Apa itu transistor dan apa kegunaannya: jenis, sejarah, dan kegunaan

Informatec Digital » Sumber daya » Apa itu transistor dan apa kegunaannya: jenis, sejarah, dan kegunaan

Jika saat ini Anda membawa ponsel di saku, mendengarkan musik dengan sistem kompak, atau terhubung ke Internet dari komputer ultra-tipisSemua ini berkat penemuan kecil namun hebat: transistor. Sejak kemunculannya di akhir tahun 40-an, perangkat semikonduktor ini telah mendorong miniaturisasi dan kekuatan elektronik modern. Kami akan membahasnya secara detail di bawah ini. Apa itu transistor dan apa kegunaannya?, bagaimana cara kerjanya secara internal, jenis apa yang ada, parameter apa yang benar-benar penting dan mengapa sejarahnya menandai titik balik.

Meskipun definisi dasarnya dapat diringkas dalam satu kalimat, cakupannya sangat luas: Transistor mengontrol atau memodifikasi aliran arus antara dua terminal, merespons sinyal yang diberikan ke terminal ketiga. Itulah sebabnya ia berfungsi sebagai penguat, komutator, osilator atau bahkan penyearahDari pengeras suara rumahan hingga pemindai medis. Mari kita bahas langkah demi langkah.

Apa itu transistor?

Kata transistor berasal dari ungkapan bahasa Inggris resistor transfer ("resistansi transfer"). Dalam praktiknya, hal ini komponen semikonduktor dengan setidaknya tiga terminal Mampu mengalirkan lebih banyak atau lebih sedikit arus di antara dua saluran, tergantung pada apa yang terjadi di saluran ketiga. Kontrol atas arus atau konduktansi saluran inilah yang memungkinkan sinyal lemah diperkuat atau bertindak sebagai sakelar yang sangat cepat.

Dalam bentuk klasiknya, transistor sambungan bipolar (BJT) memiliki emitor, basis, dan kolektorArus kecil yang masuk melalui basis mengendalikan arus yang jauh lebih besar antara emitor dan kolektor. Dalam kasus transistor efek medan (FET), pengendalian dicapai dengan memberikan tegangan ke gerbang, memodulasi konduktansi saluran antara sumber dan drain dengan impedansi masukan yang sangat tinggi.

Mereka sebagian besar diproduksi di silikonmeskipun mereka juga ada dalam bentuk germanium, galium arsenida (GaAs) atau paduan silikon-germanium, yang tertanam secara masif di sirkuit terpadu (microchip) atau dikemas sebagai bagian-bagian terpisah. Enkapsulasinya biasanya kedap udara, dengan casing plastik atau logam dan tiga pin, dan merupakan elemen aktif dasar dari hampir semua elektronik masa kini.

Sedikit sejarah penting

Impian untuk mengendalikan arus pada perangkat solid-state sudah ada sebelum realisasi industrinya. Pada tahun 1925, Julius Edgar Lilienfeld mendaftarkan paten di Kanada dan kemudian di AS untuk perangkat yang mengantisipasi FET, tetapi Terdapat kekurangan kualitas pada bahan semikonduktor untuk mempraktikkannya. Pada tahun 1934, Oskar Heil mematenkan sesuatu yang serupa di Eropa, dan eksperimen dengan kristal pun semakin banyak. Meskipun demikian, baru pada tahun 1947 John Bardeen dan Walter Brattain, di Bell Laboratories, mengamati penguatan sinyal dengan dua titik emas pada kristal germanium.

Pada bulan-bulan berikutnya, William Shockley mempelajari lebih dalam fisika semikonduktor dan mengusulkan transistor sambungan bipolarPermohonan paten pertama untuk transistor diajukan pada tahun 1948. Pada tahun yang sama, di Prancis, Herbert Mataré dan Heinrich Welker secara independen mengembangkan "transistron" untuk jaringan telepon. Tak lama kemudian, pada tahun 1953, Philco memperkenalkan transistor frekuensi tinggi pertama (hingga 60 MHz), dan pada tahun 1954 transistor pertama pun terwujud. sistem operasi silikon di Bell (Morris Tanenbaum) dan model komersial pertama di Texas Instruments (Gordon Teal).

Revolusi besar berikutnya adalah MOSFETDibangun pada tahun 1960 oleh Dawon Kahng dan Martin Atalla, chip ini merupakan kunci untuk mengintegrasikan jutaan transistor per sentimeter persegi. Sebagai pengakuan atas pencapaian ini, Shockley, Bardeen dan Brattain menerima Hadiah Nobel Fisika Pada tahun 1956, ia menerima Hadiah Nobel atas penelitiannya dan penemuan efek transistor. Sejak saat itu, elektronika mengalami ledakan pesat. garis waktu sejarah komputerDari radio portabel hingga komputer, termasuk telekomunikasi dan kedokteran.

Struktur, sinyal dan cara kerja BJT

BJT terdiri dari tiga daerah terdoping yang menciptakan dua sambungan PNemitor, basis, dan kolektor. Mereka dibangun sebagai NPN atau PNP (huruf tengah menunjukkan jenis basis) dan doping setiap zona dikontrol dengan cermat: biasanya emitor lebih banyak didoping daripada kolektor. Dalam operasinya, arus kolektor kira-kira sebanding dengan arus basis menurut parameter beta (β) atau penguatan arus.

Antara basis dan penerbit, ia berperilaku sebagai dioda bias maju, dengan tegangan tipikal V_BE 0,6-0,8 V pada silikon dan ~0,4 V pada germanium. Dioda ini menjadikan basis sebagai kontrol yang membuka atau menutup aliran pembawa muatan dari emitor ke kolektor. Secara konseptual, basis mengatur "keran" elektron atau lubang, sehingga arus kontrol kecil mengelola yang lebih besar di pintu keluar.

Mode operasi: aktif, cut-off, dan saturasi

Transistor dapat bekerja sebagai penguat linier en wilayah aktifdi mana ia memungkinkan laju aliran yang sebanding dengan eksitasi basis. Jika basis tidak menerima eksitasi yang cukup, perangkat memasuki pengadilan dan tidak mengarah. Jika eksitasinya tinggi, itu terletak di saturasi dan memungkinkan arus maksimum yang diizinkan oleh rangkaian. Fleksibilitas ini membuatnya cocok sebagai sakelar cepat atau penguat sinyal lemah.

NPN vs PNP secara singkat

Dalam NPN, elektron biasanya mengalir dari kolektor ke emitor dan perangkat diaktifkan dengan meningkatkan arus basis dengan referensi positif; dalam PNP, arah praktis dibalik (emitor ke kolektor) dan logika bias bersifat komplementer, memungkinkan konfigurasi simetris di banyak tahap analog atau peralihan.

Jenis transistor yang akan Anda temui

Keluarga itu besar, tetapi mereka semua menanggapi ide yang sama untuk mengendalikan aliran listrik. Ini adalah yang paling umum dan beberapa fakta sejarah yang perlu diketahui:

• Kontak tepat waktuPioneer (1947), dengan dua ujung germanium. Sulit diproduksi, rapuh, dan berisik, tetapi untuk pertama kalinya menunjukkan peningkatan. Kini, benda ini menjadi koleksi museum.
• Transistor sambungan bipolar (BJT)Transistor NPN/PNP klasik pada kristal semikonduktor tunggal, didoping dengan pengotor donor (arsenik, fosfor) atau pengotor akseptor (aluminium, indium, galium). Ini adalah perangkat yang dikendalikan arus.
• Transistor efek medan (FET): JFET (gerbang persimpangan PN), IGFET dan MOSFET (pintu yang diisolasi oleh karat). Mereka adalah tegangan terkontrol, dengan impedansi masukan yang sangat tinggi; landasan integrasi skala besar.
• Fototransistor: peka cahaya, dimana pencahayaan bertindak sebagai arus dasar; sempurna untuk deteksi jarak jauh oleh radiasi elektromagnetik.
• IGBT:gerbang terisolasi bipolar, banyak digunakan di kekuasaan dengan menggabungkan keunggulan BJT dan MOSFET.
• Pasangan DarlingtonDua BJT yang terhubung dalam paket yang sama sangat meningkatkan keuntungan global.

Parameter dan bahan yang membuat perbedaan

Saat memilih transistor, yang penting bukan hanya jenisnya; karakteristiknya juga penting. parameter listrik:tegangan tembus (kolektor-emitor, basis-emitor, kolektor-basis), daya maksimum, disipasi termal, frekuensi operasiβ, dan resistansi dinamis internal. Pada BJT sinyal kecil, β biasanya berkisar antara 100 hingga 300. V_BE menurun seiring dengan suhu pada tingkat sekitar -2,1 mV/°C terbuat dari silikon, jadi ada desain yang menggabungkan sensor atau kompensasi termal.

Material juga penting: Jerman Ia menawarkan mobilitas yang lebih tinggi daripada silikon, tetapi kebocoran dan suhu yang diizinkan lebih buruk; silikon Dikenal karena kekokohannya dan kemudahan pembuatannya; GaAs Ia bersinar pada frekuensi tinggi berkat mobilitas elektroniknya. Perangkat seperti berikut ini berbasis GaAs/AlGaAs: HEMT, dengan kebisingan yang sangat rendah dan kecepatan tinggi, digunakan dalam penerima satelit sekitar 12 GHz dan, dengan nitrida, dalam aplikasi daya canggih.

Cara lain yang berguna untuk melihat BJT adalah melalui model Ebers-MollDua dioda: satu basis-emitor dengan bias maju dan satu lagi basis-kolektor dengan bias mundur. Ini membantu memahami mengapa tegangan muncul._BE khas (0,6-0,8 V Si) dan bagaimana perilakunya di luar wilayah linier. Pada JFET dan MOSFET, tegangan gerbang dominan: membuat JFET-GS lebih banyak jepitan negatif dari kanal; pada MOSFET, tegangan gerbang Tidak mengonsumsi listrik. Idealnya dalam DC, sinyal mengendalikan konduktansi saluran antara sumber dan pembuangan.

Konfigurasi amplifier yang paling umum digunakan

Dengan BJT, umumnya kita berpikir dalam tiga topologi klasik. Masing-masing mengoptimalkan kualitas berbeda (tegangan, arus atau impedansi) dan itulah sebabnya mereka masih ada di semua buku dan proyek.

• emitor umumPenguatan tegangan dan arus, dengan inversi fasa; inilah yang paling dibutuhkan. Sebuah resistor emitor menstabilkan Dan, jika dijembatani dengan kapasitor, ia memulihkan penguatan AC.
• Kolektor umum (pengikut emitor): penguatan tegangan mendekati 1, impedansi masukan tinggi dan keluaran rendah; ideal sebagai adaptor impedansi.
• Basis umum: penguatan arus, tanpa inversi fasa dan impedansi masukan sangat rendahIa bersinar dengan sumber sinyal impedansi rendah, seperti mikrofon dinamis dalam pengaturan tertentu.

Contoh praktis (emitor umum terpolarisasi dengan pembagi)

Bayangkan Anda mendesain panggung dengan V_CC=20 V, saya_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V dan β=100. Jika Anda mengatur tegangan emitor sekitar 1/10 V_CC (2 V), Anda mendapatkan R_E≈200 ΩPenurunan R_C akan menjadi V_RC=V_CCV_CEV_E=10 V, dengan I_C=10 mA, maka R_C=1 kΩBasisnya tetap di V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Jika Anda mengukur pembagi dengan arus sekitar sepuluh kali arus basis, Anda mendapatkan R₂≤ 2 kΩ dan, sebanding dengan V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Untuk sinyal kecil, resistansi dinamis emitor internal (r_e) pada 10 mA adalah ~26 mV/I≈2,6 Ω, yang memberikan penguatan tegangan perkiraan ideal A_v≈−R_C/r_e≈−385. Dengan beban 5 kΩ pada kolektor, impedansi keluaran efektif sekitar 830 Ω dan penguatan turun menjadi ≈−319. impedansi terlihat di pangkalan adalah r_e·β≈260 Ω, dan resistansi input total, dengan mempertimbangkan pembagi dan basis yang paralel, adalah ≈226 Ω. Kapasitor kopling dan emitor dipilih sehingga reaktansinya diabaikan di area kerja.

Contoh ini merangkum gagasan tentang garis beban dan titik Q: Anda memilih titik istirahat (seringkali V)_CE≈V_CC/2 tanpa R_E) yang memungkinkan ekskursi sinyal simetris. Dari sana, Anda dapat menyesuaikan penguatan, impedansi, dan stabilitas sesuai aplikasi.

FET dan MOSFET: kontrol tegangan

Pada FET tidak ada arus basis itu sendiri, melainkan tegangan gerbang yang mengontrol lebar kanal. JFET dasar dimulai dengan batang material tipe-N atau tipe-P, dengan kontak ohmik di ujungnya (drainase dan sumber) dan dua daerah difusi yang membentuk gerbang. Ketika tegangan gerbang menjadi lebih negatif (dalam JFET tipe-N), kanal menjadi mencekik dan pengemudian berhenti.

MOSFET, di sisi lain, mengisolasi gerbang dengan dielektrik oksida dan mencapai impedansi masukan yang sangat besar. Hal ini, dikombinasikan dengan proses manufakturnya yang kompatibel dengan integrasi, menjelaskan mengapa MOSFET merupakan pilihan terbaik. raja keripik modern dan mengapa hal itu memacu generasi prosesor: memungkinkan integrasi ratusan ribu hingga miliaran transistor yang saling terhubung per sentimeter persegi dalam beberapa lapisan.

Aplikasi praktis: dari kehidupan sehari-hari hingga industri

Mustahil untuk menyebutkan semuanya, tetapi ada baiknya mengingat beberapa yang paling representatif. Seperti amplifierTransistor memperkuat sinyal di radio, televisi, atau peralatan audio. Misalnya... sakelarMereka mengendalikan catu daya mode aktif, pengendali motor, atau sistem pencahayaan. osilatorMereka menghasilkan sinyal frekuensi radio untuk komunikasi. Dan, tentu saja, mereka adalah komponen dasar dari... sirkuit terpadu di komputer, telepon pintar, dan semua jenis perangkat digital.

Dalam dunia profesional, peran mereka sangat penting dalam telekomunikasiElektronik medis, otomasi industri, atau robotika. Kemampuan mereka untuk melakukan sirkuit yang lebih kecil dan lebih efisien Teknologi ini telah mengubah cara produk dirancang dan diproduksi, dengan peralatan yang lebih portabel, bertenaga, dan hemat energi.

Keunggulan dibandingkan katup termidion (dan mengapa katup ini masih terkadang digunakan)

Sebelum transistor, tabung vakum mendominasi. Namun, mereka membutuhkan ketegangan tinggi berbahaya, mereka menghabiskan banyak energi, mereka besar dan berat (rangka dan transformator), mereka lebih gagal Mereka rentan terhadap panas berlebih dan membutuhkan waktu lama untuk mencapai suhu operasi akibat pemanasan filamen. Selain itu, mereka juga mengalami efek mikrofonik dan beroperasi pada suhu yang lebih rendah. impedansi tinggiTransistor menghadirkan konsumsi daya rendah, tegangan rendah, kekompakan, kekokohan, dan biaya lebih rendah sejak awal.

Fakta sejarah menggambarkan perbedaannya: ENIAC, salah satu komputer digital pertama, beratnya lebih dari 30 ton dan menghabiskan sekitar 200 kW untuk memberi daya pada sekitar 18.000 katup, dengan kerusakan harian. Meskipun demikian, katup bertahan di ceruk tertentu: beberapa penguat radio atau audio berdaya tinggi (karena linearitas tingkat tinggi dan karakter harmoniknya), peralatan yang diperkeras terhadap impuls elektromagnetik dan aplikasi daya ekstrem. Seiring waktu, elektronik solid-state juga menaklukkan banyak batas tersebut.

Fitur dan detail konstruksi

Sebagai aturan umum, transistor diskrit adalah perangkat semikonduktor tertutup dengan tiga terminal yang terlihat. Dapat dikonfigurasi secara bertahap yang berfungsi sebagai penguat, sakelar, osilator atau penyearahSilikon lebih disukai dalam banyak desain karena sifat termal dan kebocorannya, tetapi ada juga keluarga dan senyawa germanium untuk tugas-tugas tertentu, seperti microwave atau kecepatan sangat tinggi.

Pada BJT, ketika suhu meningkat, tegangan sambungan maju menurun dan arus bocor dapat meningkat, oleh karena itu pembuangan panas Dan pilihan daya maksimum adalah kuncinya. Dalam FET daya, proses manufaktur dapat menciptakan dioda parasit (seperti Schottky antara sumber dan saluran), sesuatu yang perlu diingat saat merancang rangkaian.

Perbandingan cepat bahan

Jika Anda bertanya-tanya mengapa beberapa bahan lebih cepat daripada yang lain, pikirkan tentang mobilitas elektron dan lubang. Ge memiliki mobilitas tinggi, tetapi suhu maksimum yang lebih buruk, kebocoran yang lebih besar, dan toleransi yang lebih rendah terhadap ketegangan tinggiSilikon menawarkan keseimbangan yang sangat baik dan suhu sambungan tipikal 150-200 °C; GaAs meningkatkan standar pada frekuensi tinggi, meskipun proses manufakturnya lebih rumit. Oleh karena itu, masing-masing unggul di segmennya.

Penggunaan digital: dari peralihan sempurna ke logika

Dalam peralihan digital, transistor beroperasi dengan cara bergantian antara pemotongan dan saturasidi mana ia idealnya berperilaku sebagai rangkaian terbuka atau tertutup. Kecepatan perubahan ini dan konsumsi daya yang berkurang membuat gerbang logika dan sistem binerdan, pada gilirannya, CPU dan memori. Dengan MOSFET dan teknologi CMOS, konsumsi daya statis sangat rendah karena gerbang tidak bisa dikendarai di DC dan hanya dikonsumsi selama transisi.

Keuntungan praktis dalam instalasi dan perangkat

Untuk penggunaan sehari-hari, transistor sangat penting. ukuran yang diperkecil (peralatan yang lebih mudah untuk diangkut dan diintegrasikan), Masa manfaat yang panjang (lebih sedikit perawatan), mempercepat (kunci dalam prosesor dan komunikasi), biaya rendah (mengurangi biaya sistem) dan efisiensi energi (kerugian lebih rendah). Di rumah, semuanya bertambah: dari sumber daya yang stabil dan teregulasi hingga otomatisasi dan penghematan.

Pertanyaan yang sering diajukan yang harus dijawab

Apakah transistor hanya digunakan untuk penguatan? Tidak. Itu juga komutator sangat tenang dan sangat cepat, batu bata sirkuit logika, detektor cahaya (fototransistor) atau bagian dari osilatorKeunggulan terbesarnya adalah fleksibilitasnya.

Di industri mana hal ini penting saat ini? Hampir semuanya: telekomunikasi dan jaringanPeralatan medis, otomotif, energi, manufaktur, dan elektronik konsumen. Kombinasi daya, miniaturisasi dan kontrol telah melipatgandakan dampaknya.

Mengapa beberapa orang berbicara tentang "on/off"? Ini adalah cara sehari-hari untuk merujuk pada keadaan pemotongan (putus) dan konduksi (baik aktif maupun jenuh). Dalam praktiknya, ini adalah posisi logis yang memungkinkan hidupkan atau matikan aliran arus.

Tujuh puluh tahun setelah kelahirannya, transistor tetap menjadi jantung elektronika: Dari titik kontak pertama dengan germanium hingga MOSFET Generasi terbaru dapat mengakomodasi ribuan tonggak sejarah, tetapi ide intinya tidak berubah: mengendalikan secara tepat bagaimana listrik mengalir untuk menciptakan sinyal yang lebih kuat dan lebih bersih atau logika yang andal dalam ruang yang semakin kecil.