Какво е транзистор и за какво се използва: видове, история и приложения

Информатек Дигитал » Ресурси » Какво е транзистор и за какво се използва: видове, история и приложения

Ако днес носите мобилен телефон в джоба си, слушате музика с компактна система или се свързвате с интернет от... ултратънък компютърВсичко това е благодарение на едно малко, но могъщо изобретение: транзисторът. От появата си в края на 40-те години на миналия век, това полупроводниково устройство е движеща сила на миниатюризацията и мощността на съвременната електроника. Ще ви разкажем подробно за него по-долу. Какво е транзистор и за какво се използва?, как работи вътрешно, какви типове съществуват, кои параметри наистина имат значение и защо историята му бележи повратна точка.

Въпреки че основното му определение може да се обобщи в едно изречение, обхватът му е огромен: Транзисторът контролира или променя потока на тока между два терминала, отговаряйки на сигнал, приложен към трети терминал. Ето защо той служи като усилвател, ключ, осцилатор или дори токоизправителОт домашен високоговорител до медицински скенер. Нека го разгледаме стъпка по стъпка.

Какво представлява транзисторът?

Думата транзистор произлиза от английския израз трансферен резистор („съпротивление при прехвърляне“). На практика това е полупроводников компонент с поне три извода способен да позволи на повече или по-малко ток да преминава между два от тях, в зависимост от това какво се случва в третия. Този контрол върху тока или проводимостта на канала е това, което позволява слабите сигнали да бъдат усилвани или да действат като много бърз превключвател.

В класическата си форма, биполярният транзистор (BJT) има емитер, база и колекторМалък ток, преминаващ през базата, контролира много по-голям ток между емитера и колектора. В случая на полеви транзистори (FET), управлението се постига чрез прилагане на напрежение към гейта, модулирайки проводимостта на канала между сорс и дрейн с... много висок входен импеданс.

Те се произвеждат предимно в силицийвъпреки че съществуват и в германий, галиев арсенид (GaAs) или силициево-германиеви сплави, масивно вградени в интегрални схеми (микрочипове) или опаковани като отделни части. Тяхното капсулиране обикновено е херметичен, с пластмасов или метален корпус и три пина, и е основният активен елемент на почти цялата съвременна електроника.

Малко важна история

Мечтата за контролиране на токове в твърдотелни устройства предшества индустриалната им реализация. През 1925 г. Юлиус Едгар Лилиенфелд регистрира патенти в Канада, а по-късно и в САЩ, за устройства, които са предшествали FET, но... Липсваше качество на полупроводниковите материали да ги приложат на практика. През 1934 г. Оскар Хайл патентова нещо подобно в Европа и експериментите с кристали се умножиха. Въпреки това, едва през 1947 г. Джон Бардийн и Уолтър Братейн от Bell Laboratories наблюдават усилване на сигнала с два златни върха върху германиев кристал.

През следващите месеци Уилям Шокли се задълбочава във физиката на полупроводниците и предлага... биполярен транзисторПървата заявка за патент за транзистора е подадена през 1948 г. Същата година във Франция Херберт Матаре и Хайнрих Велкер независимо разработват „транзистрона“ за телефонната мрежа. Малко след това, през 1953 г., Филко представя първия високочестотен транзистор (до 60 MHz), а през 1954 г. е създаден и първият транзистор. силициева операционна система в Bell (Морис Таненбаум) и първият търговски модел в Texas Instruments (Гордън Тийл).

Следващата голяма революция беше MOSFETПостроен през 1960 г. от Давон Канг и Мартин Атала, той е бил ключов за интегрирането на милиони транзистори на квадратен сантиметър. В знак на признание за този важен етап, Шокли, Бардийн и Братейн получиха Нобелова награда за физика През 1956 г. той получава Нобелова награда за своите изследвания и откриването на транзисторния ефект. Оттогава електрониката претърпява експлозия в хронология на компютърната историяОт преносими радиостанции до компютри, включително телекомуникации и медицина.

Структура, сигнали и как работи биполярният транзистор (BJT)

Биполярният транзистор (BJT) е съставен от три легирани области, които създават два PN преходаемитер, база и колектор. Те са конструирани като NPN или PNP (средната буква показва типа на базата) и легирането на всяка зона е внимателно контролирано: обикновено емитерът е по-силно догирани отколкото колектора. В експлоатация, колекторният ток е приблизително пропорционален на базовия ток според параметъра бета (β) или текущо усилване.

Между базата и емитента, той се държи като диод с директно преднапрежение, с типично напрежение V_BE от 0,6-0,8 V в силиций и ~0,4 V в германий. Този диод прави базата контрола, която отваря или затваря потока от носители на заряд от емитера към колектора. Концептуално, базата регулира "отклонение" от електрони или дупки, така че малък управляващ ток управлява по-голям на изхода.

Режими на работа: активен, прекъсване и насищане

Транзисторът може да работи като amplificador lineal en активна областкъдето позволява дебит, пропорционален на базовото възбуждане. Ако базата не получи достатъчно възбуждане, устройството влиза в Corte и не води. Ако възбуждането е високо, то се намира в насищане и позволява максималния ток, разрешен от веригата. Тази гъвкавост го прави подходящ като бърз превключвател или усилвател на слаб сигнал.

NPN срещу PNP накратко

В NPN, електроните обикновено текат от колектор към емитер и устройството се активира чрез увеличаване на базовия ток с положителен референтен импулс; в PNP, практическата посока е обърната (емитер към колектор) и логиката на повлияване е комплементарна, което позволява симетрични конфигурации в много аналогови или превключващи каскади.

Видове транзистори, с които ще се сблъскате

Семейството е голямо, но всички те откликват на една и съща идея за контролиране на потока от електричество. Това са най-често срещаните и някои исторически факти, които си струва да знаете:

• Навременен контактПионерът (1947 г.), с два германиеви върха. Труден за производство, крехък и шумен, но за първи път демонстрира подобрение. Днес е музеен експонат.
• Биполярен транзистор (BJT)Класическият NPN/PNP транзистор върху единичен полупроводников кристал, легиран с донорни примеси (арсен, фосфор) или акцепторни примеси (алуминий, индий, галий). Той е... устройство с контролиран ток.
• Полеви транзистори (FET)JFET (PN гейт на прехода), IGFET и MOSFET (врата, изолирана от ръжда). Те са контролирано напрежение, с много висок входен импеданс; крайъгълен камък на мащабната интеграция.
• Фототранзистори: светлочувствителен, където осветлението действа като базов ток; идеален за дистанционно откриване чрез електромагнитно излъчване.
• IGBTизолирана порта биполарна, широко използвана в мощност чрез комбиниране на предимствата на BJT и MOSFET.
• Двойка ДарлингтънДва каскадно свързани биполярни транзистора в един и същ корпус значително увеличават глобална печалба.

Параметри и материали, които правят разликата

При избора на транзистор не е важен само видът, но и неговите характеристики. електрически параметрипробивни напрежения (колектор-емитер, база-емитер, колектор-база), максимална мощност, топлинно разсейване, работна честотаβ и вътрешни динамични съпротивления. В биполярните транзистори с малък сигнал, β обикновено варира от 100 до 300. V_BE намалява с температурата приблизително със скорост −2,1 mV/°C изработени от силиций, така че има дизайни, които включват сензори или термична компенсация.

Материалът също има значение: германио Той предлага по-висока мобилност от силиция, но течовете и допустимата температура са по-лоши; силиций Известен е със своята здравина и лекота на производство; GaAs Той свети при високи честоти благодарение на електронната си мобилност. Устройства като следните са базирани на GaAs/AlGaAs: HEMT, с много нисък шум и висока скорост, използвани в сателитни приемници около 12 GHz и, с нитриди, в най-съвременни енергийни приложения.

Друг полезен начин за разглеждане на биполярния транзистор е чрез модела на Еберс-МолДва диода: единият база-емитер в права посока, а другият база-колектор в обратна посока. Това помага да се разбере защо се появява напрежение._BE типично (0,6-0,8 V Si) и как се държи извън линейната област. При JFET и MOSFET, напрежението на гейта е доминиращо: което прави JFET-GS по-отрицателен, pinches от канала; при MOSFET, гейтът Не консумира електричество. В идеалния случай при постоянен ток, сигналът контролира проводимостта на канала между източника и дренажа.

Най-често използваните конфигурации на усилвателите

При биполярните транзистори е обичайно да се мисли от гледна точка на три класически топологии. Всяка една от тях оптимизира качеството различни (напрежение, ток или импеданси) и затова те все още са във всички книги и проекти.

• общ емитерУсилване по напрежение и ток с фазова инверсия; това е работната сила. Емитерен резистор стабилизира И ако е свързан с кондензатор, той възстановява усилването по променлив ток.
• Общ колектор (емитерен повторител): усилване на напрежението близо до 1, висок входен импеданс и нисък изход; идеален като адаптер за импеданс.
• Обща база: коефициент на усилване по ток, без фазова инверсия и много нисък входен импедансТой блести с източници на сигнал с нисък импеданс, като например динамични микрофони в определени настройки.

Практически пример (поляризиран общ емитер с делител)

Представете си, че проектирате сцена с V_CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V и β=100. Ако зададете напрежението на емитера около 1/10 от V_CC (2 V), получавате R_E≈200 ΩСпадът в R_C би било V_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, с I_C=10 mA, тогава R_C=1 kΩБазата остава на V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Ако оразмерите делителя с ток около десет пъти по-голям от базовия ток, ще получите R₂≤ 2 kΩ и пропорционално на V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

За малък сигнал, динамичното съпротивление на вътрешния емитер (r_e) при 10 mA е ~26 mV/I≈2,6 Ω, което дава усилване на напрежението идеално приближение А_v≈−R_C/r_e≈−385. При натоварване от 5 kΩ на колектора, ефективният изходен импеданс е около 830 Ω и коефициентът на усилване пада до ≈−319. импеданс, наблюдаван в основата es r_e·β≈260 Ω, а общото входно съпротивление, като се има предвид паралелно свързан делител и база, е ≈226 Ω. Свързващите и емитерните кондензатори са избрани така, че тяхното реактивно съпротивление да е незначителен в работната зона.

Този пример обобщава идеята за товарна линия и точка Q: избирате точка на почивка (често V)_CE≈V_CC/2 без R_E), което позволява симетрично отклонение на сигнала. Оттам можете да регулирате усилването, импеданса и стабилността според приложението.

FET и MOSFET: контрол на напрежението

В полевите транзистори няма базов ток сам по себе си, а по-скоро напрежение на гейта който контролира ширината на канала. Основният JFET започва с шина от N-тип или P-тип материал, с омически контакти в краищата си (дрейн и сорс) и две дифузни области, които образуват гейта. Тъй като напрежението на гейта става по-отрицателно (в N-тип JFET), каналът става удушва и шофирането спира.

MOSFET-ът, от друга страна, изолира гейта с оксиден диелектрик и постига огромен входен импеданс. Това, в комбинация с производствения му процес, съвместим с интеграцията, обяснява защо е... чип крал модерно и защо то е стимулирало поколения процесори: позволява интегрирането на стотици хиляди до милиарди взаимосвързани транзистори на квадратен сантиметър в няколко слоя.

Практически приложения: от ежедневието до индустрията

Изброяването на всички е невъзможно, но си струва да си спомним най-представителните. Като например усилвателиТранзисторите усилват сигналите в радиоапарати, телевизори или аудио оборудване. Например... превключвателиТе управляват импулсни захранвания, контролери на двигатели или осветителни системи. осцилаториТе генерират радиочестотни сигнали за комуникации. И, разбира се, те са основният градивен елемент на... интегрални схеми на компютри, смартфони и всякакви цифрови устройства.

В професионалната сфера тяхната роля е от решаващо значение телекомуникацииМедицинска електроника, индустриална автоматизация или роботика. Тяхната способност да правят по-малки и по-ефективни вериги Това промени начина, по който продуктите се проектират и произвеждат, с по-преносимо, мощно и нискоенергийно оборудване.

Предимства пред термидионните вентили (и защо понякога все още се използват)

Преди транзистора, вакуумните лампи са били доминиращи. Но те са се нуждаели високи напрежения опасни, консумирали са много енергия, били са обемисти и тежки (шасита и трансформатори), те се провалиха повече Те бяха склонни към прегряване и им отнемаше много време да достигнат работна температура поради нагряване на нишката. Освен това, страдаха от микрофонни ефекти и работеха при високи импедансиТранзисторите донесоха ниска консумация на енергия, ниско напрежение, компактност, здравина и по-ниска цена от самото начало.

Един исторически факт илюстрира разликата: ENIAC, един от първите цифрови компютри, е тежал повече от 30 тона и консумирали около 200 kW за захранване на приблизително 18 000 лампи, с ежедневни повреди. Въпреки това, лампите оцелели в специфични ниши: някои мощни радио или аудио усилватели (поради техните линейност на високо ниво и характера на неговите хармоници), закалено оборудване срещу електромагнитни импулси и приложения с екстремна мощност. С течение на времето, твърдотелната електроника също завладя много от тези граници.

Конструктивни характеристики и детайли

Като общо правило, дискретният транзистор е запечатано полупроводниково устройство с три видими терминала. Може да се конфигурира на етапи, които функционират като усилвател, превключвател, осцилатор или токоизправителСилицият е предпочитан в много конструкции поради своите термични и противопропускливи свойства, но има и германиеви семейства и съединения за специфични задачи, като например микровълнова фурна или много висока скорост.

В биполярните транзистори (BJT), с повишаване на температурата, напрежението на прехода в права посока намалява и следователно токовете на утечка могат да се увеличат разсейване на топлината И изборът на максимална мощност е ключов. При силовите полеви транзистори, производственият процес може да създаде паразитни диоди (като Шотки между сорс и дрейн), нещо, което трябва да се има предвид при проектирането на веригата.

Бързо сравнение на материалите

Ако се чудите защо някои материали са по-бързи от други, помислете за... подвижност на електрони и дупки. Ge има висока мобилност, но по-лоша максимална температура, по-голямо изтичане и по-ниска толерантност към високи напреженияСилицият предлага отличен баланс и типични температури на прехода от 150-200 °C; GaAs вдига летвата при високи честоти, въпреки че производственият му процес е по-взискателен. Следователно, всеки от тях е върховен в съответния си сегмент.

Дигитална употреба: от перфектния превключвател до логиката

При цифровото превключване транзисторът работи чрез редуване между изрязване и насищанекъдето в идеалния случай се държи като отворена или затворена верига. Тази скорост на промяна и намалената консумация на енергия правят логическите порти и двоична системаи от своя страна, процесорите и паметите. С MOSFET и CMOS технологията, статичната консумация на енергия е изключително ниска, защото гейтът не шофира в DC и се консумира само по време на преходи.

Практически предимства при инсталации и устройства

За ежедневна употреба транзисторите са от съществено значение. намален размер (оборудване, което е по-лесно за транспортиране и интегриране), Дълъг полезен живот (по-малко поддръжка), скорост (ключ в процесорите и комуникациите), ниска цена (намалява системните разходи) и енергийна ефективност (по-ниски загуби). В един дом всичко се сумира: от стабилни регулирани източници до автоматизация и спестявания.

Често задавани въпроси, на които трябва да се отговори

Транзисторът само за усилване ли се използва? Не. Той е също... ключ ултратих и ултрабърз, логическа схема, детектор на светлина (фототранзистор) или част от осцилаторУниверсалността му е най-голямото му предимство.

В кои индустрии е от решаващо значение днес? На практика във всички тях: телекомуникации и мрежиМедицинско оборудване, автомобилна индустрия, енергетика, производство и потребителска електроника. Комбинацията от мощност, миниатюризация и контрол е умножил въздействието си.

Защо някои хора говорят за „включено/изключено“? Това е разговорен начин за обозначаване на състояния на прекъсване (изключване) и проводимост (независимо дали е активен или наситен). На практика това са логическите позиции, които позволяват включване или изключване преминаването на ток.

Седемдесет и няколко години след раждането си, транзисторът остава сърцето на електрониката: От първия контакт с германий до MOSFET транзисторите Най-новото поколение може да поеме хиляди етапи, но основната идея не се е променила: прецизен контрол на потока на електричеството, за да се създадат по-силни, по-чисти сигнали или надеждна логика във все по-малки пространства.

Свързана статия:

Какво представляват цифровите системи: Основно въведение в разбирането на технологиите