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

Informatec Digital » Sredstva » Što je tranzistor i za što se koristi: vrste, povijest i upotreba

Ako danas nosite mobitel u džepu, slušate glazbu s kompaktnog sustava ili se spajate na internet s ultra tanko računaloSve je to zahvaljujući malom, ali moćnom izumu: tranzistoru. Od svog nastanka krajem 40-ih, ovaj poluvodički uređaj potaknuo je minijaturizaciju i snagu moderne elektronike. U nastavku ćemo vam detaljno objasniti sve o tome. Što je tranzistor i čemu služi?, kako interno funkcionira, koje vrste postoje, koji su parametri zaista važni i zašto je njegova povijest označila prekretnicu.

Iako se njegova osnovna definicija može sažeti u jednoj rečenici, njegov opseg je ogroman: Tranzistor kontrolira ili modificira protok struje između dva terminala, reagirajući na signal primijenjen na treći terminal. Zato služi kao pojačalo, prekidač, oscilator ili čak ispravljačOd kućnog zvučnika do medicinskog skenera. Idemo korak po korak.

Što je tranzistor?

Riječ tranzistor dolazi od engleskog izraza prijenosni otpornik ("otpor pri prijenosu"). U praksi je to poluvodička komponenta s najmanje tri terminala sposoban propustiti više ili manje struje između dva od njih, ovisno o tome što se događa u trećem. Ova kontrola nad strujom ili vodljivošću kanala omogućuje pojačavanje slabih signala ili djelovanje kao vrlo brza sklopka.

U svom klasičnom obliku, bipolarni spojni tranzistor (BJT) ima emiter, baza i kolektorMala struja koja ulazi kroz bazu kontrolira mnogo veću struju između emitera i kolektora. U slučaju tranzistora s efektom polja (FET), kontrola se postiže primjenom napona na vrata, modulirajući vodljivost kanala između izvora i odvoda s vrlo visoka ulazna impedancija.

Uglavnom se proizvode u silicijiako postoje i u germaniju, galijevom arsenid (GaAs) ili silicij-germanijevim legurama, masivno ugrađenim u integrirani krugovi (mikročipovi) ili pakirani kao zasebni dijelovi. Njihova enkapsulacija je obično hermetičan, s plastičnim ili metalnim kućištem i tri pina, te je osnovni aktivni element gotovo sve trenutne elektronike.

Malo bitne povijesti

San o kontroli struja u poluvodičkim uređajima prethodio je njihovoj 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 Nedostajala je kvaliteta poluvodičkih materijala da ih primijene u praksi. Godine 1934. Oskar Heil patentirao je nešto slično u Europi, a eksperimenti s kristalima su se umnožili. Unatoč tome, tek su 1947. John Bardeen i Walter Brattain iz Bell Laboratoriesa primijetili pojačanje signala s dva zlatna vrha na kristalu germanija.

U sljedećim mjesecima, William Shockley dublje se bavio fizikom poluvodiča i predložio je bipolarni spojni tranzistorPrva patentna prijava za tranzistor podnesena je 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 i prvi tranzistor. silicijski operativni sustav u Bellu (Morris Tanenbaum) i prvi komercijalni model u Texas Instrumentsu (Gordon Teal).

Sljedeća velika revolucija bila je MOSFETIzgrađen 1960. godine od strane Dawona Kahnga i Martina Atalle, bio je ključan za integraciju milijuna tranzistora po kvadratnom centimetru. U znak priznanja ove prekretnice, Shockley, Bardeen i Brattain dobili su Nobelovu nagradu za fiziku Godine 1956. dobio je Nobelovu nagradu za svoje istraživanje i otkriće tranzistorskog efekta. Od tada je elektronika doživjela eksploziju u vremenska crta povijesti računalaOd prijenosnih radio stanica do računala, uključujući telekomunikacije i medicinu.

Struktura, signali i kako BJT radi

BJT se sastoji od tri dopirane regije koje stvaraju dva PN spojaemiter, baza i kolektor. Konstruirani su kao NPN ili PNP (srednje slovo označava vrstu baze) i dopiranje svake zone je pažljivo kontrolirano: normalno je emiter jače dopirani nego kolektor. U radu je struja kolektora približno proporcionalna struji baze prema parametru beta (β) ili strujno pojačanje.

Između baze i izdavatelja, ponaša se kao dioda s prednaponskom 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 "dodatak" elektrona ili šupljina, tako da mala upravljačka struja upravlja većim na izlazu.

Načini rada: aktivni, granični i zasićeni

Tranzistor može raditi kao amplificador lineal en aktivno područjegdje omogućuje brzinu protoka proporcionalnu pobudi baze. Ako baza ne primi dovoljno pobude, uređaj ulazi sud i ne vodi. Ako je uzbuđenje visoko, nalazi se u zasićenje i omogućuje maksimalnu struju dopuštenu strujnim krugom. Ova svestranost čini ga prikladnim kao brzi prekidač ili pojačalo slabog signala.

NPN vs PNP ukratko

U NPN-u, elektroni obično teku iz kolektora do emitera i uređaj se aktivira povećanjem bazne struje s pozitivnom referencom; u PNP-u je praktični smjer obrnut (emiter prema kolektoru) i logika polariziranja je komplementarna, što omogućuje simetrične konfiguracije u mnogim analognim ili preklopnim stupnjevima.

Vrste tranzistora s kojima ćete se susresti

Obitelj je velika, ali svi reagiraju na istu ideju kontrole protoka električne energije. Ovo su najčešći i neke povijesne činjenice 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 nije važan samo tip; važne su i njegove karakteristike. električni parametriprobojni naponi (kolektor-emiter, baza-emiter, kolektor-baza), maksimalna snaga, toplinska disipacija, radna frekvencijaβ i unutarnji dinamički otpori. Kod bipolarnih tranzistora s malim signalom, β se obično kreće od 100 do 300. V_BE smanjuje se s temperaturom približno brzinom od −2,1 mV/°C izrađeni od silicija, pa postoje dizajni koji uključuju senzore ili toplinsku kompenzaciju.

Materijal je također važan: germanij Nudi veću mobilnost od silicija, ali su mu propuštanje i dopuštena temperatura lošiji; silicij Poznat je po svojoj robusnosti i jednostavnosti proizvodnje; GaAs Zahvaljujući svojoj elektroničkoj mobilnosti, svijetli na visokim frekvencijama. Uređaji poput sljedećih temelje se na GaAs/AlGaAs: HEMT, s vrlo niskim šumom i velikom brzinom, koristi se u satelitskim prijemnicima oko 12 GHz i, s nitridima, u najsuvremenijim energetskim primjenama.

Drugi koristan način pregleda bipolarnog tranzistora je kroz model Ebers-MollDvije diode: jedna baza-emiter u direktnoj polarizaciji i druga baza-kolektor u inverznoj polarizaciji. To pomaže razumjeti zašto se pojavljuje napon._BE tipično (0,6-0,8 V Si) i kako se ponaša izvan linearnog područja. Kod JFET-ova i MOSFET-ova, napon vrata je dominantan: što JFET-GS čini negativnijim, otpušta kanal; kod MOSFET-ova, napon vrata Ne troši električnu energiju. Idealno u istosmjernoj struji, signal kontrolira vodljivost kanala između izvora i odvoda.

Najčešće korištene konfiguracije pojačala

Kod bipolarnih tranzistora uobičajeno je razmišljati u smislu tri klasične topologije. Svaka od njih optimizira kvalitetu različiti (napon, struja ili impedancija) i zato su još uvijek 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 mali signal, dinamički otpor unutarnjeg emitera (r_e) pri 10 mA je ~26 mV/I≈2,6 Ω, što daje pojačanje napona idealni približni A_v≈−R_C/r_e≈−385. S opterećenjem kolektora od 5 kΩ, efektivna izlazna impedancija je oko 830 Ω, a pojačanje pada na ≈−319. impedancija viđena na bazi es r_e·β≈260 Ω, a ukupni ulazni otpor, uzimajući u obzir djelitelj i bazu spojene paralelno, iznosi ≈226 Ω. Spojni i emiterski kondenzatori odabrani su tako da im je reaktancija neznatan u radnom području.

Ovaj primjer sažima ideju o linija opterećenja i točka Q: odabirete točku odmora (često V)_CE≈V_CC/2 bez R-a_E) koji omogućuje simetrično odstupanje signala. Odatle podešavate pojačanje, impedanciju i stabilnost prema primjeni.

FET i MOSFET: kontrola napona

U FET-ovima ne postoji bazna struja per se, već napon vrata koji kontrolira širinu kanala. Osnovni JFET započinje s šipkom od 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 postaje davi i vožnja prestaje.

S druge strane, MOSFET izolira vrata oksidnim dielektrikom i postiže ogromnu ulaznu impedanciju. To, u kombinaciji s proizvodnim procesom kompatibilnim s integracijom, objašnjava zašto je... kralj čipsa moderno i zašto je to potaknulo generacije procesora: omogućuje integraciju stotina tisuća do milijardi međusobno povezanih tranzistora po kvadratnom centimetru u nekoliko slojeva.

Praktična primjena: od svakodnevnog života do industrije

Nemoguće ih je sve nabrojati, ali vrijedi se sjetiti najreprezentativnijih. Kao što su pojačalaTranzistori pojačavaju signale u radio prijemnicima, televizorima ili audio opremi. Na primjer... prekidačiOni upravljaju preklopnim napajanjima, regulatorima motora ili sustavima rasvjete. oscilatoriOni generiraju radiofrekventne signale za komunikaciju. I, naravno, oni su osnovni gradivni blok... integrirani krugovi na računalima, pametnim telefonima i svim vrstama digitalnih uređaja.

U profesionalnoj sferi, njihova uloga je ključna u telekomunikacijaMedicinska elektronika, industrijska automatizacija ili robotika. Njihova sposobnost da to učine manji i učinkovitiji krugovi Promijenio je način na koji se proizvodi dizajniraju i proizvode, s prenosivijom, snažnijom opremom s niskom potrošnjom energije.

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

Prije tranzistora, vladale su vakuumske cijevi. Ali bile su im potrebne visoke tenzije opasni, trošili su puno energije, bili su glomazni i teški (šasija i transformatori), više su propali Bili su skloni pregrijavanju i trebalo im je dugo vremena da postignu radnu temperaturu zbog zagrijavanja niti. Nadalje, patili su od mikrofonskih efekata i radili su na visoke impedancijeTranzistori su od samog početka donosili nisku potrošnju energije, niski napon, kompaktnost, robusnost i nižu cijenu.

Povijesna činjenica ilustrira razliku: ENIAC, jedno od prvih digitalnih računala, težio je više od 30 tona i trošili su oko 200 kW za napajanje otprilike 18 000 ventila, s dnevnim kvarovima. Unatoč tome, ventili su preživjeli u određenim nišama: nekim radio ili audio pojačalima velike snage (zbog svojih linearnost visoke razine i karakter njegovih harmonika), ojačana oprema protiv elektromagnetski impulsi i primjene ekstremne snage. S vremenom je elektronika u čvrstom stanju također osvojila mnoge od tih granica.

Značajke i detalji konstrukcije

Općenito, diskretni tranzistor je zatvorena poluvodička naprava s tri vidljiva terminala. Može se konfigurirati u fazama koje funkcioniraju kao pojačalo, prekidač, oscilator ili ispravljačSilicij je preferiran u mnogim izvedbama zbog svojih toplinskih i propuštajućih svojstava, ali postoje i germanijeve obitelji i spojevi za specifične zadatke, kao što su mikrovalna pećnica ili vrlo velikom brzinom.

Kod bipolarnih tranzistora, kako temperatura raste, napon na spoju u smjeru prolaska smanjuje se, a struje curenja mogu se povećati, stoga odvođenje topline I izbor maksimalne snage je ključan. Kod FET-ova za snagu, proizvodni proces može stvoriti parazitske diode (poput Schottkyjevog napona između izvora i odvoda), nešto što treba imati na umu prilikom projektiranja kruga.

Brza usporedba materijala

Ako se pitate zašto su neki materijali brži od drugih, razmislite o mobilnost elektrona i šupljina. Ge ima visoku pokretljivost, ali lošiju maksimalnu temperaturu, veće propuštanje i nižu toleranciju na visoke tenzijeSilicij nudi izvrsnu ravnotežu i tipične temperature spoja od 150-200 °C; GaAs podiže ljestvicu na visokim frekvencijama, iako je njegov proizvodni proces zahtjevniji. Stoga svaki vlada u svom segmentu.

Digitalna upotreba: od savršenog prekidača do logike

U digitalnom preklapanju, tranzistor radi naizmjenično između rez i zasićenjegdje se idealno ponaša kao otvoreni ili zatvoreni strujni krug. Ova brzina promjene i smanjena potrošnja energije čine logička vrata i binarni sustavi, zauzvrat, CPU-e i memorije. S MOSFET-ima i CMOS tehnologijom, statička potrošnja energije je izuzetno niska jer je ulaz ne vozi u istosmjernoj struji i troši se samo tijekom prijelaza.

Praktične prednosti u instalacijama i uređajima

Za svakodnevnu upotrebu, tranzistori su neophodni. smanjena veličina (oprema koju je lakše transportirati i integrirati), Dug vijek trajanja (manje održavanja), ubrzati (ključno u procesorima i komunikacijama), niska cijena (smanjuje troškove sustava) i energetska učinkovitost (manji gubici). U domu se sve zbraja: od stabilnih reguliranih izvora do automatizacije i ušteda.

Često postavljana pitanja na koja treba odgovoriti

Koristi li se tranzistor samo za pojačanje? Ne. To je također prekidač ultra-tih i ultra-brz, logički sklop, detektor svjetlosti (fototranzistor) ili dio oscilatorNjegova svestranost je njegova najveća prednost.

U kojim je industrijama to danas ključno? Gotovo u svim: telekomunikacije i mrežeMedicinska oprema, automobilska industrija, energetika, proizvodnja i potrošačka elektronika. Kombinacija snaga, miniaturizacija i kontrola umnožio je svoj utjecaj.

Zašto neki ljudi govore o "uključeno/isključeno"? To je kolokvijalni način označavanja stanja prekid i provođenje (bilo da je aktivan ili zasićen). U praksi, to su logični položaji koji omogućuju uključiti ili isključiti prolaz struje.

Sedamdesetak godina nakon svog rođenja, tranzistor ostaje srce elektronike: Od prvog kontakta s germanijem do MOSFET-ova Najnovija generacija može primiti tisuće prekretnica, ali osnovna ideja se nije promijenila: precizno kontrolirati protok električne energije kako bi se stvorili jači, čišći signali ili pouzdana logika unutar sve manjih prostora.