Co je tranzistor a k čemu se používá: typy, historie a použití

Informatec Digital » Zdroje » Co je tranzistor a k čemu se používá: typy, historie a použití

Pokud dnes nosíte mobilní telefon v kapse, posloucháte hudbu na kompaktním stereo systému nebo se připojujete k internetu z ultratenkého počítače , je to díky malému, ale mocnému vynálezu: tranzistoru. Od svého vzniku na konci 40. let 20. století je tato polovodičová součástka hnací silou miniaturizace a síly moderní elektroniky. V tomto článku si podrobně vysvětlíme, co je tranzistor a k čemu se používá , jak funguje uvnitř, jaké jsou různé dostupné typy, na kterých parametrech skutečně záleží a proč jeho historie znamenala zlom v technologii.

Ačkoliv lze jeho základní definici shrnout do jediné věty, jeho rozsah je obrovský: tranzistor řídí nebo upravuje tok proudu mezi dvěma svorkami v reakci na signál přivedený na třetí svorku. Proto slouží jako zesilovač , spínač , oscilátor nebo dokonce usměrňovač v aplikacích od domácího reproduktoru až po lékařský skener. Pojďme si to rozebrat krok za krokem.

Co je to tranzistor?

Slovo tranzistor pochází z anglického výrazu „transfer resistor“ (přenosový rezistor ). V praxi se jedná o polovodičovou součástku s alespoň třemi vývody, která je schopna propouštět větší či menší proud mezi libovolnými dvěma z nich v závislosti na tom, co se děje na třetím. Tato regulace proudu nebo vodivosti kanálu mu umožňuje zesilovat slabé signály nebo fungovat jako velmi rychlý spínač.

Ve své klasické podobě má bipolární tranzistor (BJT) emitor, bázi a kolektor . Malý proud procházející bází řídí mnohem větší proud mezi emitorem a kolektorem. V případě tranzistorů s efektem pole (FET) se řízení dosahuje přivedením napětí na hradlo, čímž se moduluje vodivost kanálu mezi zdrojem a odtokem s velmi vysokou vstupní impedancí.

Většinou se vyrábějí z křemíku , ačkoli existují i ​​z germania, arsenidu galia (GaAs) nebo slitin křemíku a germania, masivně zabudované do integrovaných obvodů (mikročipů) nebo balené jako diskrétní součástky. Jejich balení je obvykle hermeticky uzavřené , s plastovým nebo kovovým pouzdrem a třemi piny, a jsou základním aktivním prvkem téměř veškeré moderní elektroniky.

Trocha důležité historie

Sen o řízení proudů v polovodičových obvodech předcházel jeho průmyslové realizaci. V roce 1925 si Julius Edgar Lilienfeld zaregistroval patenty v Kanadě a později v USA na zařízení, která předcházela FET, ale polovodičové materiály postrádaly potřebnou kvalitu pro praktické použití. V roce 1934 si Oskar Heil patentoval něco podobného v Evropě a experimenty s krystaly se rozmohly. Přesto až v roce 1947 John Bardeen a Walter Brattain z Bell Laboratories pozorovali zesílení signálu se dvěma zlatými hroty na germaniovém krystalu.

V následujících měsících se William Shockley hlouběji ponořil do fyziky polovodičů a navrhl bipolární tranzistor , na který byla v roce 1948 podána první patentová přihláška. Ve stejném roce ve Francii Herbert Mataré a Heinrich Welker nezávisle vyvinuli „tranzistron“ pro telefonní síť. Krátce poté, v roce 1953, představila společnost Philco první vysokofrekvenční tranzistor (až 60 MHz) a v roce 1954 byl v Bell Labs (Morris Tanenbaum) zprovozněn první funkční křemíkový tranzistor a první komerční model byl vyroben ve společnosti Texas Instruments (Gordon Teal).

Další velkou revolucí byl MOSFET , který v roce 1960 sestrojili Dawon Kahng a Martin Atalla a který byl klíčem k integraci milionů tranzistorů na centimetr čtvereční. Na uznání tohoto milníku obdrželi Shockley, Bardeen a Brattain v roce 1956 Nobelovu cenu za fyziku za svůj výzkum a objev tranzistorového jevu. Od té doby elektronika zažila v časové ose historie počítačů explozi : od přenosných rádií přes počítače až po telekomunikace a medicínu.

Struktura, signály a fungování BJT

Bipolární tranzistor (BJT) se skládá ze tří dopovaných oblastí, které vytvářejí dva PN přechody : emitor, bázi a kolektor. Jsou konstruovány jako NPN nebo PNP (prostřední písmeno označuje typ báze) a dopování každé oblasti je pečlivě kontrolováno: emitor je obvykle silněji dopován než kolektor. Za provozu je kolektorový proud přibližně úměrný proudu báze, určenému parametrem beta (β) neboli proudovým zesílením.

Mezi bází a emitorem se chová jako dioda s dopředným polaritním napětím s typickým napětím V _BE 0,6–0,8 V v křemíku a ~0,4 V v germania. Tato dioda dělá z báze regulátor, který otevírá nebo uzavírá tok nosičů náboje z emitoru do kolektoru. Koncepčně báze reguluje „odbočku“ elektronů nebo děr, takže malý řídicí proud řídí větší proud na výstupu.

Provozní režimy: aktivní, odříznutý a saturační

Tranzistor může v aktivní oblasti fungovat jako lineární zesilovač , kde propouští proud úměrný buzení báze. Pokud báze nedostává dostatečné buzení, součástka se vypne a nevede. Pokud je buzení vysoké, dosáhne saturace a propouští maximální proud povolený obvodem. Tato všestrannost ho činí vhodným jako rychlý spínač nebo zesilovač slabého signálu.

NPN vs. PNP ve zkratce

V NPN tranzistoru elektrony obvykle proudí z kolektoru do emitoru a součástka se aktivuje zvýšením základního proudu kladným referenčním napětím; v PNP tranzistoru je praktický směr obrácený (emitor do kolektoru) a logika předpětí je komplementární, což umožňuje symetrické konfigurace v mnoha analogových nebo spínacích stupních.

Typy tranzistorů, se kterými se setkáte

Rodina je široká, ale všechny sdílejí stejný základní princip řízení elektrického toku. Zde jsou nejběžnější a několik historických příkladů, které stojí za znát:

• Včasný kontaktPrůkopnický (1947) se dvěma germaniovými hroty. Obtížně vyrobitelný, křehký a hlučný, ale poprvé prokázal zisk. Dnes je to muzejní exponát.
• Bipolární tranzistor (BJT)Klasický NPN/PNP tranzistor na jediném polovodičovém krystalu, dopovaný donorovými nečistotami (arsen, fosfor) nebo akceptorovými nečistotami (hliník, indium, galium). Je to... proudově řízené zařízení.
• Tranzistory s polním efektem (FET)JFET (spojovací hradlový PN), IGFET a MOSFET (dveře izolované rzí). Jsou řízené napětím, s velmi vysokou vstupní impedancí; základní kámen integrace ve velkém měřítku.
• Fototranzistorycitlivý na světlo, kde osvětlení funguje jako základní proud; ideální pro vzdálená detekce elektromagnetickým zářením.
• IGBT: izolovaná hradla bipolární, široce používaná v moc kombinací výhod BJT a MOSFET.
• Darlingtonský párDva kaskádovitě zapojené bipolární tranzistory (BJT) ve stejném pouzdře výrazně zvyšují globální zisk.

Parametry a materiály, které dělají rozdíl

Při výběru tranzistoru není jeho typ jediným důležitým faktorem; zásadní jsou také jeho elektrické parametry : průrazné napětí (kolektor-emitor, báze-emitor, kolektor-báze), maximální výkon, odvod tepla, provozní frekvence , β (transformační napětí-emitor β) a vnitřní dynamické odpory. U malosignálových bipolárních tranzistorů (BJT) se β obvykle pohybuje v rozmezí od 100 do 300. Napětí _{transformačního emitoru (} VBE) klesá s teplotou přibližně o -2,1 mV/°C v křemíku, takže některé konstrukce obsahují tepelné senzory nebo kompenzační mechanismy.

Důležitý je i materiál: germanium nabízí vyšší mobilitu než křemík, ale jeho únik a přípustná teplota jsou horší; křemík dominuje díky své robustnosti a snadné výrobě; GaAs vyniká na vysokých frekvencích díky své elektronické mobilitě. Zařízení jako HEMT s extrémně nízkým šumem a vysokou rychlostí jsou postavena na GaAs/AlGaAs a používají se v satelitních přijímačích kolem 12 GHz a s nitridy v energetických aplikacích nové generace.

Dalším užitečným způsobem vizualizace bipolárního tranzistoru (BJT) je Ebers-Mollův model : dvě diody, jedna s propustným polaritním polem báze-emitor a druhá s propustným polaritním polem báze-kolektor. To pomáhá pochopit, proč se objevuje typická VBE (0,6-0,8 V Si) _a jak se chová mimo lineární oblast. U JFETů a MOSFETů je dominantní napětí na hradle: zvýšení zápornosti hradla v JFET-GS způsobí sepnutí kanálu; u MOSFETů hradlo v ideálním případě neodebírá žádný stejnosměrný proud a signál řídí vodivost kanálu mezi zdrojem a odtokem.

Nejčastěji používané konfigurace zesilovačů

U bipolárních tranzistorů (BJT) je běžné uvažovat v termínech tří klasických topologií. Každá z nich optimalizuje jinou kvalitu (napětí, proud nebo impedanci), a proto se s nimi stále setkáváme ve všech knihách a projektech.

• společný emitorZesílení napětí a proudu s fázovou inverzí; to je pracant. Emitorový rezistor stabilizuje A pokud je přemostěn kondenzátorem, obnoví střídavý zisk.
• Společný sběrač (emitorový sledovač): zesílení napětí blízké 1, vysoká vstupní impedance a nízký výkon; ideální jako impedanční adaptér.
• Společný základ: proudový zisk bez fázové inverze a velmi nízká vstupní impedanceV určitých nastaveních vyniká u zdrojů signálu s nízkou impedancí, jako jsou například dynamické mikrofony.

Praktický příklad (polarizovaný společný emitor s děličem)

Představte si, že navrhujete pódium s V._CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V a β=100. Pokud nastavíte napětí emitoru na přibližně 1/10 V_CC (2 V), dostanete R_E≈200 ΩPokles R_C by bylo V._RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, s I_C=10 mA, pak R_C=1 kΩZákladna zůstává na V._B=V_E+V_BE≈2,7 V. Pokud dělič dimenzujete na proud přibližně desetinásobek proudu báze, získáte R₂≤ 2 kΩ a v poměru k V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Pro malé signály je dynamický odpor vnitřního emitoru (r _{_e}) při 10 mA ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, což dává přibližné ideální zesílení napětí A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Při zatížení kolektoru 5 kΩ je efektivní výstupní impedance kolem 830 Ω a zesílení klesá na ≈ −319. Impedance pozorovaná na bázi je r _{_e} · β ≈ 260 Ω a celková vstupní impedance, s ohledem na paralelní zapojení děliče a báze, je ≈ 226 Ω. Vazební a emitorové kondenzátory jsou zvoleny tak, aby jejich reaktance byla v provozním pásmu zanedbatelná .

Tento příklad shrnuje koncept zatěžovací čáry a Q-bodu : zvolíte klidový bod (často VCE _≈VCC / 2 bez RE ₎ , který umožňuje symetrický výkyv signálu. Odtud upravíte zesílení, impedanci a stabilitu podle aplikace_.

FET a MOSFET: regulace napětí

V FETech neexistuje žádný základní proud jako takový, ale spíše hradlové napětí , které řídí šířku kanálu. Základní JFET se skládá z tyče z materiálu typu N nebo P s ohmickými kontakty na koncích (drain a source) a dvěma difúzními oblastmi, které tvoří hradlo. Jak se hradlové napětí stává zápornějším (u JFETu typu N), kanál se zužuje a vedení přestává.

MOSFET na druhou stranu izoluje hradlo oxidovým dielektrikem a dosahuje obrovské vstupní impedance. To v kombinaci s jeho výrobním procesem kompatibilním s integrací vysvětluje, proč je králem moderních čipů a proč poháněl generace procesorů : umožňuje integraci stovek tisíc až miliard propojených tranzistorů na centimetr čtvereční ve více vrstvách.

Praktické aplikace: od každodenního života až po průmysl

Vyjmenovat je všechny je nemožné, ale stojí za to si připomenout ty nejreprezentativnější. Jako zesilovače tranzistory zesilují signály v rádiích, televizorech a audio zařízeních. Jako spínače ovládají spínané napájecí zdroje, regulátory motorů a osvětlovací systémy. V oscilátorech generují rádiové frekvenční signály pro komunikaci. A samozřejmě jsou základním stavebním kamenem integrovaných obvodů v počítačích, chytrých telefonech a všech druzích digitálních zařízení.

V profesionální sféře je jejich role klíčová v telekomunikacích , lékařské elektronice, průmyslové automatizaci a robotice. Jejich schopnost vytvářet menší a efektivnější obvody transformovala design a výrobu produktů, což vedlo k přenosnějším, výkonnějším a energeticky úspornějším zařízením.

Výhody oproti termidionovým ventilům (a proč se někdy stále používají)

Před tranzistory vládly elektronky. Ty však vyžadovaly nebezpečně vysoké napětí , spotřebovávaly hodně energie, byly objemné a těžké (šasi a transformátory), byly náchylnější k poruchám v důsledku přehřátí a trvalo jim dlouho, než dosáhly provozní teploty kvůli zahřívání vlákna. Navíc trpěly mikrofonními efekty a pracovaly s vysokými impedancemi . Tranzistory od samého začátku přinášely nízkou spotřebu energie, nízké napětí, kompaktnost, robustnost a nižší náklady.

Historický fakt ilustruje tento rozdíl: ENIAC, jeden z prvních digitálních počítačů, vážil přes 30 tun a spotřebovával asi 200 kW k napájení přibližně 18 000 elektronek s denními poruchami. I přesto elektronky přežily ve specifických oblastech: některé vysoce výkonné rádiové nebo audio zesilovače (díky jejich vysoké linearitě a charakteru jejich harmonických), zařízení odolná vůči elektromagnetickým impulzům a extrémně výkonné aplikace. Postupem času dobyla mnoho z těchto hranic i polovodičová elektronika.

Konstrukční prvky a detaily

Diskrétní tranzistor je obecně uzavřená polovodičová součástka se třemi viditelnými vývody. Lze jej postupně konfigurovat tak, aby fungoval jako zesilovač, spínač, oscilátor nebo usměrňovač . Křemík je v mnoha provedeních preferován kvůli svým tepelným a svodovým vlastnostem, ale existují také rodiny germaniových a složených tranzistorů pro specifické úlohy, jako jsou mikrovlnné trouby nebo velmi rychlé aplikace.

U bipolárních tranzistorů (BJT) se s rostoucí teplotou snižuje napětí na propustném spoji a mohou se zvyšovat svodové proudy, takže odvod tepla a volba maximálního jmenovitého výkonu jsou klíčové. U výkonových FET může výrobní proces vytvářet parazitní diody (například Schottkyho diodu mezi zdrojem a odtokem), což je třeba při návrhu obvodu zohlednit.

Rychlé porovnání materiálů

Pokud vás zajímá, proč jsou některé materiály rychlejší než jiné, zvažte mobilitu elektronů a děr . Ge má vysokou mobilitu, ale nižší maximální teplotu, větší únik a nižší toleranci vůči vysokým napětím ; Si nabízí vynikající vyváženost a typické teploty přechodu 150–200 °C; GaAs zvyšuje laťku při vysokých frekvencích, i když jeho výroba je náročnější. Proto každý z nich kraluje ve svém segmentu.

Digitální využití: od dokonalého přepínače k ​​logice

V digitálním přepínání tranzistor pracuje střídavě mezi odpojením a saturací , kde se ideálně chová jako otevřený nebo uzavřený obvod. Tato rychlost přepínání a nízká spotřeba energie umožňují použití logických hradel a binárního systému a v kaskádě i CPU a pamětí. U technologií MOSFET a CMOS je statická spotřeba energie extrémně nízká, protože hradlo nevede stejnosměrný proud a proud se spotřebovává pouze během přechodů.

Praktické výhody v instalacích a zařízeních

Pro každodenní použití nabízejí tranzistory malé rozměry (usnadňují přepravu a integraci zařízení), dlouhou životnost (vyžadují méně údržby), rychlost (jsou klíčové pro procesory a komunikaci), nízké náklady (snižují náklady na systém) a energetickou účinnost (minimální ztráty). V domácnosti pomáhá každá maličkost: od stabilních, regulovaných zdrojů napájení až po automatizaci a úspory energie.

Často kladené otázky, na které je třeba odpovědět

Používá se tranzistor pouze k zesílení? Ne. Je to také ultratichý a ultrarychlý spínač , stavební blok logických obvodů, detektor světla (fototranzistor) nebo součást oscilátoru . Jeho největší výhodou je jeho všestrannost.

Ve kterých odvětvích je dnes kriticky důležitá? Prakticky ve všech: telekomunikace a sítě , zdravotnické vybavení, automobilový průmysl, energetika, výroba a spotřební elektronika. Kombinace výkonu, miniaturizace a řízení znásobila její dopad.

Proč někteří lidé mluví o „zapnuto/vypnuto“? Je to hovorový způsob, jak označit stavy, kdy je člověk odříznut (vypnuto) a vede (buď aktivní, nebo nasycený). V praxi se jedná o logické polohy, které umožňují zapnutí nebo vypnutí toku proudu .

Více než sedmdesát let po svém zrodu zůstává tranzistor srdcem elektroniky: od prvního bodového kontaktu na germania až po nejnovější generaci MOSFETů došlo k tisícům milníků, ale ústřední myšlenka se nezměnila: přesně řídit tok elektřiny a vytvářet silnější a čistší signály nebo spolehlivou logiku ve stále menších prostorech.