Što je tranzistor i za što se koristi: vrste, povijest i upotreba

Digitalne informacije » Resursi » Što je tranzistor i za što se koristi: vrste, povijest i upotreba

Ako danas nosite mobitel u džepu, slušate glazbu na kompaktnom stereo sustavu ili se spajate na internet s ultra tankog računala , to je zahvaljujući malom, ali moćnom izumu: tranzistoru. Od svog nastanka krajem 40-ih, ovaj poluvodički uređaj potaknuo je minijaturizaciju i snagu moderne elektronike. U ovom ćemo članku detaljno objasniti što je tranzistor i za što se koristi , kako interno funkcionira, koje su različite vrste dostupne, koji su parametri zaista važni i zašto je njegova povijest 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 , sklopka , oscilator ili čak ispravljač , u primjenama od kućnog zvučnika do medicinskog skenera. Idemo korak po korak.

Što je tranzistor?

Riječ tranzistor dolazi od engleskog izraza "transfer resistor ". U praksi, to je poluvodička komponenta s najmanje tri terminala sposobna propustiti više ili manje struje između bilo koja dva od njih, ovisno o tome što se događa na trećem. Ova kontrola nad strujom ili vodljivošću kanala omogućuje mu pojačavanje slabih signala ili djelovanje kao vrlo brza sklopka.

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), upravljanje se postiže primjenom napona na vrata, modulirajući vodljivost kanala između izvora i odvoda s vrlo visokom ulaznom impedancijom.

Uglavnom se proizvode od silicija , iako postoje i u germaniju, galijevom arsenidu (GaAs) ili silicij-germanijevim legurama, masivno ugrađeni u integrirane krugove (mikročipove) ili pakirani kao diskretne komponente. Njihovo pakiranje je obično hermetički zatvoreno , s plastičnim ili metalnim kućištem i tri pina, te su osnovni aktivni element gotovo sve moderne elektronike.

Malo bitne povijesti

San o kontroli struja u poluvodičkim krugovima prethodio je njegovoj industrijskoj realizaciji. Godine 1925. Julius Edgar Lilienfeld registrirao je patente u Kanadi, a kasnije i u SAD-u za uređaje koji su anticipirali FET, ali poluvodički materijali nisu imali potrebnu kvalitetu za praktičnu primjenu. Godine 1934. Oskar Heil patentirao je nešto slično u Europi, a eksperimenti s kristalima su se proširili. Unatoč tome, tek su 1947. John Bardeen i Walter Brattain u Bell Laboratoriesu primijetili pojačanje signala s dva zlatna vrha na kristalu germanija.

U sljedećim mjesecima, William Shockley dublje je istraživao fiziku poluvodiča i predložio bipolarni spojni tranzistor , za koji je prva patentna prijava podnesena 1948. Iste godine, u Francuskoj, Herbert Mataré i Heinrich Welker neovisno su razvili "tranzistron" za telefonsku mrežu. Ubrzo nakon toga, 1953., Philco je predstavio prvi visokofrekventni tranzistor (do 60 MHz), a 1954. godine postignut je prvi operativni silicijski 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 izgradili Dawon Kahng i Martin Atalla, a koji je bio ključan za integraciju milijuna tranzistora po kvadratnom centimetru. U znak priznanja za ovu prekretnicu, Shockley, Bardeen i Brattain dobili su Nobelovu nagradu za fiziku 1956. za svoje istraživanje i otkriće tranzistorskog efekta. Od tada je elektronika doživjela eksploziju u vremenskoj liniji računalne povijesti : od prijenosnih radio prijemnika do računala, obuhvaćajući telekomunikacije i medicinu.

Struktura, signali i kako BJT radi

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

Između baze i emitera, ponaša se poput diode s promjenjivom polarizacijom , s tipičnim naponom V _**BE** od 0,6–0,8 V u siliciju i ~0,4 V u germaniju. Ova dioda čini bazu kontrolom koja otvara ili zatvara protok nositelja naboja od emitera do kolektora. Konceptualno, baza regulira "dovod" elektrona ili šupljina, tako da mala kontrolna struja upravlja većom na izlazu.

Načini rada: aktivni, granični i zasićeni

Tranzistor može raditi kao linearno pojačalo u aktivnom području , gdje dopušta protok struje proporcionalan pobudi baze. Ako baza ne primi dovoljno pobude, uređaj se isključuje i ne provodi. Ako je pobuda visoka, ona se zasićuje i dopušta maksimalnu struju koju dopušta sklop. Ova svestranost čini ga prikladnim kao brzi prekidač ili pojačalo 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 omogućuje simetrične konfiguracije u mnogim analognim ili sklopnim stupnjevima.

Vrste tranzistora s kojima ćete se susresti

Obitelj je široka, ali svi dijele isti osnovni princip upravljanja električnim tokom. Ovo su najčešći , uz neke povijesne primjere koje vrijedi znati:

• Pravovremeni kontaktPionir (1947.), s dva germanijeva vrha. Teško za proizvodnju, krhko i bučno, ali je prvi put pokazalo prednost. Danas je muzejski primjerak.
• Bipolarni spojni tranzistor (BJT)Klasični NPN/PNP tranzistor na jednom poluvodičkom kristalu, dopiran donorskim nečistoćama (arsen, fosfor) ili akceptorskim nečistoćama (aluminij, indij, galij). To je uređaj s kontroliranom strujom.
• Tranzistori s efektom polja (FET)JFET (spojni PN tranzistor), IGFET i MOSFET (vrata izolirana hrđom). Oni su naponski kontrolirano, s vrlo visokom ulaznom impedancijom; temelj integracije velikih razmjera.
• Fototranzistoriosjetljiv na svjetlost, gdje osvjetljenje djeluje kao osnovna struja; idealno za daljinsko otkrivanje elektromagnetskim zračenjem.
• IGBT: izolirana vrata bipolarna, široko korištena u vlast kombinirajući prednosti BJT-a i MOSFET-a.
• Par iz DarlingtonaDva kaskadno spojena 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 unutarnji dinamički otpori. U BJT-ovima malih signala, β se obično kreće od 100 do 300. VBE _{(transformacija-} emiter napon) smanjuje se s temperaturom na približno -2,1 mV/°C u siliciju, pa neki dizajni uključuju toplinske senzore ili kompenzacijske mehanizme.

Materijal je također važan: germanij nudi veću pokretljivost od silicija, ali su mu propuštanje i dopuštena temperatura lošiji; silicij dominira zbog svoje robusnosti i jednostavnosti izrade; GaAs sjaji na visokim frekvencijama zahvaljujući svojoj elektroničkoj pokretljivosti. 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.

Drugi koristan način vizualizacije bipolarnog jointa (BJT) je Ebers-Moll model : dvije diode, jedna s promjenjivom polarizacijom baza-emiter i druga s promjenjivom polarizacijom baza-kolektor. To pomaže razumjeti zašto se pojavljuje tipična VBE (0,6-0,8 V Si) _i kako se ponaša izvan linearnog područja. U JFET-ovima i MOSFET-ovima, napon vrata je dominantan: smanjenje napona vrata u JFET-GS-u uzrokuje prekid kanala; u MOSFET-ovima, vrata idealno ne vuče istosmjernu struju, a signal kontrolira vodljivost kanala između izvora i odvoda.

Najčešće korištene konfiguracije pojačala

Kod bipolarnih tranzistora uobičajeno je razmišljati u smislu tri klasične topologije. Svaka optimizira drugačiju kvalitetu (napon, struju ili impedanciju), zbog čega se još uvijek 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 sljedbenik): pojačanje napona blizu 1, visoka ulazna impedancija i niski izlaz; idealan kao adapter impedancije.
• Zajednička baza: strujno pojačanje, bez fazne inverzije i vrlo niska ulazna impedancijaIstiče se s izvorima signala niske impedancije, poput dinamičkih mikrofona u određenim postavkama.

Praktičan primjer (polarizirani zajednički emiter s razdjelnikom)

Zamislite da dizajnirate pozornicu s V_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), dobivate R_E≈200 ΩPad u R-u_C bio bi V_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, s I_C=10 mA, tada R_C=1 kΩBaza ostaje na V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Ako dimenzionirate razdjelnik sa strujom otprilike 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 iznosi ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, što daje približno idealno naponsko pojačanje A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. S opterećenjem kolektora od 5 kΩ, efektivna izlazna impedancija je oko 830 Ω, a pojačanje pada na ≈ −319. Impedancija na bazi je r _{_e} · β ≈ 260 Ω, a ukupna ulazna impedancija, uzimajući u obzir djelitelj i bazu paralelno, iznosi ≈ 226 Ω. Spojni i emiterski kondenzatori odabrani su tako da je njihova reaktancija zanemariva u radnom pojasu.

Ovaj primjer sažima koncept linije opterećenja i Q-točke : odabirete točku mirovanja (često VCE _≈VCC / 2 bez RE ₎ koja omogućuje simetrično odstupanje signala. Odatle podešavate pojačanje, impedanciju i stabilnost prema primjeni_.

FET i MOSFET: kontrola napona

U FET-ovima ne postoji sama bazna struja, već napon vrata koji kontrolira širinu kanala. Osnovni JFET sastoji se od šipke materijala N-tipa ili P-tipa, s omskim kontaktima na krajevima (odvod i izvor) i dva difuzna područja koja tvore vrata. Kako napon vrata postaje negativniji (u JFET-u N-tipa), kanal se sužava i provođenje prestaje.

S druge strane, MOSFET izolira vrata oksidnim dielektrikom i postiže ogromnu ulaznu impedanciju. To, u kombinaciji s njegovim proizvodnim procesom kompatibilnim s integracijom, objašnjava zašto je kralj modernog čipa i zašto je pokretao generacije procesora : omogućuje integraciju stotina tisuća 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 prijemnicima, televizorima i audio opremi. Kao sklopke , oni kontroliraju preklopne izvore napajanja, regulatore motora i sustave rasvjete. U oscilatorima generiraju radiofrekventne signale za komunikaciju. I, naravno, oni su osnovni gradivni blok integriranih krugova u računalima, 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, učinkovitijih sklopova transformirala je dizajn i proizvodnju proizvoda, što je rezultiralo prenosivijom, snažnijom i energetski učinkovitijom opremom.

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

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

Povijesna činjenica ilustrira razliku: ENIAC, jedno od prvih digitalnih računala, težio je preko 30 tona i trošio oko 200 kW za napajanje otprilike 18 000 vakuumskih cijevi, s dnevnim kvarovima. Unatoč tome, vakuumske cijevi su preživjele u specifičnim nišama: nekim radio ili audio pojačalima velike snage (zbog njihove visoke linearnosti i karaktera njihovih harmonika), opremi otpornoj na elektromagnetske impulse i primjenama ekstremne snage. S vremenom je i elektronika u čvrstom stanju osvojila mnoge od tih granica.

Značajke i detalji konstrukcije

Općenito, diskretni tranzistor je zatvoreni poluvodički uređaj s tri vidljiva terminala. Može se konfigurirati u stupnjevima da funkcionira kao pojačalo, sklopka, oscilator ili ispravljač . Silicij je preferiran u mnogim izvedbama zbog svojih toplinskih i propuštajućih svojstava, ali postoje i obitelji germanijevih i složenih tranzistora za specifične zadatke, kao što su mikrovalne ili vrlo brze primjene.

Kod bipolarnih tranzistora (BJT), kako temperatura raste, napon na spoju prema naprijed se smanjuje, a struje curenja se mogu povećati, stoga su rasipanje topline i izbor maksimalne snage ključni. Kod energetskih FET-ova, proizvodni proces može stvoriti parazitske diode (poput Schottky diode između izvora i odvoda), što treba uzeti u obzir pri dizajnu kruga.

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 propuštanje i nižu toleranciju na visoke napone ; Si nudi izvrsnu 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 preklapanju, tranzistor radi naizmjenično između prekida i zasićenja , gdje se idealno ponaša kao otvoreni ili zatvoreni strujni krug. Ova brzina preklapanja i niska potrošnja energije omogućuju logička vrata i binarni sustav , 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 tijekom prijelaza.

Praktične prednosti u instalacijama i uređajima

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

Često postavljana pitanja na koja treba odgovoriti

Koristi li se tranzistor samo za pojačanje? Ne. Također je ultra-tiha i ultra-brza sklopka , gradivni blok logičkih sklopova, detektor svjetlosti (fototranzistor) ili dio oscilatora . Njegova svestranost je njegova najveća prednost.

U kojim je industrijama danas ključna? Gotovo u svim: telekomunikacijama i mrežama , medicinskoj opremi, automobilskoj industriji, energetici, proizvodnji i potrošačkoj elektronici. Kombinacija snage, miniaturizacije i kontrole umnožila je njezin utjecaj.

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

Sedamdesetak godina nakon svog rođenja, tranzistor ostaje srce elektronike: od prvog točkastog kontakta na germaniju do najnovije generacije MOSFET-ova, dogodile su se tisuće prekretnica, ali središnja ideja se nije promijenila: precizno kontrolirati protok električne energije kako bi se stvorili jači, čišći signali ili pouzdana logika unutar sve manjih prostora.