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:

Пока на затворе G (англ. “Gate“) есть небольшое напряжение, транзистор открыт: большой ток может втекать в сток D (англ. “Drain“) и вытекать из истока S (англ. “Source“).

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 MOSFET-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.