электрическую цепь.

• После запуска симуляции мы сможем убедиться в правильности нашей схемы.

Примечание. Зачастую, между базой транзистора и землей используют резисторы, чтобы не допустить короткого замыкания.

Что такое полевой транзистор?

Помимо биполярных транзисторов в электронике также используют MOSFET-транзисторы, или, как их еще называют, полевые транзисторы.

Принципиальное их отличие от биполярных транзисторов заключается в том, что для управления большими токами используется не ток, а небольшое напряжение:

В качестве примера рассмотрим полевой транзисторов с длинным названием «полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом N-типа».
Исток S (англ. «Source») подключен к общему проводу (земле). На сток D (англ. «Drain») подается положительное напряжение питания. На затвор G (англ. «Gate») подается ноль или положительное напряжение. Обратите внимание, в названии указано, что затвор изолирован, то есть управляющий ток практически равен нулю.

Это отличие позволяет управлять токами, значительно большими нескольких сотен мА, чем не могут похвастаться биполярные транзисторы.

Посмотрим, как можно было бы реализовать пример, ранее рассмотренный  в этом уроке, с применением  полевого транзистора.

Задания:

Задание 7. Создайте виртуальное устройство, имитирующее работу уличного фонаря: чем темнее на улице, тем ярче светиться фонарь. Контроль работы фонаря осуществляет транзистор.

Предоставьте общий доступ к своему виртуальному устройству и отправь ссылку на решение с помощью формы.