2. Транзистор

Транзистор (англ. transistor), полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет его использовать для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем. Транзисторами также называются дискретные электронные приборы, которые, выполняя функцию одиночного транзистора, имеют в своем составе много элементов, конструктивно являясь интегральной схемой, например составной транзистор или многие транзисторы большой мощности.

Транзисторы делятся на два класса отличные по структуре, принципу действия и параметрам — биполярные и полевые (униполярные). В биполярном транзисторе используются полупроводники с обоими типами проводимости, он работает за счет взаимодействия двух, близко расположенных на кристалле, p-n переходов и управляется изменением тока через база-эмиттерный переход, при этом вывод эмиттера всегда является общим для управляющего и выходного токов. В полевом транзисторе используется полупроводник только одного типа проводимости, расположенный в виде тонкого канала на который воздействует электрическое поле изолированного от канала затвора, управление осуществляется изменением напряжения между затвором и истоком. В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor). В цифровой технике, в составе микросхем (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми. В 1990-е годы был разработан новый тип гибридных биполярно-полевых транзисторов — IGBT которые сейчас широко применяются в силовой электронике.

В 1956 году за изобретение биполярного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике. К 1980-м годам транзисторы, благодаря своей миниатюрности, экономичности, устойчивости к механическим воздействиям и невысокой стоимости практически полностью вытеснили электронные лампы из малосигнальной электроники. Благодаря своей способности работать при низких напряжениях и значительных токах, транзисторы позволили уменьшить потребность в электромагнитных реле и механических переключателях в оборудовании, а благодаря способности к миниатюризации и интеграции позволили создать интегральные схемы, заложив основы микроэлектроники. С 1990-х в связи с появлением новых мощных транзисторов, стали активно вытесняться электронными устройствами трансформаторы, электромеханические и тиристорные ключи в силовой электротехнике, начал активно развиваться Частотно-регулируемый привод и инверторные преобразователи напряжения.

2.1 Виды транзисторов

Биполярные в свою очередь делятся по проводимости на n-p-n – транзисторы обратной проводимости, и p-n-p – транзисторы прямой проводимости. Полевые транзисторы бывают, соответственно, с каналом n-типа и p-типа. Затвор полевого транзистора может быть изолированным (IGBT-транзисторы) или в виде p-n-перехода. Советские транзисторы, основные типы их корпусов (сейчас не используются, но по характеристикам почти аналогичны новым импортным).

Разнообразие импортных транзисторов, которые используются в современном мире.

2.2 Применение транзисторов в современном мире

Вне зависимости от типа транзистора, принцип применения его един:

Источник питания питает электрической энергией нагрузку, которой может быть громкоговоритель, реле, лампа накаливания, вход другого, более мощного транзистора, электронной лампы и т. п. Именно источник питания даёт нужную мощность для «раскачки» нагрузки. Транзистор же используется для ограничения силы тока, поступающего в нагрузку, и включается в разрыв между источником питания и нагрузкой. То есть транзистор представляет собой некий вариант полупроводникового резистора, сопротивление которого можно очень быстро изменять. Выходное сопротивление транзистора меняется в зависимости от напряжения на управляющем электроде. Важно то, что это напряжение, а также сила тока, потребляемая входной цепью транзистора, гораздо меньше напряжения и силы тока в выходной цепи. Надо заметить, что это положение не всегда верно: так в схеме с общим коллектором (ОК.) ток на выходе в β раз больше, чем на входе, напряжение же на выходе несколько ниже входного; в схеме с общей базой увеличивается напряжение на выходе по сравнению с входом, но выходной ток меньше входного. Таким образом, в схеме ОК. происходит усиление только по току, а в схеме ОБ — только по напряжению. За счёт контролируемого управления источником питания достигается усиление сигнала либо по току, либо по напряжению, либо по мощности (схемы с общим эмиттером — ОЭ). Если мощности входного сигнала недостаточно для «раскачки» входной цепи применяемого транзистора, или конкретный транзистор не даёт нужного усиления, применяют каскадное включение транзисторов, когда более чувствительный и менее мощный транзистор управляет энергией источника питания на входе более мощного транзистора. Также подключение выхода одного транзистора к входу другого может использоваться в генераторных схемах типа мультивибратора. В этом случае применяются одинаковые по мощности транзисторы.

Транзистор применяется в:

1. Усилительных схемах. Работает, как правило, в усилительном режиме. Существуют экспериментальные разработки полностью цифровых усилителей, на основе ЦАП, состоящих из мощных транзисторов.[18][19] Транзисторы в таких усилителях работают в ключевом режиме.

2. Генераторах сигналов. В зависимости от типа генератора транзистор может использоваться либо в ключевом (генерация прямоугольных сигналов), либо в усилительном режиме (генерация сигналов произвольной формы).

3. Электронных ключах. Транзисторы работают в ключевом режиме. Ключевые схемы можно условно назвать усилителями (регенераторами) цифровых сигналов. Иногда электронные ключи применяют и для управления силой тока в аналоговой нагрузке. Это делается, когда нагрузка обладает достаточно большой инерционностью, а напряжение и сила тока в ней регулируются не амплитудой, а шириной импульсов. На подобном принципе основаны бытовые диммеры для ламп накаливания и нагревательных приборов, а также импульсные источники питания.

4. Транзисторы применяются в качестве активных (усилительных) элементов в усилительных и переключательных каскадах.

Реле и тиристоры имеют больший коэффициент усиления мощности, чем транзисторы, но работают только в ключевом (переключательном) режиме.

2.3 Транзисторы в «IT»

Вся современная цифровая техника построена, в основном, на полевых МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторах (МОПТ), как более экономичных, по сравнению с БТ, элементах. Иногда их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) - транзисторы. Международный термин — MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 8 нм[источник не указан 2465 дней]. В настоящее время на одном современном кристалле площадью 1—2 см² могут разместиться несколько (пока единицы) миллиардов МОПТ. На протяжении 60 лет происходит уменьшение размеров (миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе (степень интеграции), в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе (см. Закон Мура). Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров, снижению энергопотребления и тепловыделения. В настоящее время микропроцессоры Intel собираются на трёхмерных транзисторах (3d транзисторы) именуемых Tri-Gate. Эта революционная технология позволила существенно улучшить существующие характеристики процессоров. Отметим, что переход к 3D-транзисторам при технологическом процессе 22 нм позволил повысить производительность процессоров на 30 % (по оценкам Intel) и снизить энергопотребление [источник не указан 1778 дней]. Примечательно, что затраты на производство возрастут всего на 2—3 %, то есть в магазинах новые процессоры не будут значительно дороже старых[источник не указан 1778 дней]. Суть технологии в том, что теперь сквозь затвор транзистора проходит особый High-K диэлектрик, который снижает токи утечки.

2.4 Общие преимущества и недостатки транзисторов перед радиолампами.

Основные преимущества, которые позволили транзисторам заменить своих предшественников (вакуумные лампы) в большинстве электронных устройств:

1 малые размеры и небольшой вес, что способствует развитию миниатюрных электронных устройств;

2 высокая степень автоматизации производственных процессов, что ведёт к снижению удельной стоимости;

3 низкие рабочие напряжения, что позволяет использовать транзисторы в небольших, с питанием от батареек, электронных устройствах;

4 не требуется дополнительного времени на разогрев катода после включения устройства;

5 уменьшение рассеиваемой мощности, что способствует повышению энергоэффективности прибора в целом;

6 высокая надёжность и большая физическая прочность;

7 очень продолжительный срок службы — некоторые транзисторные устройства находились в эксплуатации более 50 лет;

8 возможность сочетания с дополнительными устройствами, что облегчает разработку дополнительных схем, что не представляется возможным с вакуумными лампами;

стойкость к механическим ударам и вибрации, что позволяет избежать проблем при использовании в микрофонах и в аудиоустройствах.

Недостатки (ограничения)

Кремниевые транзисторы обычно не работают при напряжениях выше 1 кВ (вакуумные лампы могут работать с напряжениями на порядки больше 1 кВ). При коммутации цепей с напряжением свыше 1 кВ, как правило, используются IGBT транзисторы;

Применение транзисторов в мощных радиовещательных и СВЧ передатчиках нередко оказывается технически и экономически нецелесообразным: требуется параллельное включение и согласование многих сравнительно маломощных усилителей. Мощные и сверхмощные генераторные лампы с воздушным или водяным охлаждением анода, а также магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны (ЛБВ) обеспечивают лучшее сочетание высоких частот, мощностей и приемлемой стоимости.

кремниевые транзисторы гораздо более уязвимы, чем вакуумные лампы, к действию электромагнитного импульса, в том числе и одного из поражающих факторов высотного ядерного взрыва;

чувствительность к радиации и космическим лучам (созданы специальные радиационно-стойкие микросхемы для электронных устройств космических аппаратов);

3. МОЩНЫЕ ГЕНЕРАТОРНЫЕ РАДИОЛАМПЫ, КОТОРЫЕ БЫЛИ ИСПОЛЬЗОВАНЫ МНОЙ 3.1 ГУ-50 (генераторный лучевой пентод)

Основные размеры лампы ГУ-50.

Общие данные

Пентод ГУ-50 предназначен для усиления мощности и генерирования колебаний высокой частоты.

Применяется в передающих устройствах, в усилителях низкой частоты для усиления мощности и в телевизионных приемниках в каскадах строчной развертки.

Катод оксидный косвенного накала.

Работает в вертикальном положении выводами вниз. Выпускается в стеклянном бесцокольном оформлении. Срок службы не менее 100 час.

Выводы электродов штырьковые. Штырьков 8. Первый штырек расположен против стеклянного выступа на баллоне.

Основные технические данные радиолампы ГУ-50 -

- представлены в таблице ниже

Основные технические данные радиолампы ГУ-50 - -представлены в таблице ниже Наибольшее напряжение накала, В	14.5
Наименьшее напряжение накала, В	10.8
Наибольшее напряжение на аноде на частоте 46.1 МГц, В	1000
Наибольшее напряжение на аноде на частоте 66.6 МГц, В	800
Наибольшее напряжение на аноде на частоте 87.5 МГц, В	700
Наибольшее напряжение на аноде на частоте 120 МГц, В	600
Наибольшее пиковое напряжение на аноде, В	3000
Наибольшее напряжение на второй сетке, В	250
Наибольшая мощность, длительно рассеиваемая на аноде, Вт	40
Наибольшая мощность, рассеиваемая на аноде при перегрузке в течение 1 мин., Вт	50
Наибольшая мощность, рассеиваемая на второй сетке, Вт	5
Наибольшая мощность, рассеиваемая на первой сетке, Вт	1
Наибольшее постоянное напряжение между катодом и подогревателем, В	200
Наибольший ток утечки между катодом и подогревателем, мкА	100
Наибольший ток в цепи катода, мА	230
Наибольшее сопротивление в цепи катод-подогреватель, кОм	5

3.2 ГУ-81

Генераторный пентод для работы в качестве усилителя   высокочастотных колебаний на частотах до 50 МГц.   Оформление - стеклянное с цоколем. Рабочее положение - вертикальное, баллоном вверх.                     Охлаждение - естественное. Масса: 100 г.

Радиолампа ГУ-81 более мощная радиолампа, отличается от ГУ-50 только максимально допустимым напряжением которое можно подать на радиолампу-(5 киловольт ).

Основные технические данные радиолампы ГУ-81 представлены в таблице   

Основные параметры при Uн=12,6 В, Uа=2 кВ, Uc2=0,6 кВ, Iа=200 мА
Ток накала	£ 10,5 А
Ток 1-й сетки обратный (при Uн=13,6 В, Uа=3 кВ)	£ 50 мкА
Проницаемость 1-й сетки относительно 2-й сетки (при Uс2=0,5 и 0,6 кВ)	31,5 ± 4,5 %
Крутизна характеристики (при изменении Uс на 10 В)	5,5 ± 1 мА/В
Колебательная мощность:
на частоте 50 МГц при Uс1=200 В, Iа=600 мА, Iс2=200 мА	³ 400 Вт
на частоте 12 МГц при Uа=1,5 кВ, Iа=500 мА	³ 750 Вт
Междуэлектродные емкости, пФ:
сетки - катод	28,5 ± 3,5
анод - катод	23,5 ± 2,5
1-я сетка - анод	£ 0,1
1-я сетка - 3-я сетка	4,0 ± 1,5
Долговечность средняя	³ 1000 ч
Критерий долговечности: колебательная мощность на частоте 12 МГц

Напряжение накала	11,8 - 13,5 В
Напряжение анода
на частоте 6 МГц	3 кВ
на частоте 24 МГц	2,5 кВ
на частоте 50 МГц	1,5 кВ
Напряжение анода при анодной модуляции, пиковое значение	5 кВ
Напряжение 2-й сетки	0,6 кВ
Напряжение 2-й сетки в импульсе	1,2 кВ
Мощность, длительно рассеиваемая анодом	450 Вт
Мощность, рассеиваемая анодом в течение 3 мин	600 Вт
Мощность, рассеиваемая 2-й сеткой	120 Вт
Мощность, рассеиваемая 1-й сеткой	10 Вт
Температура баллона	350 С
Интервал рабочих температур окружающей среды	от -60 до +70 С