Mikä on transistori ja mihin sitä käytetään: tyypit, historia ja käyttötarkoitukset

Informatec Digital » Resurssit » Mikä on transistori ja mihin sitä käytetään: tyypit, historia ja käyttötarkoitukset

Jos kannat nykyään matkapuhelinta taskussasi, kuuntelet musiikkia kompaktilla stereolaitteistolla tai muodostat yhteyden internetiin ultraohuella tietokoneella , se on pienen mutta mahtavan keksinnön ansiota: transistorin. Tämä puolijohdelaite on 40-luvun lopulla tapahtuneesta ilmestymisestään lähtien vauhdittanut modernin elektroniikan pienentämistä ja tehostamista. Tässä artikkelissa selitämme yksityiskohtaisesti, mikä transistori on ja mihin sitä käytetään , miten se toimii sisäisesti, saatavilla olevat eri tyypit, mitkä parametrit ovat todella tärkeitä ja miksi sen historia merkitsi käännekohtaa teknologiassa.

Vaikka sen perusmääritelmä voidaan tiivistää yhteen lauseeseen, sen soveltamisala on valtava: transistori ohjaa tai muokkaa virran kulkua kahden navan välillä vasteena kolmanteen napaan syötetylle signaalille. Tästä syystä se toimii vahvistimena , kytkimenä , oskillaattorina tai jopa tasasuuntaajana sovelluksissa, jotka vaihtelevat kotikaiuttimista lääketieteelliseen skanneriin. Otetaan se askel askeleelta.

Mikä on transistori?

Sana transistori tulee englanninkielisestä ilmaisusta "transfer resistor ". Käytännössä se on puolijohdekomponentti, jossa on vähintään kolme napaa, jotka pystyvät sallimaan suuremman tai pienemmän virran kulun minkä tahansa kahden napan välillä riippuen siitä, mitä kolmannessa tapahtuu. Tämä kanavan virran tai johtavuuden hallinta mahdollistaa sen, että se vahvistaa heikkoja signaaleja tai toimii erittäin nopeana kytkimenä.

Klassisessa muodossaan bipolaaritransistorilla (BJT) on emitteri, kanta ja kollektori . Kannan läpi kulkeva pieni virta ohjaa paljon suurempaa virtaa emitterin ja kollektorin välillä. Kenttätransistoreissa (FET) ohjaus saavutetaan syöttämällä jännite hilaan, mikä moduloi lähteen ja nielun välisen kanavan johtavuutta erittäin suurella tuloimpedanssilla.

Ne valmistetaan enimmäkseen piistä , vaikka niitä esiintyy myös germaniumissa, galliumarsenidissa (GaAs) tai pii-germaniumseoksissa, massiivisesti integroituihin piireihin (mikrosiruihin) upotettuina tai erillisinä komponentteina pakattuina. Niiden pakkaukset ovat yleensä hermeettisesti suljettuja , muovi- tai metallikotelolla ja kolmella nastalla, ja ne ovat lähes kaiken modernin elektroniikan perusaktiivinen elementti.

Hieman olennaista historiaa

Unelma virtojen hallitsemisesta puolijohdepiireissä edelsi sen teollista toteutumista. Vuonna 1925 Julius Edgar Lilienfeld rekisteröi patentteja Kanadassa ja myöhemmin Yhdysvalloissa laitteille, jotka ennakoivat FETiä, mutta puolijohdemateriaaleilta puuttui käytännön sovellusten edellyttämä laatu. Vuonna 1934 Oskar Heil patentoi jotain vastaavaa Euroopassa, ja kiteiden kanssa tehdyt kokeet yleistyivät. Silti vasta vuonna 1947 John Bardeen ja Walter Brattain Bell Laboratoriesissa havaitsivat signaalin vahvistuksen kahdella kultaisella kärjellä germaniumkiteessä.

Seuraavien kuukausien aikana William Shockley syventyi puolijohdefysiikkaan ja ehdotti bipolaarisen liitostransistorin keksimistä, jolle jätettiin ensimmäinen patenttihakemus vuonna 1948. Samana vuonna Ranskassa Herbert Mataré ja Heinrich Welker kehittivät itsenäisesti "transistronin" puhelinverkkoa varten. Pian sen jälkeen, vuonna 1953, Philco esitteli ensimmäisen korkeataajuustransistorin (jopa 60 MHz), ja vuonna 1954 ensimmäinen toiminnassa oleva piitransistori saatiin valmiiksi Bell Labsissa (Morris Tanenbaum), ja ensimmäisen kaupallisen mallin valmisti Texas Instruments (Gordon Teal).

Seuraava merkittävä vallankumous oli MOSFET , jonka Dawon Kahng ja Martin Atalla kehittivät vuonna 1960. Se oli avainasemassa miljoonien transistoreiden integroinnissa neliösenttimetriä kohden. Tämän virstanpylvään tunnustuksena Shockley, Bardeen ja Brattain saivat Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1956 tutkimuksestaan ​​ja transistoriefektin löytämisestä. Sittemmin elektroniikka on kokenut räjähdysmäisen kasvun tietokoneiden historiassa : kannettavista radioista tietokoneisiin ja kattaen televiestinnän ja lääketieteen.

Rakenne, signaalit ja BJT:n toimintaperiaate

BJT koostuu kolmesta seostetusta alueesta, jotka muodostavat kaksi PN-liitosta : emitteri, kanta ja kollektor. Ne on rakennettu NPN- tai PNP-rakenteisiksi (keskimmäinen kirjain osoittaa kantatyypin), ja kunkin alueen seostusta kontrolloidaan huolellisesti: tyypillisesti emitteri on voimakkaammin seostettu kuin kollektori. Käytössä kollektorivirta on suunnilleen verrannollinen kantavirtaan, joka määräytyy beeta (β) -parametrin eli virranvahvistuksen mukaan.

Kannan ja emitterin välillä se käyttäytyy kuin eteenpäin suuntautuva diodi , jonka tyypillinen V _{_BE} -jännite on 0,6–0,8 V piissä ja ~0,4 V germaniumissa. Tämä diodi tekee kannasta säätimen, joka avaa tai sulkee varauksenkuljettajien virtauksen emitteristä kollektoriin. Teoreettisesti kanta säätelee elektronien tai aukkojen "liitäntää" siten, että pieni ohjausvirta hallitsee suurempaa lähtövirtaa.

Toimintatilat: aktiivinen, katkaisu ja saturaatio

Transistori voi toimia lineaarisena vahvistimena aktiivisella alueella , jossa se päästää virran kulkemaan verrannollisesti kantasignaalin herteeseen. Jos kantasignaali ei saa riittävästi herätettä, laite katkaisee virran eikä johda. Jos heräte on korkea, se saturoituu ja päästää virtapiirin salliman maksimivirran. Tämä monipuolisuus tekee siitä sopivan nopeaksi kytkimeksi tai heikkosignaalivahvistimeksi.

NPN vs. PNP pähkinänkuoressa

NPN-transistorissa elektronit virtaavat tyypillisesti kollektorista emitteriin , ja laite aktivoituu lisäämällä perusvirtaa positiivisella referenssillä; PNP-transistorissa käytännössä suunta on päinvastainen (emitteristä kollektoriin), ja esijännitelogiikka on komplementaarinen, mikä mahdollistaa symmetriset konfiguraatiot monissa analogisissa tai kytkentävaiheissa.

Transistorityypit, joihin törmäät

Perhe on laaja, mutta niillä kaikilla on sama sähkövirran säätöperiaate. Nämä ovat yleisimmät , sekä joitakin historiallisia esimerkkejä, joista kannattaa tietää:

• Oikea-aikainen yhteydenottoPioneer (1947), jossa oli kaksi germaniumkärkeä. Vaikea valmistaa, hauras ja meluisa, mutta se osoitti vahvistuksen ensimmäistä kertaa. Nykyään se on museoesine.
• Bipolaarinen liitostransistori (BJT)Klassinen NPN/PNP-transistori yhdellä puolijohdekiteellä, johon on seostettu donoriepäpuhtauksia (arseeni, fosfori) tai akseptorepäpuhtauksia (alumiini, indium, gallium). Se on virtaohjattu laite.
• Kenttätransistorit (FETit)JFET (liitosportti PN), IGFET ja MOSFET (ruosteen eristämä ovi). Ne ovat jänniteohjattu, erittäin korkealla tuloimpedanssilla; laajamittaisen integroinnin kulmakivi.
• Valotransistoritvaloherkkä, jossa valaistus toimii perusvirtana; täydellinen etätunnistus sähkömagneettisen säteilyn avulla.
• IGBT: eristetty bipolaarinen portti, jota käytetään laajalti teho yhdistämällä BJT:n ja MOSFET:in edut.
• Darlingtonin pariskuntaKaksi samassa kotelossa olevaa kaskadissa olevaa BJT-transistoria lisäävät huomattavasti globaali voitto.

Ratkaisevat parametrit ja materiaalit

Transistoria valittaessa sen tyyppi ei ole ainoa tärkeä tekijä; myös sen sähköiset parametrit ovat ratkaisevia : läpilyöntijännitteet (kollektori-emitteri, kanta-emitteri, kollektori-kanta), maksimiteho, lämmönhukka, toimintataajuus , β (muuntaja-emitteri β) ja sisäiset dynaamiset resistanssit. Pienisignaalisissa BJT:issä β vaihtelee tyypillisesti välillä 100 - 300. VBE _(muuntaja- emitterijännite) pienenee lämpötilan mukana noin -2,1 mV/°C :ssa piissä, joten joissakin malleissa on lämpötila-antureita tai kompensointimekanismeja.

Myös materiaalilla on merkitystä: germaniumilla on suurempi liikkuvuus kuin piillä, mutta sen vuoto ja sallittu lämpötila ovat huonompia; pii on hallitseva kestävyytensä ja helppokäyttöisyytensä ansiosta; GaAs loistaa korkeilla taajuuksilla elektronisen liikkuvuutensa ansiosta. Laitteet, kuten HEMT:t , joilla on erittäin alhainen kohina ja suuri nopeus, rakennetaan GaAs/AlGaAs:lle ja niitä käytetään satelliittivastaanottimissa noin 12 GHz:n taajuudella ja nitridien kanssa seuraavan sukupolven tehonsyötöissä.

Toinen hyödyllinen tapa visualisoida BJT:tä on Ebers-Moll -malli : kaksi diodia, toinen myötäsuuntainen emitteripohjainen ja toinen vastasuuntainen kollektoripohjainen. Tämä auttaa ymmärtämään, miksi tyypillinen VBE (0,6–0,8 V Si) esiintyy _ja miten se käyttäytyy lineaarisen alueen ulkopuolella. JFET- ja MOSFET-transistoreissa hilajännite on dominoiva: hilan negatiivisemmaksi tekeminen JFET-GS:ssä katkaisee kanavan toiminnan; MOSFET-transistoreissa hila ei ihanteellisessa tapauksessa ota tasavirtaa, ja signaali ohjaa kanavan johtavuutta lähteen ja nielun välillä.

Yleisimmin käytetyt vahvistinkonfiguraatiot

BJT-transistoreissa on yleistä ajatella kolmen klassisen topologian avulla. Jokainen niistä optimoi eri ominaisuuden (jännite, virta tai impedanssi), minkä vuoksi niitä löytyy edelleen kaikista kirjoista ja projekteista.

• yhteinen emitteriJännite- ja virtavahvistus vaiheenkäännöllä; se on työjuhta. Emitterivastus vakauttaa Ja jos se on silloitettu kondensaattorilla, se palauttaa AC-vahvistuksen.
• Yhteinen keräilijä (emitterin seuraaja): jännitevahvistus lähellä 1:tä, korkea tuloimpedanssi ja matala lähtöteho; ihanteellinen impedanssisovittimeksi.
• Yhteinen perusta: virranvahvistus ilman vaiheinversiota ja erittäin alhainen tuloimpedanssiSe loistaa matalan impedanssin signaalilähteillä, kuten dynaamisilla mikrofoneilla tietyissä asetelmissa.

Käytännön esimerkki (polarisoitu yhteinen emitteri jakajalla)

Kuvittele, että suunnittelet lavan V:llä_CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V ja β=100. Jos asetat emitterijännitteen noin 1/10 V:sta_CC (2 V), saat R_E≈200 ΩR-arvon lasku_C olisi V_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, I:n kanssa_C=10 mA, sitten R_C=1 kΩPohja pysyy V:ssä_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Jos jakajan mitoitus on noin kymmenen kertaa perusvirta, saat R₂≤ 2 kΩ ja suhteessa V:hen_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Pienillä signaaleilla sisäisen emitterin dynaaminen resistanssi (r _{_e}) 10 mA:n virralla on ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, mikä antaa likimääräisen ihanteellisen jännitevahvistuksen A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Kollektorin 5 kΩ:n kuormalla efektiivinen lähtöimpedanssi on noin 830 Ω ja vahvistus laskee arvoon ≈ −319. Kannassa havaittu impedanssi on r _{_e} · β ≈ 260 Ω, ja kokonaistuloimpedanssi, ottaen huomioon jakajan ja kannan rinnan, on ≈ 226 Ω. Kytkentä- ja emitterikondensaattorit on valittu siten, että niiden reaktanssi on merkityksetön toiminta-alueella.

Tämä esimerkki tiivistää kuormitusviivan ja Q-pisteen käsitteen : valitset lepopisteen (usein VCE _≈VCC / 2 ilman RE:tä ₎ , joka sallii symmetrisen signaalipoikkeaman. Siitä lähtien säädät vahvistusta, impedanssia ja stabiilisuutta sovelluksen mukaan_.

FET ja MOSFET: jännitteen säätö

FETeissä ei ole varsinaista perusvirtaa, vaan pikemminkin hilajännite , joka ohjaa kanavan leveyttä. Perus-JFET koostuu N- tai P-tyyppisestä materiaalista valmistetusta sauvasta, jonka päissä (nielun ja lähteen) on ohmiset kontaktit ja kaksi diffuusia aluetta, jotka muodostavat hilan. Kun hilajännite muuttuu negatiivisemmaksi (N-tyyppisessä JFETissä), kanava kapenee ja johtavuus lakkaa.

MOSFET puolestaan ​​eristää portin oksidieristeellä ja saavuttaa valtavan tuloimpedanssin. Tämä yhdistettynä sen integroinnin kanssa yhteensopivaan valmistusprosessiin selittää, miksi se on nykyaikaisten sirujen kuningas ja miksi se on ajanut sukupolvien prosessoreita : se mahdollistaa satojen tuhansien tai miljardien toisiinsa kytkettyjen transistoreiden integroinnin neliösenttimetriä kohden useissa kerroksissa.

Käytännön sovelluksia: arjesta teollisuuteen

Niiden kaikkien luetteleminen on mahdotonta, mutta kannattaa muistaa edustavimmat. Vahvistimina transistorit vahvistavat signaaleja radioissa, televisioissa ja äänilaitteissa. Kytkiminä ne ohjaavat kytkentävirtalähteitä, moottorinohjaimia ja valaistusjärjestelmiä. Oskillaattoreissa ne tuottavat radiotaajuussignaaleja viestintää varten. Ja tietenkin ne ovat integroitujen piirien perusrakenneosa tietokoneissa, älypuhelimissa ja kaikenlaisissa digitaalisissa laitteissa.

Ammatillisella tasolla niiden rooli on ratkaisevan tärkeä televiestinnässä , lääketieteellisessä elektroniikassa, teollisuusautomaatiossa ja robotiikassa. Niiden kyky luoda pienempiä ja tehokkaampia piirejä on mullistanut tuotesuunnittelun ja -valmistuksen, mikä on johtanut kannettavampiin, tehokkaampiin ja energiatehokkaampiin laitteisiin.

Edut termidionventtiileihin verrattuna (ja miksi niitä käytetään joskus edelleen)

Ennen transistoreita tyhjiöputket olivat ylivertaisia. Ne kuitenkin vaativat vaarallisen korkeita jännitteitä , kuluttivat paljon energiaa, olivat kookkaita ja painavia (runko ja muuntajat), olivat alttiimpia vikaantumiselle ylikuumenemisen vuoksi ja niiden käyttölämpötilan saavuttaminen kesti kauan hehkulangan kuumenemisen vuoksi. Lisäksi ne kärsivät mikrofonivaikutuksista ja toimivat suurilla impedansseilla . Transistorit toivat mukanaan pienen virrankulutuksen, matalan jännitteen, kompaktisuuden, kestävyyden ja alhaisemmat kustannukset alusta alkaen.

Historiallinen tosiasia havainnollistaa eroa: ENIAC, yksi ensimmäisistä digitaalisista tietokoneista, painoi yli 30 tonnia ja kulutti noin 200 kW käyttääkseen noin 18 000 tyhjiöputkea, jotka rikkoutuivat päivittäin. Siitä huolimatta tyhjiöputket säilyivät tietyissä markkinaraoissa: joissakin suuritehoisissa radio- tai äänivahvistimissa (niiden korkean lineaarisuuden ja harmonisten yliaaltojen luonteen vuoksi), sähkömagneettisia pulsseja kestävissä laitteissa ja äärimmäisen tehon sovelluksissa. Ajan myötä myös puolijohdeelektroniikka valloitti monia näistä alueista.

Rakenneominaisuudet ja yksityiskohdat

Yleissääntönä diskreetti transistori on suljettu puolijohdelaite, jossa on kolme näkyvää napaa. Se voidaan konfiguroida vaiheittain toimimaan vahvistimena, kytkimenä, oskillaattorina tai tasasuuntaajana . Piitä suositaan monissa malleissa sen lämpö- ja vuoto-ominaisuuksien vuoksi, mutta on myös germanium- ja yhdistetransistoriperheitä tiettyihin tehtäviin, kuten mikroaalto- tai erittäin nopeisiin sovelluksiin.

BJT-transistoreissa lämpötilan noustessa eteenpäin suuntautuvan liitoksen jännite pienenee ja vuotovirrat voivat kasvaa, joten lämmönhukka ja maksimitehon valinta ovat ratkaisevan tärkeitä. Teho-FETeissä valmistusprosessi voi luoda loisdiodeja (kuten Schottky-diodi lähteen ja nielun välille), mikä on otettava huomioon piirisuunnittelussa.

Materiaalien nopea vertailu

Jos mietit, miksi jotkut materiaalit ovat nopeampia kuin toiset, harkitse elektronien ja aukkojen liikkuvuutta . Ge:llä on korkea liikkuvuus, mutta alhaisempi maksimilämpötila, suurempi vuoto ja alhaisempi korkeiden jännitteiden sietokyky ; piillä on erinomainen tasapaino ja tyypilliset liitoslämpötilat 150–200 °C; GaAs nostaa rimaa korkeilla taajuuksilla, vaikka sen valmistus on vaativampaa. Siksi jokainen niistä on ylivertainen omassa segmentissään.

Digitaalinen käyttö: täydellisestä kytkimestä logiikkaan

Digitaalikytkentätekniikassa transistori toimii vuorotellen katkaisu- ja kyllästystilan välillä , jolloin se käyttäytyy ihanteellisessa tapauksessa kuin avoin tai suljettu piiri. Tämä kytkentänopeus ja alhainen virrankulutus mahdollistavat logiikkaporttien ja binäärijärjestelmän sekä kaskadikytkentään kytketyt suorittimet ja muistit. MOSFET- ja CMOS-teknologian ansiosta staattinen virrankulutus on erittäin alhainen, koska portti ei johda tasavirtaa ja virtaa kuluu vain siirtymien aikana.

Käytännön etuja asennuksissa ja laitteissa

Arkikäyttöön transistorit tarjoavat pienen koon (mikä helpottaa laitteiden kuljettamista ja integrointia), pitkän käyttöiän (vähemmän huoltoa vaativat), nopeuden (keskeinen prosessoreille ja tietoliikenteelle), alhaiset kustannukset (vähentää järjestelmäkustannuksia) ja energiatehokkuuden (minimaaliset häviöt). Kotona jokainen pieni apu on hyödyllistä: vakaista, säännellyistä virtalähteistä automaatioon ja energiansäästöön.

Usein kysytyt kysymykset, joihin kannattaa vastata

Käytetäänkö transistoria vain vahvistukseen? Ei. Se on myös erittäin hiljainen ja erittäin nopea kytkin , logiikkapiirien rakennuspalikka, valonilmaisin (fototransistori) tai osa oskillaattoria . Sen monipuolisuus on sen suurin etu.

Millä toimialoilla se on nykyään kriittinen? Lähes kaikilla: televiestintä ja verkot , lääketieteelliset laitteet, autoteollisuus, energia, valmistus ja kulutuselektroniikka. Tehon, pienentämisen ja ohjauksen yhdistelmä on moninkertaistanut sen vaikutuksen.

Miksi jotkut puhuvat "päällä/pois"-tilasta? Se on puhekielinen tapa viitata katkaistuun (pois päältä) ja johtavaan (joko aktiiviseen tai saturoituneeseen) tilaan. Käytännössä nämä ovat loogisia tiloja, jotka mahdollistavat virran kulun kytkemisen päälle tai pois päältä .

Noin seitsemänkymmentä vuotta syntymänsä jälkeen transistori on edelleen elektroniikan sydän: germaniumin ensimmäisestä pistekontaktista uusimman sukupolven MOSFETeihin on saavutettu tuhansia virstanpylväitä, mutta keskeinen ajatus ei ole muuttunut: ohjata tarkasti sähkön virtausta, jotta voidaan luoda vahvempia ja puhtaampia signaaleja tai luotettavampaa logiikkaa yhä pienemmissä tiloissa.

Aiheeseen liittyvä artikkeli:

Mitä digitaaliset järjestelmät ovat: Olennainen johdatus tekniikan ymmärtämiseen