Mis on transistor ja milleks seda kasutatakse: tüübid, ajalugu ja kasutusalad

Informatec Digital » Ressursid » Mis on transistor ja milleks seda kasutatakse: tüübid, ajalugu ja kasutusalad

Kui kannate tänapäeval taskus mobiiltelefoni, kuulate muusikat kompaktsest stereosüsteemist või loote internetiühenduse üliõhukese arvuti kaudu , siis on see tänu väikesele, kuid võimsale leiutisele: transistorile. Alates selle ilmumisest 40. aastate lõpus on see pooljuhtseadis edasi viinud tänapäevase elektroonika miniaturiseerimist ja võimsuse suurendamist. Selles artiklis selgitame üksikasjalikult, mis on transistor ja milleks seda kasutatakse , kuidas see sisemiselt töötab, millised on saadaolevad erinevad tüübid, millised parameetrid on tegelikult olulised ja miks selle ajalugu tähistas tehnoloogia pöördepunkti.

Kuigi selle põhidefinitsiooni saab kokku võtta ühe lausega, on selle ulatus tohutu: transistor juhib või muudab voolu kahe klemmi vahel vastusena kolmandale klemmile rakendatud signaalile. Seetõttu toimib see võimendi , lüliti , ostsillaatori või isegi alaldina rakendustes, alates kodukõlarist kuni meditsiinilise skännerini. Vaatame seda samm-sammult.

Mis on transistor?

Sõna transistor tuleb ingliskeelsest väljendist "transfer resistor ". Praktikas on see pooljuhtkomponent, millel on vähemalt kolm klemmi, mis suudavad lasta kahe klemmi vahel voolata suuremal või väiksemal voolul, olenevalt sellest, mis toimub kolmandas klemmis. See kanali voolu või juhtivuse kontroll võimaldab sellel nõrku signaale võimendada või toimida väga kiire lülitina.

Klassikalisel kujul on bipolaartransistoril (BJT) emitter, baas ja kollektor . Läbi baasi sisenev väike vool juhib emitteri ja kollektori vahelist palju suuremat voolu. Väljatransistoride (FET) puhul saavutatakse juhtimine väravale pinge rakendamisega, mis moduleerib allika ja neelu vahelise kanali juhtivust väga suure sisendtakistusega.

Neid toodetakse enamasti ränist , kuigi neid leidub ka germaaniumis, galliumarseniidis (GaAs) või räni-germaaniumi sulamites, massiivselt integreeritud vooluahelatesse (mikrokiipidesse) või pakendatud diskreetkomponentidena. Nende pakend on tavaliselt hermeetiliselt suletud , plast- või metallkorpusega ja kolme kontaktiga ning need on peaaegu kogu tänapäevase elektroonika põhiline aktiivelement.

Natuke olulist ajalugu

Unistus voolude juhtimisest tahkisahelates eelneb selle tööstuslikule teostumisele. 1925. aastal registreeris Julius Edgar Lilienfeld Kanadas ja hiljem USA-s patendid seadmetele, mis ennustasid FET-i, kuid pooljuhtmaterjalidel puudus praktiliseks rakendamiseks vajalik kvaliteet. 1934. aastal patenteeris Oskar Heil midagi sarnast Euroopas ja kristallidega tehtavad katsed vohasid. Sellegipoolest täheldasid John Bardeen ja Walter Brattain Bell Laboratoriesis signaali võimendamist kahe kuldotsaga germaaniumkristallil alles 1947. aastal.

Järgnevatel kuudel süvenes William Shockley pooljuhtide füüsikasse ja pakkus välja bipolaarse üleminekutransistori , mille esimene patenditaotlus esitati 1948. aastal. Samal aastal töötasid Herbert Mataré ja Heinrich Welker Prantsusmaal iseseisvalt välja telefonivõrgu "transistroni". Varsti pärast seda, 1953. aastal, esitles Philco esimest kõrgsagedustransistorit (kuni 60 MHz) ja 1954. aastal valmis Bell Labsis (Morris Tanenbaum) esimene töötav ränitransistor , kusjuures esimene kommertsmudel toodeti Texas Instrumentsis (Gordon Teal).

Järgmine suur revolutsioon oli MOSFET , mille ehitasid 1960. aastal Dawon Kahng ja Martin Atalla ning mis oli võtmetähtsusega miljonite transistoride integreerimisel ruutsentimeetri kohta. Selle verstaposti tunnustamiseks said Shockley, Bardeen ja Brattain 1956. aastal Nobeli füüsikapreemia oma uurimistöö ja transistoriefekti avastamise eest. Sellest ajast alates on elektroonika arvutiajaloo ajaskaalal plahvatuslikult arenenud : kaasaskantavatest raadiotest arvutiteni ning hõlmates telekommunikatsiooni ja meditsiini.

Struktuur, signaalid ja BJT toimimine

BJT koosneb kolmest legeeritud piirkonnast, mis moodustavad kaks PN-siirdepunkti : emitter, baas ja kollektor. Need on konstrueeritud NPN- või PNP-tüüpi (keskmine täht näitab baasi tüüpi) ja iga piirkonna legeerimist kontrollitakse hoolikalt: tavaliselt on emitter tugevamini legeeritud kui kollektor. Töötamisel on kollektori vool ligikaudu võrdeline baasvooluga, mille määrab beeta (β) parameeter ehk vooluvõimendus.

Baasi ja emitteri vahel käitub see nagu päripingega diood , mille tüüpiline V _{_BE} pinge on räni puhul 0,6–0,8 V ja germaaniumi puhul ~0,4 V. See diood muudab aluse juhtelemendiks, mis avab või sulgeb laengukandjate voolu emitterist kollektorisse. Kontseptuaalselt reguleerib alus elektronide või aukude "väljavõtet", nii et väike juhtvool juhib väljundis suuremat voolu.

Töörežiimid: aktiivne, väljalülitus ja küllastus

Transistor saab aktiivses piirkonnas töötada lineaarvõimendina , kus see laseb voolul voolata proportsionaalselt baasergutusega. Kui baas ei saa piisavalt ergutust, siis seade lülitub välja ja ei juhi. Kui ergutus on kõrge, siis see küllastub ja laseb vooluringi poolt lubatud maksimaalse voolu. See mitmekülgsus muudab selle sobivaks kiireks lülitiks või nõrga signaali võimendiks.

NPN vs PNP lühidalt

NPN-transistoris voolavad elektronid tavaliselt kollektorist emitterisse ja seade aktiveeritakse baasvoolu suurendamisega positiivse võrdlusväärtusega; PNP-transistoris on praktiline suund vastupidine (emitterist kollektorisse) ja eelpingeloogika on komplementaarne, võimaldades sümmeetrilisi konfiguratsioone paljudes analoog- või lülitusastmetes.

Transistoride tüübid, millega kokku puutute

Perekond on lai, kuid neil kõigil on sama elektrivoolu juhtimise põhimõte. Siin on kõige levinumad koos mõnede ajalooliste näidetega, mida tasub teada:

• Õigeaegne kontaktPioneer (1947), kahe germaaniumotsaga. Raske toota, habras ja lärmakas, kuid see demonstreeris esimest korda võimendust. Tänapäeval on see muuseumieksponaat.
• Bipolaarse ühendustransistori (BJT)Klassikaline NPN/PNP-transistor ühel pooljuhtkristalli peal, mis on legeeritud doonorlisanditega (arseen, fosfor) või aktseptorlisanditega (alumiinium, indium, gallium). See on vooluga juhitav seade.
• Väljatransistorid (FET-id)JFET (ühendusvärava PN), IGFET ja MOSFET (rooste poolt isoleeritud uks). Nad on pingega juhitav, väga kõrge sisendtakistusega; suuremahulise integratsiooni nurgakivi.
• Fototransistoridvalgustundlik, kus valgustus toimib baasvooluna; ideaalne kaugtuvastus elektromagnetilise kiirguse abil.
• IGBTIsoleeritud bipolaarne värav, laialdaselt kasutatav võim BJT ja MOSFET-i eeliste kombineerimise teel.
• Darlingtoni paarKaks sama korpuse sees olevat kaskaadühenduses olevat BJT-d suurendavad oluliselt globaalne kasu.

Parameetrid ja materjalid, mis teevad vahet

Transistori valimisel pole selle tüüp ainus oluline tegur; samuti on olulised selle elektrilised parameetrid : läbilöögipinged (kollektor-emitter, baas-emitter, kollektor-baas), maksimaalne võimsus, soojuse hajumine, töösagedus , β (teisendus-emitter β) ja sisemine dünaamiline takistus. Väikesignaalilistes BJT-des on β tavaliselt vahemikus 100 kuni 300. VBE _(teisendus- emitter pinge) väheneb temperatuuriga umbes −2,1 mV/°C juures ränis, seega on mõnedes konstruktsioonides kasutatud termoandureid või kompensatsioonimehhanisme.

Ka materjal on oluline: germaaniumil on suurem liikuvus kui ränil, kuid selle lekkekindlus ja lubatud temperatuur on halvemad; räni domineerib oma vastupidavuse ja valmistamise lihtsuse tõttu; GaAs särab kõrgetel sagedustel tänu oma elektroonilisele liikuvusele. Sellised seadmed nagu HEMT-id , millel on äärmiselt madal müratase ja suur kiirus, on ehitatud GaAs/AlGaAs baasil ja neid kasutatakse satelliitvastuvõtjates umbes 12 GHz sagedusel ja koos nitriididega järgmise põlvkonna energiarakendustes.

Teine kasulik viis BJT visualiseerimiseks on Ebersi-Molli mudel : kaks dioodi, üks päripingega baasemitter ja teine ​​vastupingega baaskollektor. See aitab mõista, miks ilmneb tüüpiline VBE (0,6–0,8 V Si) _{ja kuidas see käitub väljaspool lineaarset piirkonda. JFET- ja MOSFET-transistorides on värava pinge domineeriv: värava negatiivsemaks muutmine JFET-GS-is pigistab kanali välja; MOSFET-transistorides} ei tarbi värav ideaalis alalisvoolu ja signaal kontrollib kanali juhtivust lätte ja neelu vahel.

Kõige sagedamini kasutatavad võimendi konfiguratsioonid

BJT-de puhul on tavaline mõelda kolme klassikalise topoloogia peale. Igaüks neist optimeerib erinevat kvaliteeti (pinge, vool või impedants), mistõttu neid leidub endiselt kõigis raamatutes ja projektides.

• ühine emitterPinge ja voolu võimendus koos faasiinversiooniga; see on tööhobune. Emittertakisti stabiliseerib Ja kui see on kondensaatoriga sillatud, taastab see vahelduvvoolu võimenduse.
• Harilik koguja (emitteri järgija): pinge võimendustegur on lähedal 1-le, kõrge sisendtakistus ja madal väljundvõimsus; ideaalne impedantsi adapterina.
• Ühine alus: voolutugevus ilma faasiinversioonita ja väga madal sisendtakistusSee särab madala impedantsiga signaaliallikatega, näiteks teatud seadistustes dünaamiliste mikrofonidega.

Praktiline näide (polariseeritud ühisemitter jagajaga)

Kujutage ette, et kujundate lava V-ga_CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V ja β=100. Kui emitteri pinge on umbes 1/10 V_CC (2 V), saate R_E≈200 ΩR langus_C oleks V_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, kusjuures I_C=10 mA, siis R_C=1 kΩAlus jääb V-ks_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Kui jagaja suuruse määrata voolutugevusega, mis on umbes kümme korda suurem baasvoolust, saadakse R₂≤ 2 kΩ ja proportsionaalselt V-ga_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Väikeste signaalide korral on sisemise emitteri dünaamiline takistus (r _{_e}) 10 mA juures ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, mis annab ligikaudse ideaalse pingevõimenduse A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Kollektoril oleva 5 kΩ koormuse korral on efektiivne väljundtakistus umbes 830 Ω ja võimendus langeb väärtuseni ≈ −319. Baasis nähtav takistus on r _{_e} · β ≈ 260 Ω ja sisendtakistus, arvestades jagajat ja baasi paralleelselt, on ≈ 226 Ω. Sidestus- ja emitterikondensaatorid on valitud nii, et nende reaktants on tööribas tühine .

See näide võtab kokku koormusjoone ja Q-punkti kontseptsiooni : valite vaikusepunkti (sageli VCE _≈VCC / 2 ilma RE-ta ₎ , mis võimaldab signaali sümmeetrilist kõrvalekallet. Sealt saate vastavalt rakendusele reguleerida võimendust, impedantsi ja stabiilsust_.

FET ja MOSFET: pinge reguleerimine

FET-ides puudub otsene baasvool, vaid pigem värava pinge , mis kontrollib kanali laiust. Põhiline JFET koosneb N-tüüpi või P-tüüpi materjalist vardast, mille otstes (neel ja läte) on oomilised kontaktid ja kaks hajusat piirkonda, mis moodustavad värava. Kui värava pinge muutub negatiivsemaks (N-tüüpi JFET-is), siis kanal aheneb ja juhtivus lakkab.

MOSFET seevastu isoleerib värava oksiiddielektrikuga ja saavutab tohutu sisendtakistuse. See koos integreerimisega ühilduva tootmisprotsessiga selgitab, miks see on tänapäevaste kiipide kuningas ja miks see on edendanud terveid protsessorite põlvkondi : see võimaldab integreerida sadu tuhandeid kuni miljardeid omavahel ühendatud transistore ruutsentimeetri kohta mitmesse kihti.

Praktilised rakendused: igapäevaelust tööstuseni

Neid kõiki on võimatu loetleda, kuid kõige tüüpilisemaid tasub meeles pidada. Võimenditena võimendavad transistorid signaale raadiotes, telerites ja heliseadmetes. Lülititena juhivad nad lülitustoiteallikaid, mootorikontrollereid ja valgustussüsteeme. Ostsillaatorites genereerivad nad side jaoks raadiosageduslikke signaale. Ja loomulikult on nad arvutite, nutitelefonide ja igasuguste digitaalseadmete integraallülituste põhielement .

Professionaalses sfääris on neil kriitiline roll telekommunikatsioonis , meditsiinielektroonikas, tööstusautomaatikas ja robootikas. Nende võime luua väiksemaid ja tõhusamaid vooluringe on muutnud tootekujundust ja tootmist, mille tulemuseks on kaasaskantavamad, võimsamad ja energiatõhusamad seadmed.

Eelised termidioonventiilide ees (ja miks neid mõnikord ikka veel kasutatakse)

Enne transistore valitsesid vaakumlambid ülimalt. Kuid need vajasid ohtlikult kõrgeid pingeid , tarbisid palju energiat, olid mahukad ja rasked (šassii ja trafod), olid ülekuumenemise tõttu altid riketele ja hõõgniidi kuumenemise tõttu võttis töötemperatuuri saavutamine kaua aega. Lisaks kannatasid nad mikrofoniliste efektide all ja töötasid suure takistusega . Transistorid tõid algusest peale kaasa väikese energiatarbimise, madala pinge, kompaktsuse, vastupidavuse ja madalama hinna.

Ajalooline fakt illustreerib erinevust: ENIAC, üks esimesi digitaalarvuteid, kaalus üle 30 tonni ja tarbis umbes 200 kW, et toita umbes 18 000 vaakumtoru, mille rikkeid esines iga päev. Sellegipoolest jäid vaakumtorud püsima teatud niššides: mõnedes suure võimsusega raadio- või helivõimendites (tänu nende kõrgele lineaarsusele ja harmooniliste iseloomule), elektromagnetiliste impulsside suhtes vastupidavates seadmetes ja äärmuslikes võimsusrakendustes. Aja jooksul vallutasid ka tahkiselektroonika paljud neist valdkondadest.

Ehituslikud omadused ja detailid

Üldiselt on diskreetne transistor suletud pooljuhtseadis, millel on kolm nähtavat klemmi. Seda saab konfigureerida astmeliselt toimima võimendi, lüliti, ostsillaatori või alaldina . Räni on paljudes konstruktsioonides eelistatud oma termiliste ja lekkeomaduste tõttu, kuid spetsiifiliste ülesannete jaoks, näiteks mikrolaineahjus või väga kiiretel rakendustel, on olemas ka germaaniumi ja liittransistoride perekonnad .

BJT-de puhul väheneb temperatuuri tõustes pärisuunalise ülemineku pinge ja lekkevoolud võivad suureneda, seega on soojuse hajumine ja maksimaalse võimsusreitingu valik üliolulised. Võimsate FET-ide puhul võib tootmisprotsessi käigus tekkida parasiitsed dioodid (näiteks Schottky diood lätte ja neelu vahel), mida tuleks vooluringi kavandamisel arvesse võtta.

Materjalide kiire võrdlus

Kui teid huvitab, miks mõned materjalid on kiiremad kui teised, kaaluge elektronide ja aukude liikuvust . Ge-l on suur liikuvus, kuid madalam maksimaalne temperatuur, suurem leke ja madalam taluvus kõrgepinge suhtes ; Si pakub suurepärast tasakaalu ja tüüpilisi üleminekutemperatuure 150–200 °C; GaAs tõstab lati kõrgetel sagedustel, kuigi selle valmistamine on nõudlikum. Seetõttu valitseb igaüks neist oma vastavas segmendis.

Digitaalne kasutamine: ideaalsest lülitist loogikani

Digitaalkommutatsioonis töötab transistor vaheldumisi väljalülitus- ja küllastusoleku vahel , kus see ideaalis käitub nagu avatud või suletud vooluring. See lülituskiirus ja madal energiatarve võimaldavad loogikaväravaid ja binaarsüsteemi ning kaskaadis protsessoreid ja mälusid. MOSFETide ja CMOS-tehnoloogia abil on staatiline energiatarve äärmiselt madal, kuna värav ei juhi alalisvoolu ja voolu tarbitakse ainult üleminekute ajal.

Praktilised eelised paigaldistes ja seadmetes

Igapäevaseks kasutamiseks pakuvad transistorid väikest suurust (mis muudab seadmete transpordi ja integreerimise lihtsamaks), pikka eluiga (nõuab vähem hooldust), kiirust (võtmetähtsusega protsessorite ja kommunikatsiooni jaoks), madalat hinda (vähendab süsteemikulusid) ja energiatõhusust (minimaalsed kaod). Kodus on iga väike asi abiks: stabiilsetest ja reguleeritud toiteallikatest kuni automatiseerimise ja energiasäästuni.

Korduma kippuvad küsimused, millele tuleks vastata

Kas transistorit kasutatakse ainult võimendamiseks? Ei. See on ka ülivaikne ja ülikiire lüliti , loogikalülituste ehitusplokk, valgusdetektor (fototransistor) või ostsillaatori osa . Selle mitmekülgsus on selle suurim eelis.

Millistes tööstusharudes on see tänapäeval kriitilise tähtsusega? Praktiliselt kõigis: telekommunikatsioon ja võrgud , meditsiiniseadmed, autotööstus, energeetika, tootmine ja tarbeelektroonika. Võimsuse, miniaturiseerimise ja juhtimise kombinatsioon on selle mõju mitmekordistanud.

Miks mõned inimesed räägivad "sisse/välja" olekust? See on kõnekeelne viis viidata väljalülitatud (väljalülitatud) ja juhtiva (kas aktiivse või küllastunud) olekule. Praktikas on need loogilised asendid, mis võimaldavad voolu sisse või välja lülitada .

Seitsekümmend aastat pärast sündi on transistor endiselt elektroonika süda: alates germaaniumi esimesest punktkontaktist kuni MOSFETide uusima põlvkonnani on toimunud tuhandeid verstaposte, kuid keskne idee pole muutunud: täpselt kontrollida elektrivoolu, et luua tugevamaid ja puhtamaid signaale või usaldusväärsemat loogikat üha väiksemates ruumides.

Seotud artikkel:

Mis on digitaalsed süsteemid: oluline sissejuhatus tehnoloogia mõistmiseks