Hvad er en transistor, og hvad bruges den til: typer, historie og anvendelser

Informatic Digital » Recursos » Hvad er en transistor, og hvad bruges den til: typer, historie og anvendelser

Hvis du i dag har en mobiltelefon i lommen, lytter til musik på et kompakt stereoanlæg eller opretter forbindelse til internettet fra en ultratynd computer , er det takket være en lille, men kraftfuld opfindelse: transistoren. Siden dens fremkomst i slutningen af ​​40'erne har denne halvlederkomponent drevet miniaturiseringen og styrken i moderne elektronik. I denne artikel vil vi forklare i detaljer, hvad en transistor er, og hvad den bruges til , hvordan den fungerer internt, de forskellige typer, der er tilgængelige, hvilke parametre der virkelig betyder noget, og hvorfor dens historie markerede et vendepunkt inden for teknologi.

Selvom dens grundlæggende definition kan opsummeres i en enkelt sætning, er dens omfang enormt: en transistor styrer eller ændrer strømningsretningen mellem to terminaler som reaktion på et signal, der påføres en tredje terminal. Derfor fungerer den som en forstærker , afbryder , oscillator eller endda ensretter i applikationer lige fra en hjemmehøjttaler til en medicinsk scanner. Lad os tage det trin for trin.

Hvad er en transistor?

Ordet transistor stammer fra det engelske udtryk "transfer resistor ". I praksis er det en halvlederkomponent med mindst tre terminaler, der er i stand til at tillade mere eller mindre strøm at flyde mellem to af dem, afhængigt af hvad der sker ved den tredje. Denne kontrol over strømmen eller konduktansen af ​​kanalen er det, der gør det muligt for den at forstærke svage signaler eller fungere som en meget hurtig kontakt.

I sin klassiske form har den bipolære overgangstransistor (BJT) en emitter, base og kollektor . En lille strøm, der kommer ind gennem basen, styrer en meget større strøm mellem emitteren og kollektoren. I tilfælde af felteffekttransistorer (FET'er) opnås styring ved at påføre spænding på gaten, hvilket modulerer konduktansen af ​​en kanal mellem source og drain med en meget høj indgangsimpedans.

De er for det meste fremstillet af silicium , selvom de også findes i germanium-, galliumarsenid- (GaAs) eller silicium-germanium-legeringer, massivt indlejret i integrerede kredsløb (mikrochips) eller pakket som diskrete komponenter. Deres emballage er normalt hermetisk forseglet med et plastik- eller metalhus og tre ben, og de er det grundlæggende aktive element i næsten al moderne elektronik.

Lidt essentiel historie

Drømmen om at kontrollere strømme i faststofkredsløb går forud for dens industrielle realisering. I 1925 registrerede Julius Edgar Lilienfeld patenter i Canada og senere i USA på enheder, der foregreb FET'en, men halvledermaterialerne manglede den nødvendige kvalitet til praktisk anvendelse. I 1934 patenterede Oskar Heil noget lignende i Europa, og eksperimenter med krystaller spredte sig. Alligevel var det først i 1947, at John Bardeen og Walter Brattain fra Bell Laboratories observerede signalforstærkning med to guldspidser på en germaniumkrystal.

I de følgende måneder fordybede William Shockley sig dybere i halvlederfysik og foreslog den bipolære overgangstransistor , for hvilken den første patentansøgning blev indgivet i 1948. Samme år udviklede Herbert Mataré og Heinrich Welker uafhængigt af hinanden "transistronen" til telefonnetværket i Frankrig. Kort efter, i 1953, præsenterede Philco den første højfrekvente transistor (op til 60 MHz), og i 1954 blev den første funktionsdygtige siliciumtransistor opnået hos Bell Labs (Morris Tanenbaum), med den første kommercielle model produceret hos Texas Instruments (Gordon Teal).

Den næste store revolution var MOSFET'en , bygget i 1960 af Dawon Kahng og Martin Atalla, som var nøglen til at integrere millioner af transistorer pr. kvadratcentimeter. Som anerkendelse af denne milepæl modtog Shockley, Bardeen og Brattain Nobelprisen i fysik i 1956 for deres forskning og opdagelsen af ​​transistoreffekten. Siden da har elektronikken oplevet en eksplosion i computerhistoriens tidslinje : fra bærbare radioer til computere og omfattende telekommunikation og medicin.

Struktur, signaler og hvordan en BJT fungerer

En BJT består af tre dopede områder, der skaber to PN-forbindelser : emitter, base og kollektor. De er konstrueret som NPN eller PNP (det midterste bogstav angiver basetypen), og dopningen af ​​hver region kontrolleres omhyggeligt: ​​typisk er emitteren kraftigere doteret end kollektoren. I drift er kollektorstrømmen omtrent proportional med basisstrømmen, bestemt af beta (β)-parameteren eller strømforstærkningen.

Mellem basen og emitteren opfører den sig som en fremadrettet diode med en typisk V _{_BE} -spænding på 0,6-0,8 V i silicium og ~0,4 V i germanium. Denne diode gør basen til den kontrol, der åbner eller lukker for strømmen af ​​ladningsbærere fra emitteren til kollektoren. Konceptuelt regulerer basen et "tap" af elektroner eller huller, så en lille styrestrøm styrer en større strøm ved udgangen.

Driftstilstande: aktiv, afskæring og mætning

Transistoren kan fungere som en lineær forstærker i det aktive område , hvor den tillader strøm at flyde proportionalt med basens excitation. Hvis basen ikke modtager tilstrækkelig excitation, afbryder enheden og leder ikke. Hvis excitationen er høj, mætter den og tillader den maksimale strøm, der er tilladt af kredsløbet. Denne alsidighed gør den velegnet som en hurtig switch eller en svagsignalforstærker.

NPN vs PNP kort fortalt

I en NPN-transistor strømmer elektroner typisk fra kollektoren til emitteren , og enheden aktiveres ved at øge basisstrømmen med en positiv reference; i en PNP-transistor vendes den praktiske retning (emitter til kollektor), og forspændingslogikken er komplementær, hvilket muliggør symmetriske konfigurationer i mange analoge eller koblingstrin.

Typer af transistorer, du vil støde på

Familien er bred, men de deler alle det samme grundlæggende princip for styring af elektrisk strømning. Disse er de mest almindelige , sammen med nogle historiske eksempler, der er værd at kende til:

• Rettidig kontaktPioneer-modellen (1947) med to germaniumspidser. Vanskelig at fremstille, skrøbelig og støjende, men den demonstrerede fordelen for første gang. I dag er den et museumsgenstand.
• Bipolar junction transistor (BJT)Den klassiske NPN/PNP-transistor på en enkelt halvlederkrystal, doteret med donorurenheder (arsen, fosfor) eller acceptorurenheder (aluminium, indium, gallium). Det er en strømstyret enhed.
• Felteffekttransistorer (FET'er)JFET (junction gate PN), IGFET og MOSFET (dør isoleret mod rust). De er spændingsstyret, med meget høj indgangsimpedans; hjørnestenen i storskalaintegration.
• Fototransistorerlysfølsom, hvor belysning fungerer som en basisstrøm; perfekt til fjerndetektion ved elektromagnetisk stråling.
• IGBT: isoleret port bipolar, udbredt i magt ved at kombinere fordelene ved BJT og MOSFET.
• Darlington-parretTo kaskaderede BJT'er i samme pakke øger i høj grad global gevinst.

Parametre og materialer, der gør forskellen

Når man vælger en transistor, er dens type ikke den eneste vigtige faktor; dens elektriske parametre er også afgørende : gennemslagsspændinger (kollektor-emitter, basis-emitter, kollektor-basis), maksimal effekt, varmeafledning, driftsfrekvens , β (transform-emitter β) og interne dynamiske modstande. I BJT'er med små signaler ligger β typisk fra 100 til 300. VBE _(transform- emitter spænding) falder med temperaturen ved cirka -2,1 mV/°C i silicium, så nogle designs inkorporerer termiske sensorer eller kompensationsmekanismer.

Materialet spiller også en rolle: germanium tilbyder højere mobilitet end silicium, men dets lækage og tilladte temperatur er dårligere; silicium dominerer på grund af dets robusthed og nemme fremstilling; GaAs skinner ved høje frekvenser takket være dets elektroniske mobilitet. Enheder som HEMT'er , med ekstremt lav støj og høj hastighed, er bygget på GaAs/AlGaAs og bruges i satellitmodtagere omkring 12 GHz og, med nitrider, i næste generations strømforsyningsapplikationer.

En anden nyttig måde at visualisere en BJT på er Ebers-Moll -modellen : to dioder, en fremadrettet base-emitter og en baglæns forspændt base-kollektor. Dette hjælper med at forstå, hvorfor en typisk VBE (0,6-0,8 V Si) vises, _og hvordan den opfører sig uden for det lineære område. I JFET'er og MOSFET'er er gatespændingen dominerende: hvilket gør gaten mere negativ, i en JFET - GS afklemmer kanalen; i MOSFET'er trækker gaten ideelt set ingen jævnstrøm, og signalet styrer kanalens konduktans mellem source og drain.

De mest almindeligt anvendte forstærkerkonfigurationer

Med BJT'er er det almindeligt at tænke i form af tre klassiske topologier. Hver især optimerer en forskellig kvalitet (spænding, strøm eller impedans), hvilket er grunden til, at de stadig findes i alle bøger og projekter.

• fælles emitterSpændings- og strømforstærkning med faseinversion; det er arbejdshesten. En emittermodstand stabiliserer Og hvis den brokobles med en kondensator, genvinder den AC-forstærkningen.
• Fælles samler (emitterfølger): spændingsforstærkning tæt på 1, høj indgangsimpedans og lav output; ideel som impedansadapter.
• Fælles base: strømforstærkning, uden faseinversion og meget lav indgangsimpedansDen udmærker sig ved lavimpedanssignalkilder, såsom dynamiske mikrofoner i visse opsætninger.

Et praktisk eksempel (polariseret fælles emitter med deler)

Forestil dig, at du designer en scene med V_CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V og β=100. Hvis du indstiller emitterspændingen til omkring 1/10 af V_CC (2 V), får du R_E≈200 ΩFaldet i R_C ville være V_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, med I_C= 10 mA, så R_C=1 kΩBasen forbliver ved V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Hvis du dimensionerer divideren med en strøm omkring ti gange basisstrømmen, får du R₂≤ 2 kΩ og i forhold til V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

For små signaler er den dynamiske modstand af den interne emitter (r _{_e}) ved 10 mA ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, hvilket giver en omtrentlig ideel spændingsforstærkning A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Med en belastning på 5 kΩ på kollektoren er den effektive udgangsimpedans omkring 830 Ω, og forstærkningen falder til ≈ −319. Impedansen set ved basen er r _{_e} · β ≈ 260 Ω, og den samlede indgangsimpedans, når man tager højde for deler og base parallelt, er ≈ 226 Ω. Koblings- og emitterkondensatorerne er valgt således, at deres reaktans er ubetydelig i driftsbåndet.

Dette eksempel opsummerer konceptet med belastningslinje og Q-punkt : du vælger et hvilepunkt (ofte VCE _≈VCC / 2 uden RE ₎ , der tillader symmetrisk signaludsving. Derfra justerer du forstærkning, impedans og stabilitet i henhold til applikationen_.

FET og MOSFET: spændingsstyring

I FET'er er der ingen basisstrøm i sig selv, men snarere en gatespænding , der styrer kanalens bredde. Den grundlæggende JFET består af en stang af N-type eller P-type materiale med ohmske kontakter i enderne (drain og source) og to diffuse områder, der danner gaten. Når gatespændingen bliver mere negativ (i en N-type JFET), indsnævres kanalen , og ledningen ophører.

MOSFET'en isolerer derimod gaten med et oxiddielektrikum og opnår en enorm indgangsimpedans. Dette, kombineret med dens integrationskompatibel fremstillingsproces, forklarer, hvorfor den er kongen af ​​den moderne chip , og hvorfor den har drevet generationer af processorer : den muliggør integration af hundredtusindvis til milliarder af sammenkoblede transistorer pr. kvadratcentimeter i flere lag.

Praktiske anvendelser: fra hverdagen til industrien

Det er umuligt at nævne dem alle, men det er værd at huske på de mest repræsentative. Som forstærkere forstærker transistorer signaler i radioer, fjernsyn og lydudstyr. Som afbrydere styrer de switched-mode strømforsyninger, motorstyringer og belysningssystemer. I oscillatorer genererer de radiofrekvenssignaler til kommunikation. Og de er selvfølgelig den grundlæggende byggesten i integrerede kredsløb i computere, smartphones og alle slags digitale enheder.

Inden for den professionelle sfære er deres rolle afgørende inden for telekommunikation , medicinsk elektronik, industriel automatisering og robotteknologi. Deres evne til at skabe mindre og mere effektive kredsløb har transformeret produktdesign og -produktion, hvilket har resulteret i mere bærbart, kraftfuldt og energieffektivt udstyr.

Fordele i forhold til thermidionventiler (og hvorfor de stadig nogle gange bruges)

Før transistorer var vakuumrør det absolutte valg. Men de krævede farligt høje spændinger , forbrugte meget energi, var klodsede og tunge (chassis og transformere), var mere tilbøjelige til at svigte på grund af overophedning og tog lang tid om at nå driftstemperatur på grund af opvarmning af glødetrådene. Desuden led de af mikrofoniske effekter og fungerede med høje impedanser . Transistorer bragte lavt strømforbrug, lav spænding, kompakthed, robusthed og lavere omkostninger fra starten.

En historisk kendsgerning illustrerer forskellen: ENIAC, en af ​​de første digitale computere, vejede over 30 tons og forbrugte omkring 200 kW for at drive cirka 18.000 vakuumrør, med daglige nedbrud. Alligevel overlevede vakuumrør i specifikke nicher: nogle højtydende radio- eller lydforstærkere (på grund af deres høje linearitet og karakteren af ​​deres harmoniske), udstyr hærdet mod elektromagnetiske impulser og ekstreme strømforbrugsapplikationer. Med tiden erobrede faststofelektronik også mange af disse grænser.

Konstruktionsfunktioner og detaljer

Som en generel regel er en diskret transistor en forseglet halvlederenhed med tre synlige terminaler. Den kan konfigureres i etaper til at fungere som en forstærker, kontakt, oscillator eller ensretter . Silicium foretrækkes i mange designs på grund af dets termiske egenskaber og lækageegenskaber, men der findes også germanium- og sammensatte transistorfamilier til specifikke opgaver, såsom mikrobølge- eller meget højhastighedsapplikationer.

I BJT'er falder den fremadrettede junction-spænding, når temperaturen stiger, og lækstrømmene kan stige, så varmeafledning og valget af maksimal effekt er afgørende. I effekt-FET'er kan fremstillingsprocessen skabe parasitiske dioder (såsom Schottky-dioden mellem source og drain), hvilket er noget at overveje i kredsløbsdesignet.

Hurtig sammenligning af materialer

Hvis du undrer dig over, hvorfor nogle materialer er hurtigere end andre, så overvej elektron- og hulmobilitet . Ge har høj mobilitet, men en lavere maksimaltemperatur, større lækage og lavere tolerance over for høje spændinger ; Si tilbyder en fremragende balance og typiske forbindelsestemperaturer på 150-200 °C; GaAs hæver barren ved høje frekvenser, selvom fremstillingen er mere krævende. Derfor er hver enkelt materiale suverænt i sit respektive segment.

Digital brug: fra den perfekte omskifter til logik

I digital switching fungerer en transistor ved at skifte mellem cutoff og saturation , hvor den ideelt set opfører sig som et åbent eller lukket kredsløb. Denne switchhastighed og lave strømforbrug gør logiske gates og det binære system mulige , og i kaskade, CPU'er og hukommelser. Med MOSFET'er og CMOS-teknologi er det statiske strømforbrug ekstremt lavt, fordi gaten ikke leder i DC , og strøm kun forbruges under overgange.

Praktiske fordele ved installationer og apparater

Til daglig brug tilbyder transistorer lille størrelse (hvilket gør udstyr lettere at transportere og integrere), lang levetid (kræver mindre vedligeholdelse), hastighed (nødvendigt for processorer og kommunikation), lave omkostninger (reducerer systemomkostninger) og energieffektivitet (minimale tab). I et hjem hjælper hver en lille smule: fra stabile, regulerede strømforsyninger til automatisering og energibesparelser.

Ofte stillede spørgsmål, der bør besvares

Bruges en transistor kun til forstærkning? Nej. Den er også en ultralydsvag og ultrahurtig kontakt , en byggesten i logiske kredsløb, en lysdetektor (fototransistor) eller en del af en oscillator . Dens alsidighed er dens største fordel.

I hvilke brancher er det kritisk i dag? Stort set alle: telekommunikation og netværk , medicinsk udstyr, bilindustrien, energi, produktion og forbrugerelektronik. Kombinationen af ​​strøm, miniaturisering og styring har mangedoblet dens indflydelse.

Hvorfor taler nogle mennesker om "tændt/slukket"? Det er en dagligdags måde at henvise til tilstande, hvor man er afskåret (off) og ledende (enten aktiv eller mættet). I praksis er disse de logiske positioner, der gør det muligt at tænde eller slukke for strømmen .

Halvfjerds år efter sin fødsel er transistoren stadig elektronikkens hjerte: fra den første punktkontakt på germanium til den seneste generation af MOSFET'er har der været tusindvis af milepæle, men den centrale idé har ikke ændret sig: præcist at kontrollere, hvordan elektricitet flyder, for at skabe stærkere, renere signaler eller pålidelig logik i stadig mindre rum.

Relateret artikel:

Hvad er digitale systemer: En vigtig introduktion til forståelse af teknologi