מהו טרנזיסטור ולמה הוא משמש: סוגים, היסטוריה ושימושים

מידע דיגיטלי » משאבים » מהו טרנזיסטור ולמה הוא משמש: סוגים, היסטוריה ושימושים

אם אתם נושאים טלפון נייד בכיסכם כיום, מאזינים למוזיקה במערכת סטריאו קומפקטית, או מתחברים לאינטרנט ממחשב דק במיוחד , זה בזכות המצאה קטנה אך אדירה: הטרנזיסטור. מאז הופעתו בסוף שנות ה-40, התקן מוליך למחצה זה הניע את המזעור והעוצמה של האלקטרוניקה המודרנית. במאמר זה נסביר בפירוט מהו טרנזיסטור ולמה הוא משמש , כיצד הוא פועל באופן פנימי, מהם הסוגים השונים הזמינים, אילו פרמטרים באמת חשובים, ומדוע ההיסטוריה שלו סימנה נקודת מפנה בטכנולוגיה.

למרות שניתן לסכם את הגדרתו הבסיסית במשפט אחד, היקפה עצום: טרנזיסטור שולט או משנה את זרימת הזרם בין שני הדקים בתגובה לאות המופעל על הדקים שלישיים. זו הסיבה שהוא משמש כמגבר , מתג , מתנד או אפילו מיישר , ביישומים הנעים בין רמקול ביתי ועד סורק רפואי. בואו ניקח זאת צעד אחר צעד.

מהו טרנזיסטור?

מקור המילה טרנזיסטור הוא בביטוי האנגלי "transfer resistor ". בפועל, זהו רכיב מוליך למחצה בעל לפחות שלושה הדקים המסוגלים לאפשר לזרם גדול או קטן יותר לזרום בין שניים מהם, בהתאם למה שקורה בשלישי. שליטה זו על הזרם או המוליכות של הערוץ היא המאפשרת לו להגביר אותות חלשים או לפעול כמתג מהיר מאוד.

בצורתו הקלאסית, טרנזיסטור צומת דו-קוטבי (BJT) כולל פולט, בסיס וקולקטור . זרם קטן הנכנס דרך הבסיס שולט בזרם גדול בהרבה בין הפולט לקולקטור. במקרה של טרנזיסטורי אפקט שדה (FET), הבקרה מושגת על ידי הפעלת מתח על השער, תוך אפנון המוליכות של ערוץ בין המקור לניקוז עם עכבת קלט גבוהה מאוד.

הם מיוצרים בעיקר מסיליקון , אם כי הם קיימים גם בסגסוגות גרמניום, גליום ארסניד (GaAs), או סיליקון-גרמניום, משובצים בצורה מאסיבית במעגלים משולבים (מיקרו-שבבים) או ארוזים כרכיבים נפרדים. אריזתם בדרך כלל אטומה הרמטית , עם מעטפת פלסטיק או מתכת ושלושה פינים, והם הרכיב הפעיל הבסיסי של כמעט כל האלקטרוניקה המודרנית.

קצת היסטוריה חיונית

החלום לשלוט בזרמים במעגלי מצב מוצק קדם למימוש התעשייתי שלו. בשנת 1925, יוליוס אדגר לילינפלד רשם פטנטים בקנדה ומאוחר יותר בארה"ב עבור התקנים שצפו את ה-FET, אך חומרי המוליכים למחצה חסרו את האיכות הנדרשת ליישום מעשי. בשנת 1934, אוסקר הייל רשם פטנט על משהו דומה באירופה, וניסויים עם גבישים התרבו. אף על פי כן, רק בשנת 1947 ג'ון ברדין ווולטר ברטן, במעבדות בל, הבחינו בהגברת אות עם שני קצוות זהב על גביש גרמניום.

בחודשים שלאחר מכן, ויליאם שוקלי התעמק בפיזיקה של מוליכים למחצה והציע את הטרנזיסטור לצומת דו-קוטבי , עבורו הוגשה בקשת הפטנט הראשונה בשנת 1948. באותה שנה, בצרפת, הרברט מטארה והיינריך וולקר פיתחו באופן עצמאי את ה"טרנזיסטרון" עבור רשת הטלפונים. זמן קצר לאחר מכן, בשנת 1953, הציגה פילקו את הטרנזיסטור הראשון בתדר גבוה (עד 60 מגהרץ), ובשנת 1954 הושג הטרנזיסטור הסיליקון הפעיל הראשון במעבדות בל (מוריס טננבאום), כאשר הדגם המסחרי הראשון יוצר בטקסס אינסטרומנטס (גורדון טיל).

המהפכה הגדולה הבאה הייתה ה- MOSFET , שנבנה בשנת 1960 על ידי דאון קאנג ומרטין אטלה, שהיה המפתח לשילוב מיליוני טרנזיסטורים לסנטימטר רבוע. כהוקרה על אבן דרך זו, שוקלי, ברדין וברטיין קיבלו את פרס נובל לפיזיקה בשנת 1956 על מחקרם וגילוי אפקט הטרנזיסטור. מאז, האלקטרוניקה חוותה פיצוץ בציר הזמן של ההיסטוריה של המחשבים : מרדיו נייד ועד מחשבים, וכלה בתקשורת ורפואה.

מבנה, אותות וכיצד פועל BJT

צמת BJT מורכבת משלושה אזורים מסוממים היוצרים שני צומתים PN : פולט, בסיס וקולקטור. הם בנויים כ-NPN או PNP (האות האמצעית מציינת את סוג הבסיס), והסימום של כל אזור נשלט בקפידה: בדרך כלל, הפולט מסומם יותר מהקולקטור. בפעולה, זרם הקולט הוא בקירוב פרופורציונלי לזרם הבסיס, שנקבע על ידי פרמטר בטא (β) , או הגבר הזרם.

בין הבסיס לפולט, הוא מתנהג כדיודה מוטה קדימה , עם מתח V _{_BE} טיפוסי של 0,6-0,8 וולט בסיליקון ו-~0,4 וולט בגרמניום. דיודה זו הופכת את הבסיס לבקרה שפותחת או סוגרת את זרימת נושאי המטען מהפולט לקולקטור. מבחינה רעיונית, הבסיס מווסת "נקז" של אלקטרונים או חורים, כך שזרם בקרה קטן מנהל זרם בקרה גדול יותר ביציאה.

מצבי הפעלה: פעיל, ניתוק ורוויה

הטרנזיסטור יכול לפעול כמגבר ליניארי באזור הפעיל , שם הוא מאפשר לזרם לזרום באופן פרופורציונלי לעירור הבסיס. אם הבסיס אינו מקבל עירור מספיק, ההתקן מתנתק ואינו מוליך. אם העירור גבוה, הוא רווי ומאפשר את הזרם המרבי המותר על ידי המעגל. רבגוניות זו הופכת אותו למתאים כמגבר מתג מהיר או כמגבר אות חלש.

NPN לעומת PNP בקצרה

בטרנזיסטור NPN, אלקטרונים בדרך כלל זורמים מהקולקטור לפולט , וההתקן מופעל על ידי הגדלת זרם הבסיס עם ייחוס חיובי; בטרנזיסטור PNP, הכיוון המעשי מתהפך (פולט לקולקטור), ולוגיקת ההטיה משלימה, מה שמאפשר תצורות סימטריות בשלבי אנלוגים או מיתוג רבים.

סוגי טרנזיסטורים שתיתקלו בהם

המשפחה רחבה, אך לכולן יש את אותו עיקרון בסיסי של שליטה בזרימה חשמלית. אלו הן הנפוצות ביותר , יחד עם כמה דוגמאות היסטוריות שכדאי להכיר:

• קשר בזמןהפיוניר (1947), עם שני קצוות גרמניום. קשה לייצור, שביר ורועש, אך הוא הדגים את היתרון שלו בפעם הראשונה. כיום זהו פריט מוזיאון.
• טרנזיסטור צומת דו קוטבי (BJT)טרנזיסטור NPN/PNP קלאסי על גבי גביש מוליך למחצה יחיד, מסומם בזיהומים תורמים (ארסן, זרחן) או זיהומים קולטורים (אלומיניום, אינדיום, גליום). זהו התקן מבוקר זרם.
• טרנזיסטורי אפקט שדה (FETs)JFET (שער צומת PN), IGFET ו- MOSFET (דלת מבודדת מחלודה). הם מתח מבוקר, עם עכבת קלט גבוהה מאוד; אבן הפינה של אינטגרציה בקנה מידה גדול.
• פוטוטרנזיסטוריםרגיש לאור, כאשר התאורה משמשת כזרם בסיס; מושלם עבור גילוי מרחוק על ידי קרינה אלקטרומגנטית.
• IGBTשער מבודד דו קוטבי, בשימוש נרחב ב כוח על ידי שילוב יתרונות של BJT ו-MOSFET.
• זוג דרלינגטוןשני BJTs מחוברים באותו מארז מגדילים מאוד את רווח עולמי.

פרמטרים וחומרים שעושים את ההבדל

בבחירת טרנזיסטור, סוגו אינו הגורם החשוב היחיד; גם הפרמטרים החשמליים שלו מכריעים : מתחי פריצה (קולקטור-פולט, בסיס-פולט, קולקטור-בסיס), הספק מקסימלי, פיזור חום, תדר פעולה , β (טרנספורמציה-פולט β), והתנגדויות דינמיות פנימיות. בטרנזיסטורים בעלי אותות קטנים, β בדרך כלל נע בין 100 ל-300. ה-VBE _{(מתח טרנספורמציה-} פולט) יורד עם הטמפרטורה בסביבות -2,1 mV/°C בסיליקון, ולכן חלק מהעיצובים משלבים חיישנים תרמיים או מנגנוני פיצוי.

גם החומר חשוב: גרמניום מציע ניידות גבוהה יותר מאשר סיליקון, אך הדליפה והטמפרטורה המותרת שלו גרועות יותר; סיליקון שולט בשל חוסנו וקלות ייצורו; GaAs זורח בתדרים גבוהים הודות לניידותו האלקטרונית. התקנים כמו HEMTs , בעלי רעש נמוך במיוחד ומהירות גבוהה, בנויים על GaAs/AlGaAs ומשמשים במקלטי לוויינים בסביבות 12 גיגה-הרץ, ועם ניטרידים, ביישומי כוח מהדור הבא.

דרך שימושית נוספת להמחיש BJT היא מודל אברס-מול : שתי דיודות, אחת בעלת מוטה קדמית של בסיס-פולט והשנייה בעלת מוטה הפוכה של בסיס-קולט. זה עוזר להבין מדוע מופיע מתח VBE טיפוסי (0,6-0,8 V Si) _וכיצד הוא מתנהג מחוץ לאזור הליניארי. ב-JFETs ו-MOSFETs, מתח השער הוא הדומיננטי: מה שהופך את השער לשלילי יותר ב-JFET-GS הפוגע בערוץ; ב-MOSFETs, השער באופן אידיאלי אינו מושך זרם ישר, והאות שולט במוליכות הערוץ בין המקור לניקוז.

תצורות המגבר הנפוצות ביותר

עם BJTs, מקובל לחשוב במונחים של שלוש טופולוגיות קלאסיות. כל אחת מהן ממטבת איכות שונה (מתח, זרם או עכבה), ולכן הן עדיין נמצאות בכל הספרים והפרויקטים.

• פולט משותףהגבר מתח וזרם, עם היפוך פאזה; זהו סוס העבודה. נגד פולט מתייצב ואם הוא מגשר עם קבל, הוא משחזר את הגבר הזרם החילופין.
• אספן נפוץ (עוקב פולט): רווח מתח קרוב ל-1, עכבת קלט גבוהה ופלט נמוך; אידיאלי כמתאם עכבה.
• בסיס משותף: הגבר זרם, ללא היפוך פאזה ו עכבת קלט נמוכה מאודהוא מצטיין עם מקורות אות בעלי עכבה נמוכה, כגון מיקרופונים דינמיים במערכות מסוימות.

דוגמה מעשית (פולט משותף מקוטב עם מחלק)

דמיינו שאתם מעצבים במה עם V_CC=20 וולט, אני_CQ=10 מיליאמפר, וולט_CEQ=8 וולט ו-β=100. אם תגדיר את מתח הפולט סביב 1/10 מוולט_CC (2 וולט), אתה מקבל R_E≈200 אוהםהירידה ב-R_C יהיה V_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 וולט, עם I_C= 10 מיליאמפר, אז R_C=1 קילו-אוהםהבסיס נשאר ב-V_B=V_E+V_BE≈2,7 וולט. אם מודדים את המחלק עם זרם בערך פי עשרה מזרם הבסיס, מקבלים R₂≤ 2 קילו-אוהם ובפרופורציה ל-V_CC, R₁≈12,8 קילו-אוהם.

עבור אותות קטנים, ההתנגדות הדינמית של הפולט הפנימי (r _{_e}) ב-10 מיליאמפר היא ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, מה שנותן הגבר מתח אידיאלי בקירוב A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ ≈385. עם עומס של 5 קילו-Ω על הקולקטור, עכבת המוצא האפקטיבית היא כ-830 Ω וההגבר יורד ל-≈ −319. העכבה הנראית בבסיס היא r _{_e} · β ≈ 260 Ω, ועכבת הקלט הכוללת, בהתחשב במחלק ובבסיס במקביל, היא ≈ 226 Ω. קבלי הצימוד והפולט נבחרו כך שהתגובתיות שלהם זניחה בתחום הפעולה.

דוגמה זו מסכמת את מושג קו העומס ונקודת ה-Q : בוחרים נקודת רגיעה (לעתים קרובות VCE _≈VCC / 2 ללא RE ₎ המאפשרת סטייה סימטרית של האות. משם, מתאימים את ההגבר, העכבה והיציבות בהתאם ליישום_.

FET ו-MOSFET: בקרת מתח

ב-FETs, אין זרם בסיס כשלעצמו, אלא מתח שער השולט ברוחב הערוץ. JFET הבסיסי מורכב ממוט מחומר מסוג N או מסוג P, עם מגעים אוהמיים בקצותיו (ניקוז ומקור) ושני אזורים מפוזרים היוצרים את השער. ככל שמתח השער הופך שלילי יותר (ב-JFET מסוג N), הערוץ מצטמצם וההולכה נפסקת.

לעומת זאת, ה-MOSFET מבודד את השער באמצעות דיאלקטרי תחמוצת ומשיג עכבת קלט עצומה. שילוב זה עם תהליך הייצור שלו התואם לאינטגרציה, מסביר מדוע הוא מלך השבב המודרני ומדוע הוא הניע דורות של מעבדים : הוא מאפשר אינטגרציה של מאות אלפי עד מיליארדי טרנזיסטורים מחוברים לסנטימטר מרובע בשכבות מרובות.

יישומים מעשיים: מחיי היומיום ועד לתעשייה

אי אפשר למנות את כולם, אבל כדאי לזכור את המייצגים ביותר. כמגברים , טרנזיסטורים מגבירים אותות ברדיו, טלוויזיות וציוד שמע. כמתגים , הם שולטים בספקי כוח ממותגים, בקרי מנועים ומערכות תאורה. במתנדים , הם מייצרים אותות תדר רדיו לתקשורת. וכמובן, הם אבן הבניין הבסיסית של מעגלים משולבים במחשבים, סמארטפונים וכל מיני מכשירים דיגיטליים.

בתחום המקצועי, תפקידם קריטי בתחומי התקשורת , האלקטרוניקה הרפואית, אוטומציה תעשייתית ורובוטיקה. יכולתם ליצור מעגלים קטנים ויעילים יותר שינתה את עיצוב וייצור המוצר, וכתוצאה מכך נוצר ציוד נייד, חזק וחסכוני באנרגיה יותר.

יתרונות על פני שסתומי תרמידיון (ומדוע הם עדיין משמשים לעיתים)

לפני הטרנזיסטורים, שפופרות ואקום שלטו בכיפה. אך הן דרשו מתחים גבוהים בצורה מסוכנת , צרכו אנרגיה רבה, היו מגושמים וכבדים (שלדה ושנאים), היו נוטים יותר לכשל עקב התחממות יתר, ולקח זמן רב להגיע לטמפרטורת פעולה עקב חימום חוט הלהט. יתר על כן, הן סבלו מאפקטים מיקרופוניים ופעלו בעכבות גבוהות . טרנזיסטורים הביאו צריכת חשמל נמוכה, מתח נמוך, קומפקטיות, עמידות ועלות נמוכה יותר כבר מההתחלה.

עובדה היסטורית ממחישה את ההבדל: ה-ENIAC, אחד המחשבים הדיגיטליים הראשונים, שקל מעל 30 טון וצרך כ-200 קילוואט כדי להפעיל כ-18.000 שפופרות ריק, עם תקלות יומיות. למרות זאת, שפופרות ריק שרדו בנישות ספציפיות: כמה מגברי רדיו או אודיו בעלי הספק גבוה (בשל הלינאריות הגבוהה שלהם ואופי ההרמוניות שלהם), ציוד המוקשח מפני פולסים אלקטרומגנטיים , ויישומי הספק קיצוניים. עם הזמן, גם אלקטרוניקה של מצב מוצק כבשה רבים מהגבולות הללו.

מאפייני בנייה ופרטים

ככלל, טרנזיסטור דיסקרטי הוא התקן מוליך למחצה אטום בעל שלושה הדקים גלויים. ניתן להגדיר אותו בשלבים כדי לתפקד כמגבר, מתג, מתנד או מיישר . סיליקון מועדף בעיצובים רבים בשל תכונותיו התרמיות ותכונותיו הדליפות, אך ישנן גם משפחות טרנזיסטורים גרמניום ותרכובות למשימות ספציפיות, כגון יישומים במיקרוגל או במהירות גבוהה מאוד.

ב-BJTs, ככל שהטמפרטורה עולה, מתח הצומת הקדמי יורד וזרמי הדליפה יכולים לעלות, כך שפיזור החום ובחירת דירוג ההספק המרבי הם קריטיים. ב-FETs להספק, תהליך הייצור יכול ליצור דיודות טפיליות (כגון דיודת שוטקי בין המקור לניקוז), דבר שיש לקחת בחשבון בתכנון המעגל.

השוואה מהירה של חומרים

אם אתם תוהים מדוע חומרים מסוימים מהירים יותר מאחרים, שקלו את ניידות האלקטרונים והחורים . ל-Ge ניידות גבוהה אך טמפרטורה מקסימלית נמוכה יותר, דליפה גדולה יותר וסבילות נמוכה יותר למתחים גבוהים ; Si מציע איזון מצוין וטמפרטורות צומת אופייניות של 150-200 מעלות צלזיוס; GaAs מעלה את הרף בתדרים גבוהים, אם כי ייצורו תובעני יותר. זו הסיבה שכל אחד מהם שולט בכיפה בקטגוריה שלו.

שימוש דיגיטלי: מהמעבר המושלם ללוגיקה

במיתוג דיגיטלי, טרנזיסטור פועל על ידי מעבר בין ניתוק (Cutoff) לרצף (Saturation) , כאשר הוא מתנהג באופן אידיאלי כמעגל פתוח או סגור. מהירות מיתוג זו וצריכת חשמל נמוכה הופכות שערי לוגיקה ומערכת בינארית לאפשריים , ובמקביל, גם מעבדים וזיכרונות. בעזרת טכנולוגיית MOSFET וטכנולוגיית CMOS, צריכת החשמל הסטטית נמוכה ביותר מכיוון שהשער אינו מוליך בזרם ישר והזרם נצרך רק במהלך מעברים.

יתרונות מעשיים בהתקנות ובמכשירים

לשימוש יומיומי, טרנזיסטורים מציעים גודל קטן (מה שמקל על הובלת ושילוב ציוד), אורך חיים ארוך (הדורש פחות תחזוקה), מהירות (המפתח למעבדים ותקשורת), עלות נמוכה (הפחתת עלויות מערכת) ויעילות אנרגטית (הפסדים מינימליים). בבית, כל סכום קטן עוזר: החל מספקי כוח יציבים ומווסתים ועד אוטומציה וחיסכון באנרגיה.

שאלות נפוצות שכדאי לענות עליהן

האם טרנזיסטור משמש רק להגברה? לא. הוא גם מתג שקט במיוחד ומהיר במיוחד , אבן בניין של מעגלי לוגיקה, גלאי אור (פוטו-טרנזיסטור) או חלק מתנד . הרבגוניות שלו היא היתרון הגדול ביותר שלו.

באילו תעשיות זה קריטי כיום? כמעט כולן: טלקומוניקציה ורשתות , ציוד רפואי, רכב, אנרגיה, ייצור ואלקטרוניקה צרכנית. השילוב של הספק, מזעור ובקרה הכפיל את השפעתו.

מדוע אנשים מסוימים מדברים על "דלק/כבוי"? זוהי דרך עממית להתייחס למצבים של ניתוק (off) ומוליכה (פעילה או רוויה). בפועל, אלו הן העמדות הלוגיות המאפשרות להפעיל או לכבות את זרימת הזרם .

שבעים ומשהו שנה לאחר לידתו, הטרנזיסטור נותר לב ליבה של האלקטרוניקה: מהמגע הנקודתי הראשון על גרמניום ועד לדור האחרון של טרנזיסטורי MOSFET, היו אלפי אבני דרך, אך הרעיון המרכזי לא השתנה: לשלוט במדויק באופן זרימת החשמל כדי ליצור אותות חזקים ונקיים יותר או לוגיקה אמינה בתוך חללים קטנים יותר ויותר.