Šta je tranzistor i za šta se koristi: vrste, historija i upotreba

Informatec Digital » Resursi » Šta je tranzistor i za šta se koristi: vrste, historija i upotreba

Ako danas nosite mobilni telefon u džepu, slušate muziku na kompaktnom stereo sistemu ili se povezujete na internet sa ultra tankog računara , to je zahvaljujući malom, ali moćnom izumu: tranzistoru. Od svog pojavljivanja krajem 40-ih, ovaj poluprovodnički uređaj je pokrenuo minijaturizaciju i snagu moderne elektronike. U ovom članku ćemo detaljno objasniti šta je tranzistor i za šta se koristi , kako interno funkcioniše, koje su različite vrste dostupne, koji su parametri zaista važni i zašto je njegova historija označila prekretnicu u tehnologiji.

Iako se njegova osnovna definicija može sažeti u jednoj rečenici, njegov opseg je ogroman: tranzistor kontrolira ili modificira protok struje između dva terminala kao odgovor na signal primijenjen na treći terminal. Zbog toga služi kao pojačalo , prekidač , oscilator ili čak ispravljač , u primjenama koje se kreću od kućnog zvučnika do medicinskog skenera. Idemo korak po korak.

Šta je tranzistor?

Riječ tranzistor potiče od engleskog izraza "transfer resistor ". U praksi, to je poluprovodnička komponenta s najmanje tri terminala sposobna propustiti veći ili manji protok struje između bilo koja dva od njih, ovisno o tome što se događa na trećem. Ova kontrola nad strujom ili provodljivošću kanala omogućava mu pojačavanje slabih signala ili djelovanje kao vrlo brz prekidač.

U svom klasičnom obliku, bipolarni spojni tranzistor (BJT) ima emiter, bazu i kolektor . Mala struja koja ulazi kroz bazu kontrolira mnogo veću struju između emitera i kolektora. U slučaju tranzistora s efektom polja (FET), kontrola se postiže primjenom napona na gejt, modulirajući provodljivost kanala između izvora i odvoda s vrlo visokom ulaznom impedansom.

Uglavnom se proizvode od silicija , iako postoje i u germanijumu, galijum arsenidu (GaAs) ili legurama silicijuma i germanija, masovno ugrađeni u integrisana kola (mikročipove) ili pakovani kao diskretne komponente. Njihovo pakovanje je obično hermetički zatvoreno , sa plastičnim ili metalnim kućištem i tri pina, i oni su osnovni aktivni element gotovo sve moderne elektronike.

Malo bitne historije

San o kontroli struja u čvrstim kolima prethodio je njegovoj industrijskoj realizaciji. Godine 1925. Julius Edgar Lilienfeld registrovao je patente u Kanadi, a kasnije i u SAD-u, za uređaje koji su anticipirali FET, ali poluprovodnički materijali nisu imali potreban kvalitet za praktičnu primjenu. Godine 1934. Oskar Heil patentirao je nešto slično u Evropi, a eksperimenti s kristalima su se proširili. Uprkos tome, tek su 1947. John Bardeen i Walter Brattain u Bell Laboratories primijetili pojačanje signala s dva zlatna vrha na kristalu germanijuma.

U narednim mjesecima, William Shockley je dublje istraživao fiziku poluprovodnika i predložio bipolarni spojni tranzistor , za koji je prva patentna prijava podnesena 1948. godine. Iste godine, u Francuskoj, Herbert Mataré i Heinrich Welker su nezavisno razvili "tranzistron" za telefonsku mrežu. Ubrzo nakon toga, 1953. godine, Philco je predstavio prvi visokofrekventni tranzistor (do 60 MHz), a 1954. godine postignut je prvi operativni silicijumski tranzistor u Bell Labsu (Morris Tanenbaum), a prvi komercijalni model proizveden je u Texas Instrumentsu (Gordon Teal).

Sljedeća velika revolucija bio je MOSFET , koji su 1960. godine konstruirali Dawon Kahng i Martin Atalla, a koji je bio ključan za integraciju miliona tranzistora po kvadratnom centimetru. U znak priznanja za ovu prekretnicu, Shockley, Bardeen i Brattain dobili su Nobelovu nagradu za fiziku 1956. godine za svoje istraživanje i otkriće tranzistorskog efekta. Od tada je elektronika doživjela eksploziju u vremenskoj liniji historije računarstva : od prenosivih radio prijemnika do računara, obuhvatajući telekomunikacije i medicinu.

Struktura, signali i kako BJT funkcioniše

BJT se sastoji od tri dopirane regije koje stvaraju dva PN spoja : emiter, bazu i kolektor. Konstruisane su kao NPN ili PNP (srednje slovo označava tip baze), a dopiranje svake regije je pažljivo kontrolirano: obično je emiter jače dopiran od kolektora. U radu, struja kolektora je približno proporcionalna struji baze, određenoj beta (β) parametrom ili strujnim pojačanjem.

Između baze i emitera, ponaša se kao dioda polarizirana u smjeru promjenjivog napona , s tipičnim naponom V _BE od 0,6–0,8 V u silicijumu i ~0,4 V u germaniju. Ova dioda čini bazu kontrolom koja otvara ili zatvara protok nosioca naboja od emitera do kolektora. Konceptualno, baza regulira "dovod" elektrona ili šupljina, tako da mala kontrolna struja upravlja većom na izlazu.

Radni režimi: aktivni, granični i zasićeni

Tranzistor može raditi kao linearni pojačavač u aktivnom području , gdje omogućava protok struje proporcionalno pobuđivanju baze. Ako baza ne primi dovoljno pobuđivanja, uređaj se isključuje i ne provodi. Ako je pobuđivanje visoko, ono se zasićuje i omogućava maksimalnu struju koju dozvoljava kolo. Ova svestranost ga čini pogodnim kao brzi prekidač ili pojačavač slabog signala.

NPN vs PNP ukratko

U NPN tranzistoru, elektroni obično teku od kolektora do emitera , a uređaj se aktivira povećanjem bazne struje pozitivnom referencom; u PNP tranzistoru, praktični smjer je obrnut (emiter do kolektora), a logika polariziranja je komplementarna, što omogućava simetrične konfiguracije u mnogim analognim ili preklopnim fazama.

Vrste tranzistora s kojima ćete se susresti

Porodica je široka, ali svi dijele isti osnovni princip kontrole električnog toka. Ovo su najčešći , uz neke historijske primjere koje vrijedi znati:

• Pravovremeni kontaktPionir (1947), sa dva germanijumska vrha. Teško za proizvodnju, krhko i bučno, ali je prvi put pokazalo prednost. Danas je muzejski eksponat.
• Bipolarni spojni tranzistor (BJT)Klasični NPN/PNP tranzistor na jednom poluprovodničkom kristalu, dopiran donorskim nečistoćama (arsen, fosfor) ili akceptorskim nečistoćama (aluminij, indijum, galijum). To je... uređaj kontroliran strujom.
• Tranzistori s efektom polja (FET)JFET (spojni gejt PN), IGFET i MOSFET (vrata izolovana hrđom). Oni su naponski kontroliran, sa vrlo visokom ulaznom impedansom; temelj integracije velikih razmjera.
• Fototranzistoriosjetljiv na svjetlost, gdje osvjetljenje djeluje kao bazna struja; idealno za daljinsko otkrivanje elektromagnetnim zračenjem.
• IGBTBipolarna izolirana kapija, široko korištena u snaga kombinovanjem prednosti BJT-a i MOSFET-a.
• Par iz DarlingtonaDva kaskadno povezana BJT-a unutar istog kućišta znatno povećavaju globalni dobitak.

Parametri i materijali koji čine razliku

Prilikom odabira tranzistora, njegov tip nije jedini važan faktor; ključni su i njegovi električni parametri : probojni naponi (kolektor-emiter, baza-emiter, kolektor-baza), maksimalna snaga, rasipanje topline, radna frekvencija , β (transformacija-emiter β) i unutrašnji dinamički otpori. Kod bipolarnih tranzistora malih signala, β se obično kreće od 100 do 300. VBE _{(transformacija-} emiter napon) se smanjuje s temperaturom na približno -2,1 mV/°C u silicijumu, tako da neki dizajni uključuju termalne senzore ili mehanizme kompenzacije.

Materijal je također važan: germanij nudi veću mobilnost od silicija, ali su mu propuštanje i dozvoljena temperatura lošiji; silicijum dominira zbog svoje robusnosti i lakoće izrade; GaAs sija na visokim frekvencijama zahvaljujući svojoj elektronskoj mobilnosti. Uređaji poput HEMT-ova , s izuzetno niskim šumom i velikom brzinom, izgrađeni su na GaAs/AlGaAs i koriste se u satelitskim prijemnicima oko 12 GHz i, s nitridima, u energetskim primjenama sljedeće generacije.

Još jedan koristan način vizualizacije bipolarnog jonizujućeg tranzistora (BJT) je Ebers-Moll model : dvije diode, jedna direktno polarizirana baza-emiter, a druga inverzno polarizirana baza-kolektor. Ovo pomaže u razumijevanju zašto se pojavljuje tipična VBE (0,6-0,8 V Si) _i kako se ponaša izvan linearnog područja. Kod JFET-ova i MOSFET-ova, napon gejta je dominantan: povećanje negativnosti gejta u JFET-GS-u dovodi do prekida kanala; kod MOSFET-ova, gejt idealno ne vuče istosmjernu struju, a signal kontroliše provodljivost kanala između izvora i odvoda.

Najčešće korištene konfiguracije pojačala

Kod bipolarnih tranzistora (BJT) uobičajeno je razmišljati u smislu tri klasične topologije. Svaka optimizuje različitu kvalitetu (napon, struju ili impedanciju), zbog čega se i dalje nalaze u svim knjigama i projektima.

• zajednički emiterPojačanje napona i struje, s faznom inverzijom; to je radni konj. Emiterski otpornik stabilizira A ako se premosti kondenzatorom, nadoknađuje AC pojačanje.
• Zajednički kolektor (emiterski pratilac): pojačanje napona blizu 1, visoka ulazna impedancija i niska izlazna snaga; idealan kao adapter impedance.
• Zajednička baza: strujno pojačanje, bez fazne inverzije i vrlo niska ulazna impedancijaOdlično se snalazi s izvorima signala niske impedancije, kao što su dinamički mikrofoni u određenim postavkama.

Praktičan primjer (polarizirani zajednički emiter s razdjelnikom)

Zamislite da dizajnirate pozornicu pomoću V-a._CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V i β=100. Ako postavite napon emitera na oko 1/10 V_CC (2 V), dobijate R_E≈200 ΩPad u R_C bilo bi V_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, sa I_C=10 mA, tada R_C=1 kΩBaza ostaje na V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Ako dimenzionirate djelitelj sa strujom oko deset puta većom od bazne struje, dobit ćete R₂≤ 2 kΩ i, proporcionalno V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Za male signale, dinamički otpor internog emitera (r _{_e}) pri 10 mA je ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, što daje približno idealno naponsko pojačanje A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Sa opterećenjem kolektora od 5 kΩ, efektivna izlazna impedansa je oko 830 Ω, a pojačanje pada na ≈ −319. Impedansa na bazi je r _{_e} · β ≈ 260 Ω, a ukupna ulazna impedansa, uzimajući u obzir djelitelj i bazu paralelno, je ≈ 226 Ω. Kondenzatori za spregu i emiter su odabrani tako da je njihova reaktansa zanemariva u radnom opsegu.

Ovaj primjer sažima koncept linije opterećenja i Q-tačke : bira se tačka mirovanja (često VCE _≈VCC / 2 bez RE ₎ koja omogućava simetričnu ekskurziju signala. Odatle se podešava pojačanje, impedancija i stabilnost u skladu s primjenom_.

FET i MOSFET: kontrola napona

Kod FET-ova ne postoji sama bazna struja, već napon gejta koji kontroliše širinu kanala. Osnovni JFET se sastoji od šipke od N-tipa ili P-tipa materijala, sa omskim kontaktima na krajevima (odvod i izvor) i dva difuzna područja koja formiraju gejt. Kako napon gejta postaje negativniji (kod N-tipa JFET-a), kanal se sužava i provođenje prestaje.

S druge strane, MOSFET izoluje gejt oksidnim dielektrikom i postiže ogromnu ulaznu impedansu. Ovo, u kombinaciji sa njegovim proizvodnim procesom kompatibilnim sa integracijom, objašnjava zašto je kralj modernog čipa i zašto je pokretao generacije procesora : omogućava integraciju stotina hiljada do milijardi međusobno povezanih tranzistora po kvadratnom centimetru u više slojeva.

Praktična primjena: od svakodnevnog života do industrije

Nemoguće ih je sve nabrojati, ali vrijedi se sjetiti najreprezentativnijih. Kao pojačala , tranzistori pojačavaju signale u radio-aparatima, televizorima i audio opremi. Kao prekidači , oni kontrolišu preklopne izvore napajanja, kontrolere motora i sisteme rasvjete. U oscilatorima generišu radiofrekventne signale za komunikaciju. I, naravno, oni su osnovni gradivni blok integrisanih kola u računarima, pametnim telefonima i svim vrstama digitalnih uređaja.

U profesionalnoj sferi, njihova uloga je ključna u telekomunikacijama , medicinskoj elektronici, industrijskoj automatizaciji i robotici. Njihova sposobnost stvaranja manjih, efikasnijih kola transformirala je dizajn i proizvodnju proizvoda, što je rezultiralo prenosivijom, snažnijom i energetski efikasnijom opremom.

Prednosti u odnosu na termidionske ventile (i zašto se ponekad još uvijek koriste)

Prije tranzistora, vakuumske cijevi su vladale. Međutim, one su zahtijevale opasno visoke napone , trošile su mnogo energije, bile su glomazne i teške (šasija i transformatori), sklonije kvarovima zbog pregrijavanja i trebalo im je dugo da dostignu radnu temperaturu zbog zagrijavanja niti. Nadalje, patile su od mikrofonskih efekata i radile su na visokim impedansama . Tranzistori su od samog početka donosili nisku potrošnju energije, nizak napon, kompaktnost, robusnost i nižu cijenu.

Historijska činjenica ilustruje razliku: ENIAC, jedan od prvih digitalnih računara, težio je preko 30 tona i trošio je oko 200 kW za napajanje približno 18.000 vakuumskih cijevi, sa svakodnevnim kvarovima. Uprkos tome, vakuumske cijevi su opstale u specifičnim nišama: nekim radio ili audio pojačalima velike snage (zbog njihove visoke linearnosti i karaktera njihovih harmonika), opremi otpornoj na elektromagnetne impulse i primjenama ekstremne snage. Vremenom je i elektronika u čvrstom stanju osvojila mnoge od ovih granica.

Karakteristike i detalji konstrukcije

Općenito, diskretni tranzistor je zatvoreni poluprovodnički uređaj s tri vidljiva terminala. Može se konfigurirati u fazama da funkcionira kao pojačalo, prekidač, oscilator ili ispravljač . Silicij je preferiran u mnogim dizajnima zbog svojih termičkih i svojstava curenja, ali postoje i porodice germanijumskih i složenih tranzistora za specifične zadatke, kao što su mikrovalne ili vrlo brze primjene.

Kod bipolarnih tranzistora (BJT), kako temperatura raste, napon na spoju u smjeru prolaska se smanjuje, a struje curenja se mogu povećati, tako da su rasipanje topline i izbor maksimalne snage ključni. Kod energetskih FET-ova, proizvodni proces može stvoriti parazitske diode (kao što je Schottky dioda između izvora i odvoda), što treba uzeti u obzir pri dizajnu kola.

Brza usporedba materijala

Ako se pitate zašto su neki materijali brži od drugih, razmislite o pokretljivosti elektrona i šupljina . Ge ima visoku pokretljivost, ali nižu maksimalnu temperaturu, veće curenje i nižu toleranciju na visoke napone ; Si nudi odličnu ravnotežu i tipične temperature spoja od 150-200 °C; GaAs podiže ljestvicu na visokim frekvencijama, iako je njegova izrada zahtjevnija. Zato svaki od njih vlada u svom segmentu.

Digitalna upotreba: od savršenog prekidača do logike

U digitalnom preključivanju, tranzistor radi naizmjenično između prekida i zasićenja , gdje se idealno ponaša kao otvoreno ili zatvoreno kolo. Ova brzina preključivanja i niska potrošnja energije omogućavaju logička vrata i binarni sistem , a u kaskadama i CPU-e i memorije. S MOSFET-ima i CMOS tehnologijom, statička potrošnja energije je izuzetno niska jer vrata ne provode istosmjernu struju , a struja se troši samo tokom prijelaza.

Praktične prednosti u instalacijama i uređajima

Za svakodnevnu upotrebu, tranzistori nude malu veličinu (što olakšava transport i integraciju opreme), dug vijek trajanja (zahtijevaju manje održavanja), brzinu (ključni su za procesore i komunikaciju), nisku cijenu (smanjenje troškova sistema) i energetsku efikasnost (minimalni gubici). U domu, svaka sitnica pomaže: od stabilnih, reguliranih napajanja do automatizacije i uštede energije.

Često postavljana pitanja na koja treba odgovoriti

Da li se tranzistor koristi samo za pojačanje? Ne. On je također ultra-tih i ultra-brz prekidač , gradivni blok logičkih kola, detektor svjetlosti (fototranzistor) ili dio oscilatora . Njegova svestranost je njegova najveća prednost.

U kojim industrijama je danas ključna? Gotovo u svim: telekomunikacije i mreže , medicinska oprema, automobilska industrija, energetika, proizvodnja i potrošačka elektronika. Kombinacija snage, miniaturizacije i kontrole umnožila je njen utjecaj.

Zašto neki ljudi govore o "uključeno/isključeno"? To je kolokvijalni način označavanja stanja prekida (off) i provođenja (bilo aktivnog ili zasićenog). U praksi, to su logički položaji koji omogućavaju uključivanje ili isključivanje protoka struje .

Sedamdesetak godina nakon svog rođenja, tranzistor ostaje srce elektronike: od prvog tačkastog kontakta na germanijumu do najnovije generacije MOSFET-ova, bilo je hiljada prekretnica, ali centralna ideja se nije promijenila: precizno kontrolisati protok električne energije kako bi se stvorili jači, čistiji signali ili pouzdana logika unutar sve manjih prostora.