Mi a tranzisztor és mire használják: típusok, történelem és felhasználások

Informatec Digital » Erőforrás » Mi a tranzisztor és mire használják: típusok, történelem és felhasználások

Ha ma mobiltelefont hordasz a zsebedben, zenét hallgatsz egy kompakt sztereó rendszeren, vagy egy ultravékony számítógépről csatlakozol az internethez , az egy apró, de nagyszerű találmánynak köszönhető: a tranzisztornak. Az 40-es évek végén történt megjelenése óta ez a félvezető eszköz a modern elektronika miniatürizálását és teljesítményét hajtotta. Ebben a cikkben részletesen elmagyarázzuk, mi a tranzisztor, mire használják , hogyan működik belül, milyen típusok állnak rendelkezésre, mely paraméterek számítanak igazán, és miért jelentett fordulópontot a története a technológiában.

Bár alapvető definíciója egyetlen mondatban összefoglalható, a hatóköre hatalmas: egy tranzisztor szabályozza vagy módosítja az áram áramlását két kivezetés között egy harmadik kivezetésre adott jel hatására. Ezért szolgál erősítőként , kapcsolóként , oszcillátorként vagy akár egyenirányítóként is, az otthoni hangszóróktól az orvosi szkennerekig terjedő alkalmazásokban. Nézzük meg lépésről lépésre.

Mi az a tranzisztor?

A tranzisztor szó az angol „transfer resistor” (átadó ellenállás ) kifejezésből származik . A gyakorlatban egy legalább három kivezetéssel rendelkező félvezető alkatrész , amely képes több vagy kevesebb áram áramlását biztosítani bármely kettő között attól függően, hogy mi történik a harmadikon. Ez a csatorna áramának vagy vezetőképességének szabályozása teszi lehetővé, hogy gyenge jeleket erősítsen, vagy nagyon gyors kapcsolóként működjön.

Klasszikus formájában a bipoláris átmenetű tranzisztor (BJT) emitterrel, bázissal és kollektorral rendelkezik . A bázison átfolyó kis áram sokkal nagyobb áramot vezérel az emitter és a kollektor között. A térvezérlésű tranzisztorok (FET-ek) esetében a vezérlést a kapura kapcsolt feszültséggel érik el, ami nagyon nagy bemeneti impedanciával modulálja a forrás és a nyelő közötti csatorna vezetőképességét.

Többnyire szilíciumból készülnek , bár léteznek germániumban, gallium-arzenidben (GaAs) vagy szilícium-germánium ötvözetekben is, integrált áramkörökbe (mikrochipekbe) tömören beágyazva, vagy diszkrét alkatrészként tokozva. Csomagolásuk általában hermetikusan lezárt , műanyag vagy fém burkolattal és három érintkezővel, és szinte minden modern elektronika alapvető aktív elemét alkotják.

Egy kis lényeges történelem

A szilárdtest áramkörök áramerősségének szabályozásáról szóló álom megelőzte ipari megvalósulását. 1925-ben Julius Edgar Lilienfeld szabadalmakat jegyeztetett be Kanadában, majd később az Egyesült Államokban olyan eszközökre, amelyek megelőzték a FET-et, de a félvezető anyagok nem rendelkeztek a gyakorlati alkalmazáshoz szükséges minőséggel. 1934-ben Oskar Heil szabadalmaztatott valami hasonlót Európában, és a kristályokkal végzett kísérletek elszaporodtak. Ennek ellenére csak 1947-ben figyeltek meg John Bardeen és Walter Brattain a Bell Laboratoriesnál jelerősítést két aranytüskével egy germánium kristályon.

A következő hónapokban William Shockley mélyebben belemerült a félvezető fizikába, és javasolta a bipoláris átmenetű tranzisztort , amelyre az első szabadalmi bejelentést 1948-ban nyújtották be. Ugyanebben az évben Franciaországban Herbert Mataré és Heinrich Welker egymástól függetlenül fejlesztették ki a „tranzisztront” a telefonhálózathoz. Röviddel ezután, 1953-ban a Philco bemutatta az első nagyfrekvenciás tranzisztort (60 MHz-ig), és 1954-ben a Bell Labs (Morris Tanenbaum) elkészítette az első működőképes szilícium- tranzisztort , az első kereskedelmi forgalomban kapható modellt a Texas Instruments (Gordon Teal) gyártotta.

A következő nagy forradalom a MOSFET volt , amelyet Dawon Kahng és Martin Atalla 1960-ban épített meg, és amely kulcsfontosságú volt a négyzetcentiméterenként több millió tranzisztor integrálásában. E mérföldkő elismeréseként Shockley, Bardeen és Brattain 1956-ban fizikai Nobel-díjat kaptak kutatásaikért és a tranzisztoreffektus felfedezéséért. Azóta az elektronika robbanásszerű fejlődésen ment keresztül a számítógépek történetében : a hordozható rádióktól a számítógépeken át a telekommunikációig és az orvostudományig.

Szerkezet, jelek és a BJT működése

Egy BJT három adalékolt régióból áll, amelyek két PN-átmenetet hoznak létre : emitterből, bázisból és kollektorból. Ezek NPN vagy PNP felépítésűek (a középső betű a bázis típusát jelzi), és az egyes régiók adalékolása gondosan szabályozott: az emitter jellemzően erősebben adalékolt , mint a kollektor. Működés közben a kollektoráram megközelítőleg arányos a bázisárammal, amelyet a béta (β) paraméter , vagy áramerősítés határoz meg.

A bázis és az emitter között úgy viselkedik, mint egy előfeszített dióda , amelynek tipikus V _{_BE} feszültsége szilíciumban 0,6–0,8 V, germániumban pedig ~0,4 V. Ez a dióda teszi a bázist azzá a szabályozóvá, amely nyitja vagy zárja a töltéshordozók áramlását az emittertől a kollektorig. Elméletileg a bázis szabályozza az elektronok vagy lyukak „leágazását”, így egy kis vezérlőáram egy nagyobbat kezel a kimeneten.

Üzemmódok: aktív, lekapcsolás és telítés

A tranzisztor lineáris erősítőként működhet az aktív tartományban , ahol a bázis gerjesztésével arányos áramot enged át. Ha a bázis nem kap elegendő gerjesztést, az eszköz kikapcsol és nem vezet. Ha a gerjesztés magas, telítődik , és átengedi az áramkör által megengedett maximális áramot. Ez a sokoldalúság alkalmassá teszi gyorskapcsolóként vagy gyengejelű erősítőként való alkalmazásra.

NPN vs. PNP dióhéjban

Egy NPN tranzisztorban az elektronok jellemzően a kollektortól az emitterig áramlanak , és az eszközt a bázisáram pozitív referenciával történő növelésével aktiválják; egy PNP tranzisztorban a gyakorlati irány megfordul (emittertől a kollektorig), és az előfeszítő logika komplementer, ami szimmetrikus konfigurációkat tesz lehetővé számos analóg vagy kapcsoló fokozatban.

Tranzisztorok típusai, amelyekkel találkozhatsz

A család széleskörű, de mindegyik ugyanazon az alapelven alapul, amely az elektromos áramlás szabályozását szolgálja. Ezek a leggyakoribbak , néhány történelmi példával együtt, amelyeket érdemes tudni:

• Időbeni kapcsolatfelvételAz úttörő (1947), két germánium tűvel. Nehéz gyártani, törékeny és zajos, de ez mutatta be először a nyereséget. Ma múzeumi darab.
• Bipoláris átmenetű tranzisztor (BJT)A klasszikus NPN/PNP tranzisztor egyetlen félvezető kristályon, donor szennyeződésekkel (arzén, foszfor) vagy akceptor szennyeződésekkel (alumínium, indium, gallium) adalékolva. Ez egy áramvezérelt eszköz.
• Terepi tranzisztorok (FET-ek)JFET (PN átvezető kapu), IGFET és MOSFET (rozsda szigetelte az ajtót). Ők azok feszültségvezérelt, nagyon magas bemeneti impedanciával; a nagyléptékű integráció sarokköve.
• Fototranzisztorokfényérzékeny, ahol a megvilágítás alapáramként működik; tökéletes a következőkhöz: távoli észlelés elektromágneses sugárzás által.
• IGBT: szigetelt bipoláris kapu, széles körben használják teljesítmény a BJT és a MOSFET előnyeinek kombinálásával.
• Darlingtoni párKét kaszkádba kapcsolt BJT ugyanabban a tokozásban jelentősen megnöveli a globális nyereség.

A különbséget jelentő paraméterek és anyagok

Tranzisztor kiválasztásakor nem a típusa az egyetlen fontos tényező; az elektromos paraméterei is döntő fontosságúak : az átütési feszültségek (kollektor-emitter, bázis-emitter, kollektor-bázis), a maximális teljesítmény, a hőelvezetés, az üzemi frekvencia , β (transzformátor-emitter β) és a belső dinamikus ellenállások. Kisjelű BJT-kben a β jellemzően 100 és 300 között mozog. A VBE _{(transzformátor-} emitter feszültség) a hőmérséklettel csökken, körülbelül -2,1 mV/°C -kal szilíciumban, ezért egyes tervek hőérzékelőket vagy kompenzációs mechanizmusokat tartalmaznak.

Az anyag is számít: a germánium nagyobb mobilitással rendelkezik, mint a szilícium, de a szilícium szilíciumszivárgása és a megengedett hőmérséklete rosszabb; a szilícium robusztussága és könnyű gyárthatósága miatt dominál; a GaAs pedig elektronikus mobilitásának köszönhetően magas frekvenciákon ragyog. Az olyan eszközök, mint a HEMT-ek , rendkívül alacsony zajszinttel és nagy sebességgel rendelkeznek, GaAs/AlGaAs alapon épülnek, és 12 GHz körüli műholdvevőkben, valamint nitridekkel együtt a következő generációs teljesítményalkalmazásokban használják őket.

A BJT-k vizualizációjának egy másik hasznos módja az Ebers-Moll modell : két dióda, az egyik előre előfeszített bázisemitter, a másik pedig fordított előfeszítésű báziskollektor. Ez segít megérteni, miért jelenik meg egy tipikus VBE (0,6-0,8 V Si), _és hogyan viselkedik a lineáris tartományon kívül. A JFET-ekben és MOSFET-ekben a kapufeszültség domináns: a kapu negatívabbá tétele egy JFET-GS-ben lecsípi a csatornát; a MOSFET-ekben a kapu ideális esetben nem vesz fel egyenáramot, és a jel szabályozza a csatorna vezetőképességét a forrás és a nyelő között.

A leggyakrabban használt erősítőkonfigurációk

A BJT-k esetében gyakori, hogy három klasszikus topológiában gondolkodunk. Mindegyik más minőséget optimalizál (feszültség, áram vagy impedancia), ezért még mindig megtalálhatók minden könyvben és projektben.

• közös emitterFeszültség- és áramerősítés fázisfordítással; ez a munkagép. Emitter ellenállás stabilizálja És ha egy kondenzátorral áthidalják, akkor visszanyeri a váltakozó áramú erősítést.
• Közös gyűjtő (emitterkövető): feszültségerősítés közel 1, magas bemeneti impedancia és alacsony kimeneti teljesítmény; ideális impedancia adapterként.
• Közös alap: áramerősítés fázisfordítás nélkül és nagyon alacsony bemeneti impedanciaAlacsony impedanciájú jelforrásokkal, például bizonyos beállításokban dinamikus mikrofonokkal jeleskedik.

Gyakorlati példa (polarizált közös emitter osztóval)

Képzeld el, hogy V-vel tervezel egy színpadot_CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V és β=100. Ha az emitterfeszültséget a V 1/10-e körül állítja be_CC (2 V), akkor kapsz R_E≈200 ΩAz R csökkenése_C V lenne_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, I_C=10 mA, akkor R_C=1 kΩAz alap V-nél marad_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Ha az osztót a bázisáram körülbelül tízszeresére méretezzük, akkor a következőt kapjuk: R₂≤ 2 kΩ és V-vel arányosan_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Kis jelek esetén a belső emitter dinamikus ellenállása (r _{_e}) 10 mA-en ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, ami egy közelítő ideális feszültségerősítést eredményez A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. 5 kΩ terhelés mellett a kollektoron az effektív kimeneti impedancia körülbelül 830 Ω, az erősítés pedig ≈ −319-re csökken. A bázison látható impedancia r _{_e} · β ≈ 260 Ω, a teljes bemeneti impedancia pedig, figyelembe véve az osztót és a bázist párhuzamosan, ≈ 226 Ω. A csatoló- és emitterkondenzátorokat úgy választották meg, hogy reaktanciájuk elhanyagolható legyen a működési sávban.

Ez a példa összefoglalja a terhelési vonal és a Q-pont fogalmát : kiválasztunk egy nyugalmi pontot (gyakran VCE _≈VCC / 2 RE nélkül ₎ , amely lehetővé teszi a szimmetrikus jelkitérést. Innentől kezdve az alkalmazásnak megfelelően állítjuk be az erősítést, az impedanciát és a stabilitást_.

FET és MOSFET: feszültségszabályozás

A FET-ekben nincs önmagában bázisáram, hanem egy kapufeszültség , amely a csatorna szélességét szabályozza. Az alapvető JFET egy N-típusú vagy P-típusú anyagból készült rúdból áll, amelynek végein ohmos érintkezők (drain és source) és két diffúz tartomány alkotja a kaput. Ahogy a kapufeszültség negatívabbá válik (egy N-típusú JFET-ben), a csatorna szűkül , és a vezetés megszűnik.

A MOSFET ezzel szemben oxid dielektrikummal szigeteli le a kaput, és hatalmas bemeneti impedanciát ér el. Ez, az integrációval kompatibilis gyártási folyamattal párosulva, megmagyarázza, miért ez a modern chipek királya , és miért hajtotta a processzorok generációit : lehetővé teszi több százezer vagy akár milliárd összekapcsolt tranzisztor integrálását négyzetcentiméterenként több rétegben.

Gyakorlati alkalmazások: a mindennapi élettől az iparig

Mindegyiket lehetetlen felsorolni, de érdemes megjegyezni a legjellemzőbbeket. Erősítőként a tranzisztorok erősítik a jeleket rádiókban, televíziókban és audioberendezésekben. Kapcsolóként kapcsolóüzemű tápegységeket, motorvezérlőket és világítási rendszereket vezérelnek. Oszcillátorokban rádiófrekvenciás jeleket generálnak a kommunikációhoz. És természetesen az integrált áramkörök alapvető építőkövei a számítógépekben, okostelefonokban és mindenféle digitális eszközben.

A szakmai szférában kritikus szerepük van a telekommunikációban , az orvosi elektronikában, az ipari automatizálásban és a robotikában. A kisebb, hatékonyabb áramkörök létrehozásának képessége átalakította a terméktervezést és -gyártást, ami hordozhatóbb, erősebb és energiahatékonyabb berendezéseket eredményezett.

Előnyök a termidion szelepekkel szemben (és miért használják őket még mindig néha)

A tranzisztorok előtt a vákuumcsövek voltak az uralkodóak. De veszélyesen magas feszültséget igényeltek , sok energiát fogyasztottak, nagyok és nehezek voltak (a ház és a transzformátorok), hajlamosabbak voltak a túlmelegedés miatti meghibásodásra, és az izzószálak felmelegedése miatt sokáig tartott, mire elérték az üzemi hőmérsékletet. Ezenkívül mikrofonhatásoktól szenvedtek, és nagy impedancián működtek . A tranzisztorok kezdettől fogva alacsony energiafogyasztást, alacsony feszültséget, kompaktságot, robusztusságot és alacsonyabb költségeket eredményeztek.

Egy történelmi tény is jól szemlélteti a különbséget: az ENIAC, az egyik első digitális számítógép, több mint 30 tonnát nyomott , és körülbelül 200 kW-ot fogyasztott, amivel körülbelül 18 000 vákuumcsövet működtetett, naponta meghibásodva. Ennek ellenére a vákuumcsövek bizonyos piaci résekben fennmaradtak: néhány nagy teljesítményű rádió- vagy audioerősítőben ( magas szintű linearitásuk és felharmonikusaik jellege miatt), elektromágneses impulzusokkal szemben ellenálló berendezésekben és extrém teljesítményű alkalmazásokban. Idővel a szilárdtest elektronika is meghódította ezeket a területeket.

Építési jellemzők és részletek

Általános szabályként a diszkrét tranzisztor egy lezárt félvezető eszköz , három látható kivezetéssel. Fokozatosan konfigurálható, hogy erősítőként, kapcsolóként, oszcillátorként vagy egyenirányítóként működjön . A szilíciumot számos kialakításban előnyben részesítik hő- és szivárgási tulajdonságai miatt, de léteznek germánium és összetett tranzisztorcsaládok is speciális feladatokhoz, például mikrohullámú sütőkhöz vagy nagyon nagy sebességű alkalmazásokhoz.

A BJT-kben a hőmérséklet növekedésével az előremeneti feszültség csökken, és a szivárgási áramok növekedhetnek, ezért a hőelvezetés és a maximális teljesítmény megválasztása kulcsfontosságú. A teljesítmény-FET-eknél a gyártási folyamat parazita diódákat hozhat létre (például a Schottky-dióda a forrás és a nyelő között), amit az áramkör tervezésénél figyelembe kell venni.

Az anyagok gyors összehasonlítása

Ha azon tűnődünk, hogy egyes anyagok miért gyorsabbak másoknál, vegyük figyelembe az elektron- és lyukmobilitást . A Ge nagy mobilitással rendelkezik, de alacsonyabb a maximális hőmérséklete, nagyobb a szivárgása és kisebb a toleranciája a nagy feszültségekkel szemben ; a Si kiváló egyensúlyt és tipikus 150-200 °C-os átmeneti hőmérsékleteket kínál; a GaAs magas frekvenciákon emeli a lécet, bár a gyártása igényesebb. Ezért mindegyik a saját szegmensének élén áll.

Digitális használat: a tökéletes kapcsolótól a logikáig

Digitális kapcsolástechnikában a tranzisztor a levágási és a telítési állapotok közötti váltakozással működik , ahol ideális esetben nyitott vagy zárt áramkörként viselkedik. Ez a kapcsolási sebesség és az alacsony energiafogyasztás teszi lehetővé a logikai kapukat és a bináris rendszert , valamint kaszkádban a CPU-kat és a memóriákat. A MOSFET-ek és a CMOS technológia esetében a statikus energiafogyasztás rendkívül alacsony, mivel a kapu nem vezet egyenáramot , és az áram csak az átmenetek során keletkezik.

Gyakorlati előnyök a telepítésekben és eszközökben

A tranzisztorok mindennapi használatra kis méretet (ami megkönnyíti a berendezések szállítását és integrálását), hosszú élettartamot (kevesebb karbantartást igényel), sebességet (kulcsfontosságú a processzorok és a kommunikáció szempontjából), alacsony költséget (csökkenti a rendszerköltségeket) és energiahatékonyságot (minimális veszteségek) kínálnak. Egy otthonban minden apróság számít: a stabil, szabályozott tápegységektől az automatizálásig és az energiamegtakarításig.

Gyakran ismételt kérdések, amelyekre választ kell adni

Csak erősítésre használják a tranzisztort? Nem. Emellett egy ultrahangos és ultragyors kapcsoló , logikai áramkörök építőköve, fénydetektor (fototranzisztor) vagy oszcillátor része is . Sokoldalúsága a legnagyobb előnye.

Mely iparágakban kritikus fontosságú ma? Gyakorlatilag mindegyikben: telekommunikáció és hálózatok , orvosi berendezések, autóipar, energia, gyártás és szórakoztató elektronika. A teljesítmény, a miniatürizálás és az irányítás kombinációja megsokszorozta a hatását.

Miért beszélnek egyesek „be/ki” jelzőről? Ez egy köznyelvi kifejezés, amely a leválasztott (kikapcsolt) és a vezető (aktív vagy telített) állapotokat jelöli. A gyakorlatban ezek azok a logikai helyzetek, amelyek lehetővé teszik az áram áramlásának be- vagy kikapcsolását .

Születése után hetven évvel a tranzisztor továbbra is az elektronika szíve: a germánium első pontszerű érintkezésétől a MOSFET-ek legújabb generációjáig több ezer mérföldkő történt, de a központi gondolat nem változott: pontosan szabályozni az elektromos áram áramlását, hogy erősebb, tisztább jeleket vagy megbízhatóbb logikát hozzunk létre egyre kisebb terekben.

Kapcsolódó cikk:

Mik azok a digitális rendszerek: Alapvető bevezetés a technológia megértéséhez