Полупроводниковые элементы, управляющие током, лежат в основе всех современных микросхем. В 1947 году Bell Labs представила первый работоспособный экземпляр, заменивший громоздкие лампы. Сегодня на одном кристалле кремния размером с ноготь размещают миллиарды этих компонентов.
Принцип действия основан на изменении проводимости материала. Подача напряжения на управляющий электрод открывает или блокирует путь для движения заряженных частиц между двумя другими контактами. Коэффициент усиления сигнала в биполярных моделях достигает 100-1000 раз, а полевые варианты потребляют меньше энергии.
Для проверки работоспособности используйте мультиметр в режиме проверки диодов. Исправный элемент покажет падение напряжения 0.6-0.7 В между базой и эмиттером в прямом включении. В обратном направлении прибор должен регистрировать обрыв.
Конструкция и материалы для изготовления транзистора
Основу большинства современных полупроводниковых приборов составляют кремниевые пластины с добавлением примесей. Для биполярных моделей применяют три слоя: эмиттер, базу и коллектор, легированные разными типами примесей (p-n-p или n-p-n). В полевых вариантах используют затвор, исток и сток, управляемые электрическим полем.
Ключевые материалы
Кремний (Si) доминирует в производстве благодаря стабильным свойствам и доступности. Для высокочастотных устройств применяют арсенид галлия (GaAs), обеспечивающий повышенную подвижность электронов. В мощных схемах используют карбид кремния (SiC) или нитрид галлия (GaN), выдерживающие температуры до +600°C.
Технологии изготовления
Планарный метод включает фотолитографию, ионную имплантацию и осаждение тонких плёнок. Толщина активных слоев не превышает 10-100 нм. Современные нормы техпроцесса достигли 3 нм, где применяют FinFET или GAA-транзисторы с трёхмерной структурой.
Усиление и переключение сигналов с помощью полупроводниковых элементов
Для усиления слабого сигнала подайте его на базу биполярного транзистора. Разница потенциалов между эмиттером и коллектором создаёт ток, управляемый малым входным напряжением. Коэффициент усиления достигает 100–1000 раз, в зависимости от типа прибора.
Принцип усиления в схемах
В режиме усиления сместите базу относительно эмиттера на 0,6–0,7 В для кремниевых моделей. Изменение входного напряжения на 0,1 В вызывает рост тока коллектора в 10–50 раз. Используйте резистор в цепи эмиттера для стабилизации параметров.
Переключение между состояниями
Для переключения подайте на базу напряжение выше порогового (обычно 2–5 В). Ток коллектора резко возрастает, насыщая цепь. Время перехода между состояниями у современных MOSFET-транзисторов составляет 1–100 нс. Подбирайте элементы с запасом по току минимум 20% от расчётного значения.
