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 на компактна стерео система или се свързвате с интернет от ултратънък компютър , 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. В тази статия ще обясним подробно какво е транзистор и за какво се използва , как работи вътрешно, какви са различните видове, кои параметри наистина имат значение и защо неговата история бележи повратна точка в технологиите.

Въпреки че основното му определение може да се обобщи в едно изречение, обхватът му е огромен: транзисторът контролира или променя потока на ток между два терминала в отговор на сигнал, приложен към трети терминал. Ето защо той служи като усилвател , превключвател , осцилатор или дори токоизправител в приложения, вариращи от домашен високоговорител до медицински скенер. Нека го разгледаме стъпка по стъпка.

Какво представлява транзисторът?

Думата „транзистор“ произлиза от английския израз „transfer resistor “. На практика това е полупроводников компонент с поне три извода, способен да пропуска повече или по-малко ток между два от тях, в зависимост от това какво се случва на третия. Този контрол върху тока или проводимостта на канала е това, което му позволява да усилва слаби сигнали или да действа като много бърз превключвател.

В класическата си форма, биполярният транзистор (BJT) има емитер, база и колектор . Малък 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 канал между сорс и дрейн с много висок входен импеданс.

Те се произвеждат предимно от силиций , въпреки че съществуват и от германий, галиев арсенид (GaAs) или силициево-германиеви сплави, масово вградени в интегрални схеми (микрочипове) или опаковани като дискретни компоненти. Опаковката им обикновено е херметически затворена , с пластмасов или метален корпус и три пина, и те са основният активен елемент на почти цялата съвременна електроника.

Малко важна история

Мечтата за контролиране на токове в твърдотелни схеми предшества индустриалната ѝ реализация. През 1925 г. Юлиус Едгар Лилиенфелд регистрира патенти в Канада, а по-късно и в САЩ, за устройства, които предвиждат полевите транзистори (FET), но полупроводниковите материали не притежават необходимото качество за практическо приложение. През 1934 г. Оскар Хайл патентова нещо подобно в Европа и експериментите с кристали се разпространяват. 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.

В следващите месеци Уилям Шокли се задълбочава във физиката на полупроводниците и предлага биполярния транзистор , за който е подадена първата патентна заявка през 1948 г. Същата година във Франция Херберт Матаре и Хайнрих Уелкер 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 първият работещ силициев транзистор в Bell Labs (Морис Таненбаум), като първият търговски модел е произведен в Texas Instruments (Гордън Тийл).

Следващата голяма революция е MOSFET-ът , създаден през 1960 г. от Давон Канг и Мартин Атала, който е ключов за интегрирането на милиони транзистори на квадратен сантиметър. В знак на признание за този важен етап, Шокли, Бардийн и Братейн получават Нобелова награда за физика през 1956 г. за своите изследвания и откриването на транзисторния ефект. Оттогава електрониката преживява експлозия в хронологията на компютърната история : от преносими радиостанции до компютри, обхващайки телекомуникациите и медицината.

Структура, сигнали и как работи биполярният транзистор (BJT)

Биполярният транзистор (BJT) се състои от три легирани области, които създават два PN прехода : емитер, база и колектор. Те са конструирани като NPN или PNP (средната буква показва типа на базата) и легирането на всяка област е внимателно контролирано: обикновено емитерът е по-силно легиран от колектора. При работа колекторният ток е приблизително пропорционален на базовия ток, определен от бета (β) параметъра или коефициента на усилване по ток.

Между базата и емитера, той се държи като диод с правополучено напрежение , с типично V _{_BE} напрежение от 0,6–0,8 V в силиций и ~0,4 V в германий. Този диод прави базата контрол, който 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 линеен усилвател в активната област , където позволява протичането на ток, пропорционален на възбуждането на базата. Ако базата не получи достатъчно възбуждане, устройството се изключва и не провежда ток. Ако възбуждането е високо, то се насища и позволява максималния ток, разрешен от веригата. Тази гъвкавост го прави подходящ като бърз превключвател или усилвател със слаб сигнал.

NPN срещу PNP накратко

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

Видове транзистори, с които ще се сблъскате

Семейството е широко, но всички те споделят един и същ основен принцип за контролиране на електрическия поток. Това са най-често срещаните , заедно с някои исторически примери, 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, неговият тип не е единственият важен фактор; електрическите му параметри също са от решаващо значение : пробивно напрежение (колектор-емитер, база-емитер, колектор-база), максимална мощност, разсейване на топлината, работна честота , β (трансформаторно-емитерно β) и вътрешни динамични съпротивления. В биполярните транзистори с малък сигнал, β обикновено варира от 100 до 300. VBE _{(трансформаторно-} емитерно напрежение) намалява с температурата с приблизително −2,1 mV/°C в силиций, така че някои конструкции включват термични сензори или компенсационни механизми.

Материалът също има значение: германият предлага по-висока мобилност от силиция, но неговите течове и допустима температура са по-лоши; силицийът доминира поради своята здравина и лекота на производство; GaAs показва високи честоти благодарение на своята електронна мобилност. Устройства като HEMT транзистори , с изключително нисък шум и висока скорост, са изградени върху GaAs/AlGaAs и се използват в сателитни приемници около 12 GHz, а с нитриди - в енергийни приложения от следващо поколение.

Друг полезен начин за визуализиране на биполярно-полюсен транзистор (БПТ) е моделът на Еберс-Мол : два диода, единият с право смещение база-емитер, а другият с обратно смещение база-колектор. Това помага да се разбере защо се появява типично VBE (0,6-0,8 V Si) _и как се държи извън линейната област. В JFET и MOSFET транзисторите напрежението на гейта е доминиращо: ако гейтът стане по-отрицателен в JFET-GS, напрежението се откъсва от канала; в MOSFET транзисторите гейтът в идеалния случай не черпи постоянен ток, а сигналът контролира проводимостта на канала между сорс и дрейн.

Най-често използваните конфигурации на усилвателите

При биполярните транзистори е обичайно да се мисли от гледна точка на три класически топологии. Всяка от тях оптимизира различно качество (напрежение, ток или импеданс), поради което те все още се срещат 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 малки сигнали, динамичното съпротивление на вътрешния емитер (r _{_e}) при 10 mA е ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, което дава приблизително идеално усилване на напрежението A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. При натоварване от 5 kΩ на колектора, ефективният изходен импеданс е около 830 Ω и усилването пада до ≈ −319. Импедансът, наблюдаван в базата, е r _{_e} · β ≈ 260 Ω, а общият входен импеданс, като се имат предвид делител и база, свързани паралелно, е ≈ 226 Ω. Свързващите и емитерните кондензатори са избрани така, че тяхното реактивно съпротивление да е пренебрежимо малко в работната лента.

Този пример обобщава концепцията за линия на натоварване и Q-точка : избирате точка на покой (често VCE _≈VCC / 2 без RE ₎ , която позволява симетрично отклонение на сигнала. Оттам настройвате усилването, импеданса и стабилността според приложението_.

FET и MOSFET: контрол на напрежението

В полевите транзистори (FET) няма базов ток сам по себе си, а по-скоро напрежение на гейта , което контролира ширината на канала. Основният JFET се състои от прът от N-тип или P-тип материал, с омически контакти в краищата си (дрейн и сорс) и две дифузни области, които образуват гейта. Когато напрежението на гейта стане по-отрицателно (в N-тип JFET), каналът се стеснява и проводимостта 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 той е кралят на съвременния чип и защо е задвижвал поколения процесори : той позволява интегрирането на стотици хиляди до милиарди взаимосвързани транзистори на квадратен сантиметър в множество слоеве.

Практически приложения: от ежедневието до индустрията

Изброяването на всички е невъзможно, но си струва да си спомним най-представителните. Като усилватели , транзисторите усилват сигналите в радиоапарати, телевизори и аудио оборудване. Като ключове , те управляват импулсни захранвания, контролери на двигатели и осветителни системи. В осцилаторите те генерират радиочестотни сигнали за комуникации. И, разбира се, те са основният градивен елемент на интегралните схеми в компютрите, смартфоните и всякакви цифрови устройства.

В професионалната сфера тяхната роля е от решаващо значение в телекомуникациите , медицинската електроника, индустриалната автоматизация и роботиката. Способността им да създават по-малки и по-ефективни схеми е трансформирала дизайна и производството на продукти, което е довело до по-преносимо, мощно и енергийно ефективно оборудване.

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

Преди транзисторите, вакуумните лампи царуваха. Но те изискваха опасно високи напрежения , консумираха много енергия, бяха обемисти и тежки (шасита и трансформатори), по-склонни към повреди поради прегряване и отнемаха много време, за да достигнат работна температура поради нагряване на жичката. Освен това, те страдаха от микрофонни ефекти и работеха при високи импеданси . Транзисторите 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 над 30 тона и е консумирал около 200 kW, за да захранва приблизително 18 000 вакуумни лампи, с ежедневни повреди. Въпреки това, вакуумните лампи са оцелели в специфични ниши: някои мощни радио или аудио усилватели (поради високата им линейност и характера на хармониците им), оборудване, устойчиво на електромагнитни импулси , и приложения с екстремна мощност. С течение на времето, твърдотелната електроника също е завладяла много от тези граници.

Конструктивни характеристики и детайли

Като общо правило, дискретният транзистор е запечатано полупроводниково устройство с три видими терминала. Той може да бъде конфигуриран на етапи, за да функционира като усилвател, превключвател, осцилатор или токоизправител . Силицият е предпочитан в много конструкции поради своите термични свойства и свойства на утечка, но има и германиеви и съставни транзистори за специфични задачи, като например микровълнови или много високоскоростни приложения.

При биполярните транзистори (BJT), с повишаване на температурата, напрежението на прехода в права посока намалява и токовете на утечка могат да се увеличат, така че разсейването на топлината и изборът на максимална мощност са от решаващо значение. При мощните полеви транзистори (FET), производственият процес може да създаде паразитни диоди (като например диода на Шотки между източника и дрейна), което трябва да се вземе предвид при проектирането на схемата.

Бързо сравнение на материалите

Ако се чудите защо някои материали са по-бързи от други, помислете за мобилността на електроните и дупките . Ge има висока мобилност, но по-ниска максимална температура, по-голямо изтичане и по-ниска толерантност към високи напрежения ; Si предлага отличен баланс и типични температури на прехода от 150-200 °C; GaAs вдига летвата при високи честоти, въпреки че производството му е по-взискателно. Ето защо всеки един царува в съответния си сегмент.

Дигитална употреба: от перфектния превключвател до логиката

При цифровото превключване, транзисторът работи чрез редуване между прекъсване и насищане , където в идеалния случай се държи като отворена или затворена верига. Тази скорост на превключване и ниската консумация на енергия правят възможни логическите гейтове и двоичната система , а в каскада - процесори и памети. С MOSFET и CMOS технологиите, статичната консумация на енергия е изключително ниска, защото гейтът не провежда постоянен ток и токът се консумира само по време на преходи.

Практически предимства при инсталации и устройства

За ежедневна употреба, транзисторите предлагат малък размер (което прави оборудването по-лесно за транспортиране и интегриране), дълъг живот (изискващи по-малко поддръжка), скорост (ключови за процесорите и комуникациите), ниска цена (намаляване на системните разходи) и енергийна ефективност (минимални загуби). В дома всяка малка подробност е от значение: от стабилни, регулирани захранвания до автоматизация и пестене на енергия.

Често задавани въпроси, на които трябва да се отговори

Транзисторът само за усилване ли се използва? Не. Той е също така ултратих и ултрабърз превключвател , градивен елемент на логически схеми, светлинен детектор (фототранзистор) или част от осцилатор . Най-голямото му предимство е неговата универсалност.

В кои индустрии е от решаващо значение днес? На практика във всички: телекомуникации и мрежи , медицинско оборудване, автомобилостроене, енергетика, производство и потребителска електроника. Комбинацията от мощност, миниатюризация и контрол е умножила въздействието му.

Защо някои хора говорят за „включено/изключено“? Това е разговорен начин за обозначаване на състоянията на прекъсване (изключено) и провеждане (активно или насищане). На практика това са логическите позиции, които позволяват протичането на ток да бъде включено или изключено .

Седемдесет и няколко години след раждането си, транзисторът остава сърцето на електрониката: от първия точков контакт върху германий до най-новото поколение MOSFET транзистори, са извършени хиляди важни етапи, но централната идея не се е променила: прецизно да се контролира как протича 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