Kas yra tranzistorius ir kam jis naudojamas: tipai, istorija ir panaudojimas

Informatec Digital » Ištekliai » Kas yra tranzistorius ir kam jis naudojamas: tipai, istorija ir panaudojimas

Jei šiandien kišenėje nešiojatės mobilųjį telefoną, klausotės muzikos kompaktiškoje stereo sistemoje arba jungiatės prie interneto naudodami itin ploną kompiuterį , tai yra mažo, bet galingo išradimo – tranzistoriaus – nuo ​​pat atsiradimo XX a. 40-ojo dešimtmečio pabaigoje šis puslaidininkinis įtaisas skatino šiuolaikinės elektronikos miniatiūrizaciją ir galią. Šiame straipsnyje išsamiai paaiškinsime, kas yra tranzistorius ir kam jis naudojamas , kaip jis veikia viduje, kokie yra skirtingi jo tipai, kurie parametrai yra išties svarbūs ir kodėl jo istorija žymėjo technologijų lūžio tašką.

Nors pagrindinį jo apibrėžimą galima apibendrinti vienu sakiniu, jo taikymo sritis yra didžiulė: tranzistorius valdo arba modifikuoja srovės tekėjimą tarp dviejų gnybtų, reaguodamas į signalą, tiekiamą į trečiąjį gnybtą. Štai kodėl jis veikia kaip stiprintuvas , jungiklis , osciliatorius ar net lygintuvas įvairiose srityse – nuo ​​namų garsiakalbių iki medicininių skaitytuvų. Pažvelkime žingsnis po žingsnio.

Kas yra tranzistorius?

Žodis „tranzistorius“ kilęs iš angliško posakio „transfer resistor“ (liet. „perdavimo rezistorius “). Praktiškai tai puslaidininkinis komponentas, turintis bent tris gnybtus, galinčius praleisti didesnę ar mažesnę srovę tarp bet kurių dviejų iš jų, priklausomai nuo to, kas vyksta trečiajame. Ši kanalo srovės arba laidumo kontrolė leidžia jam sustiprinti silpnus signalus arba veikti kaip labai greitam jungikliui.

Klasikine forma bipolinis tranzistorius (BJT) turi emiterį, bazę ir kolektorių . Maža srovė, patenkanti per bazę, valdo daug didesnę srovę tarp emiterio ir kolektoriaus. Lauko tranzistorių (FET) atveju valdymas pasiekiamas tiekiant įtampą į užtūrą, moduliuojant kanalo tarp šaltinio ir santakos laidumą su labai didele įėjimo varža.

Jie dažniausiai gaminami iš silicio , nors taip pat egzistuoja germanio, galio arsenido (GaAs) arba silicio ir germanio lydinių pavidalu, masyviai įterpti į integrinius grandynus (mikroschemas) arba supakuoti kaip atskiri komponentai. Jų pakuotė paprastai yra hermetiškai uždaryta , su plastikiniu arba metaliniu korpusu ir trimis kontaktais, ir jie yra pagrindinis beveik visos šiuolaikinės elektronikos aktyvusis elementas.

Truputis esminės istorijos

Svajonė valdyti sroves kietojo kūno grandinėse atsirado dar prieš pramoninį jos įgyvendinimą. 1925 m. Julius Edgar Lilienfeld Kanadoje, o vėliau ir JAV užregistravo patentus įrenginiams, kurie buvo lauko tranzistorių (FET) pranašesni, tačiau puslaidininkinės medžiagos trūko praktiniam pritaikymui būtinų savybių. 1934 m. Oskar Heil Europoje užpatentavo kažką panašaus, ir eksperimentai su kristalais išplito. Nepaisant to, tik 1947 m. John Bardeen ir Walter Brattain „Bell Laboratories“ tyrinėjo signalo stiprinimą dviem aukso antgaliais ant germanio kristalo.

Vėlesniais mėnesiais Williamas Shockley giliau pasinėrė į puslaidininkių fiziką ir pasiūlė dvipolį tranzistorių , kuriam 1948 m. buvo pateikta pirmoji patento paraiška. Tais pačiais metais Prancūzijoje Herbertas Mataré ir Heinrichas Welkeris savarankiškai sukūrė „tranzistroną“ telefono tinklui. Netrukus po to, 1953 m., „Philco“ pristatė pirmąjį aukšto dažnio tranzistorių (iki 60 MHz), o 1954 m. „Bell Labs“ (Morrisas Tanenbaumas) sukūrė pirmąjį veikiantį silicio tranzistorių , o pirmąjį komercinį modelį pagamino „Texas Instruments“ (Gordonas Tealas).

Kita didelė revoliucija buvo MOSFET tranzistorius , kurį 1960 m. sukūrė Dawonas Kahngas ir Martinas Atalla. Jis buvo labai svarbus integruojant milijonus tranzistorių kvadratiniame centimetre. Už šį pasiekimą Shockley, Bardeen ir Brattain 1956 m. gavo Nobelio fizikos premiją už savo tyrimus ir tranzistoriaus efekto atradimą. Nuo tada elektronika patyrė sprogimą kompiuterių istorijoje : nuo nešiojamųjų radijo imtuvų iki kompiuterių, apimant telekomunikacijas ir mediciną.

Struktūra, signalai ir kaip veikia BJT

BJT sudaro trys legiruoti sritys, kurios sudaro dvi PN sandūras : emiterio, bazės ir kolektoriaus. Jos yra sukonstruotos kaip NPN arba PNP (vidurinė raidė nurodo bazės tipą), o kiekvienos srities legiravimas yra kruopščiai kontroliuojamas: paprastai emiteris yra labiau legiruotas nei kolektorius. Veikimo metu kolektoriaus srovė yra maždaug proporcinga bazės srovei, kurią nustato beta (β) parametras arba srovės stiprinimo koeficientas.

Tarp bazės ir emiterio jis elgiasi kaip tiesioginio poslinkio diodas , kurio tipinė V _{_BE} įtampa silicyje yra 0,6–0,8 V, o germanyje – ~0,4 V. Šis diodas paverčia bazę valdikliu, kuris atidaro arba uždaro krūvininkų srautą iš emiterio į kolektorių. Konceptualiai bazė reguliuoja elektronų arba skylių „atšaką“, kad maža valdymo srovė valdytų didesnę išėjime.

Veikimo režimai: aktyvus, išjungimo ir prisotinimo

Aktyviojoje srityje tranzistorius gali veikti kaip tiesinis stiprintuvas , praleidžiantis srovę, proporcingą bazės sužadinimui. Jei bazė negauna pakankamai sužadinimo, įtaisas išsijungia ir nelaidus. Jei sužadinimas didelis, jis įsisotina ir praleidžia maksimalią grandinės leidžiamą srovę. Dėl šio universalumo jis tinka kaip greitas jungiklis arba silpno signalo stiprintuvas.

NPN ir PNP trumpai

NPN tranzistoriuje elektronai paprastai teka iš kolektoriaus į emiterį , o įtaisas aktyvuojamas padidinus bazinę srovę esant teigiamai atskaitos srovei; PNP tranzistoriuje praktinė kryptis yra atvirkštinė (emiteris į kolektorių), o poslinkio logika yra komplementari, leidžianti simetriškas konfigūracijas daugelyje analoginių arba perjungimo pakopų.

Tranzistorių tipai, su kuriais susidursite

Šeima plati, tačiau visi jie turi tą patį pagrindinį elektros srauto valdymo principą. Čia pateikiami dažniausiai pasitaikantys ir keli istoriniai pavyzdžiai, apie kuriuos verta žinoti:

• Laiku susisiektaPionierius (1947 m.) su dviem germanio antgaliais. Sunkiai pagaminamas, trapus ir triukšmingas, tačiau pirmą kartą pademonstravo stiprinimą. Šiandien tai muziejaus eksponatas.
• Bipolinis jungties tranzistorius (BJT)Klasikinis NPN/PNP tranzistorius ant vieno puslaidininkinio kristalo, legiruotas donorinėmis priemaišomis (arsenu, fosforu) arba akceptorinėmis priemaišomis (aliuminiu, indžiu, galiu). Tai srovės valdomas įtaisas.
• Lauko efekto tranzistoriai (FET)JFET (sankryžos vartai PN), IGFET ir MOSFET (durys aprūdijusios). Jos yra įtampos valdomas, su labai didele įėjimo varža; didelio masto integracijos kertinis akmuo.
• Fototranzistoriaijautrus šviesai, kai apšvietimas veikia kaip bazinė srovė; puikiai tinka nuotolinis aptikimas elektromagnetinės spinduliuotės būdu.
• IGBTIzoliuoti dvipoliai vartai, plačiai naudojami galia derinant BJT ir MOSFET privalumus.
• Darlingtono poraDu kaskadiniai BJT tranzistoriai tame pačiame korpuse labai padidina pasaulinis pelnas.

Parametrai ir medžiagos, lemiančios skirtumą

Renkantis tranzistorių, svarbus ne tik jo tipas, bet ir elektriniai parametrai : pramušimo įtampa (kolektorius-emiteris, bazė-emiteris, kolektorius-bazė), maksimali galia, šilumos išsklaidymas, veikimo dažnis , β (transformatoriaus-emiterio β) ir vidinė dinaminė varža. Mažo signalo BJT tranzistoriuose β paprastai svyruoja nuo 100 iki 300. VBE _{(transformatoriaus-} emiterio įtampa) silicio atveju mažėja kylant temperatūrai, maždaug esant -2,1 mV/°C , todėl kai kuriuose projektuose yra įtraukti terminiai jutikliai arba kompensavimo mechanizmai.

Svarbi ir medžiaga: germanis pasižymi didesniu judrumu nei silicis, tačiau jo nuotėkis ir leistina temperatūra yra blogesni; silicis dominuoja dėl savo tvirtumo ir lengvo gamybos; GaAs šviečia aukštais dažniais dėl savo elektroninio judrumo. Tokie įrenginiai kaip HEMT , pasižymintys itin mažu triukšmu ir dideliu greičiu, yra pagaminti naudojant GaAs/AlGaAs ir naudojami palydoviniuose imtuvuose, kurių dažnis siekia apie 12 GHz, o kartu su nitridais – naujos kartos energijos tiekimo sistemose.

Kitas naudingas būdas vizualizuoti BJT yra Eberso-Mollo modelis : du diodai, vienas tiesiogiai aktyvuotas bazinis emiteris, o kitas atvirkščiai aktyvuotas bazinis kolektorius. Tai padeda suprasti, kodėl atsiranda tipinė VBE (0,6–0,8 V Si) _ir kaip ji elgiasi už tiesinės srities ribų. JFET ir MOSFET tranzistoriuose dominuoja užtūros įtampa: neigiamesnis užtūros įtampa JFET-GS tranzistoriuje uždaro kanalą; MOSFET tranzistoriuose užtūra idealiai negauna nuolatinės srovės, o signalas valdo kanalo laidumą tarp šaltinio ir santakos.

Dažniausiai naudojamos stiprintuvo konfigūracijos

Kalbant apie BJT, įprasta galvoti apie tris klasikines topologijas. Kiekviena iš jų optimizuoja skirtingą kokybę (įtampą, srovę arba varžą), todėl jos vis dar randamos visose knygose ir projektuose.

• bendras skleidėjasĮtampos ir srovės stiprinimas su fazės inversija – tai darbinis arkliukas. Emiterio rezistorius stabilizuojasi Ir, jei sujungtas kondensatoriumi, jis atgauna kintamosios srovės stiprinimą.
• Įprastas kolekcionierius (emiterio sekiklis): įtampos padidėjimas artimas 1, didelė įėjimo varža ir maža išėjimo galia; idealiai tinka kaip varžos adapteris.
• Bendra bazė: srovės stiprinimas be fazės inversijos ir labai maža įėjimo varžaJis puikiai tinka su mažos varžos signalo šaltiniais, tokiais kaip dinaminiai mikrofonai tam tikrose konfigūracijose.

Praktinis pavyzdys (poliarizuotas bendras spinduolis su dalikliu)

Įsivaizduokite, kad kuriate sceną su V_CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V ir β = 100. Jei emiterio įtampą nustatysite maždaug 1/10 V_CC (2 V), gausite R_E≈200 ΩR kritimas_C būtų V._RC=V_CC− V_CE− V_E=10 V, kai I_C=10 mA, tada R_C=1 kΩBazė lieka ties V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Jei daliklio srovės stiprumas yra maždaug dešimt kartų didesnis už bazinę srovę, gauname R₂≤ 2 kΩ ir proporcingai V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Mažiems signalams vidinio emiterio dinaminė varža (r _{_e}) esant 10 mA srovei yra ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, o tai rodo apytikslį idealų įtampos stiprinimo koeficientą A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Esant 5 kΩ apkrovai kolektoriui, efektyvioji išėjimo varža yra apie 830 Ω, o stiprinimo koeficientas sumažėja iki ≈ −319. Bazėje matoma varža yra r _{_e} · β ≈ 260 Ω, o bendra įėjimo varža, atsižvelgiant į lygiagrečiai sujungtus daliklį ir bazę, yra ≈ 226 Ω. Jungiamojo ir emiterio kondensatoriai parinkti taip, kad jų reaktyvumas darbinėje juostoje būtų nežymus .

Šiame pavyzdyje apibendrinama apkrovos linijos ir Q taško sąvoka : pasirenkamas ramybės taškas (dažnai VCE _≈VCC / 2 be RE ₎ , kuris leidžia simetrišką signalo nuokrypį. Pagal jį reguliuojamas stiprinimas, varža ir stabilumas pagal taikymą_.

Laukinių lauk ...

Lauko tranzistoriuose (FET) nėra bazinės srovės, o veikiau užtūros įtampa , kuri kontroliuoja kanalo plotį. Bazinį JFET sudaro N arba P tipo medžiagos strypas su ominiais kontaktais galuose (drenas ir šaltinis) ir dviem difuziniais regionais, kurie sudaro užtūrą. Kai užtūros įtampa tampa neigiamesnė (N tipo JFET), kanalas siaurėja ir laidumas nutrūksta.

Kita vertus, MOSFET tranzistorius izoliuoja užtūrą oksido dielektriku ir pasiekia milžinišką įėjimo varžą. Tai, kartu su integracijos principu suderinamu gamybos procesu, paaiškina, kodėl jis yra šiuolaikinių lustų karalius ir kodėl jis vadovavo ištisoms procesorių kartoms : jis leidžia integruoti šimtus tūkstančių ar milijardus tarpusavyje sujungtų tranzistorių kvadratiniame centimetre keliuose sluoksniuose.

Praktinis pritaikymas: nuo kasdienio gyvenimo iki pramonės

Išvardyti juos visus neįmanoma, bet verta prisiminti pačius tipiškiausius. Kaip stiprintuvai , tranzistoriai sustiprina signalus radijo imtuvuose, televizoriuose ir garso įrangoje. Kaip jungikliai , jie valdo impulsinius maitinimo šaltinius, variklių valdiklius ir apšvietimo sistemas. Osciliatoriuose jie generuoja radijo dažnių signalus ryšiui. Ir, žinoma, jie yra pagrindinis integrinių grandynų, naudojamų kompiuteriuose, išmaniuosiuose telefonuose ir visokiuose skaitmeniniuose įrenginiuose, statybinis blokas.

Profesinėje srityje jų vaidmuo yra labai svarbus telekomunikacijų , medicinos elektronikos, pramoninės automatikos ir robotikos srityse. Jų gebėjimas kurti mažesnes, efektyvesnes grandines pakeitė gaminių projektavimą ir gamybą, todėl įranga tapo nešiojamesnė, galingesnė ir energiją taupanti.

Privalumai, palyginti su termidioniniais vožtuvais (ir kodėl jie vis dar kartais naudojami)

Prieš tranzistorius karaliavo vakuuminės lempos. Tačiau joms reikėjo pavojingai aukštos įtampos , jos sunaudojo daug energijos, buvo didelės ir sunkios (korpusas ir transformatoriai), buvo labiau linkusios gesti dėl perkaitimo ir ilgai užtruko, kol pasiekė darbinę temperatūrą dėl kaitinamojo siūlo. Be to, jos kentėjo nuo mikrofoninių efektų ir veikė esant didelei varžai . Tranzistoriai nuo pat pradžių pasižymėjo mažu energijos suvartojimu, žema įtampa, kompaktiškumu, tvirtumu ir mažesne kaina.

Istorinis faktas iliustruoja skirtumą: ENIAC, vienas pirmųjų skaitmeninių kompiuterių, svėrė daugiau nei 30 tonų ir sunaudojo apie 200 kW, kad maitintų maždaug 18 000 vakuuminių lempų, kurios kasdien sugesdavo. Nepaisant to, vakuuminės lempos išliko tam tikrose nišose: kai kuriuose didelės galios radijo ar garso stiprintuvuose (dėl jų aukšto lygio tiesiškumo ir harmonikų pobūdžio), įrangoje, apsaugotoje nuo elektromagnetinių impulsų , ir ekstremalių galios poreikių taikymuose. Laikui bėgant, kietojo kūno elektronika taip pat užkariavo daugelį šių sričių.

Konstrukcijos ypatybės ir detalės

Paprastai diskretusis tranzistorius yra sandarus puslaidininkinis įtaisas su trimis matomais gnybtais. Jis gali būti konfigūruojamas etapais, kad veiktų kaip stiprintuvas, jungiklis, osciliatorius arba lygintuvas . Silicis daugelyje konstrukcijų yra pageidaujamas dėl savo šiluminių ir nuotėkio savybių, tačiau taip pat yra germanio ir sudėtinių tranzistorių šeimų, skirtų specifinėms užduotims, pavyzdžiui, mikrobangų krosnelėms arba labai didelio greičio taikymams.

BJT tranzistoriuose, kylant temperatūrai, tiesioginės sandūros įtampa mažėja, o nuotėkio srovės gali padidėti, todėl labai svarbu tinkamai parinkti šilumą ir maksimalią galią. Galios lauko tranzistorių gamybos procese gali būti sukurti parazitiniai diodai (pvz., Šotkio diodas tarp šaltinio ir santakos), į ką reikia atsižvelgti projektuojant grandinę.

Greitas medžiagų palyginimas

Jei svarstote, kodėl kai kurios medžiagos yra greitesnės už kitas, pagalvokite apie elektronų ir skylių judrumą . Ge pasižymi dideliu judrumu, tačiau žemesne maksimalia temperatūra, didesniu nuotėkiu ir mažesniu atsparumu aukštai įtampai ; Si pasižymi puikiu balansu ir tipine 150–200 °C sandūrų temperatūra; GaAs pakelia kartelę aukštuose dažniuose, nors jo gamyba yra sudėtingesnė. Štai kodėl kiekvienas iš jų karaliauja savo atitinkamame segmente.

Skaitmeninis naudojimas: nuo tobulo perjungimo iki logikos

Skaitmeninio komutavimo sistemoje tranzistorius veikia kaitaliodamas išjungimo ir prisotinimo būsenas , kur idealiai jis elgiasi kaip atvira arba uždara grandinė. Dėl tokio perjungimo greičio ir mažo energijos suvartojimo galimi loginiai vartai ir dvejetainė sistema , o kaskadiniu būdu – procesoriai ir atmintis. Naudojant MOSFET ir CMOS technologijas, statinis energijos suvartojimas yra itin mažas, nes vartai nelaidūs nuolatinei srovei , o srovė suvartojama tik perėjimų metu.

Praktiniai įrenginių ir įrenginių privalumai

Kasdieniam naudojimui tranzistoriai yra maži (todėl įrangą lengviau transportuoti ir integruoti), ilgaamžiai (reikalaujantys mažiau priežiūros), greiti (svarbūs procesoriuose ir komunikacijose), maži (sumažinantys sistemos sąnaudas) ir energijos vartojimo efektyvumo (minimalūs nuostoliai). Namuose kiekviena smulkmena padeda: nuo stabilių, reguliuojamų maitinimo šaltinių iki automatizavimo ir energijos taupymo.

Dažnai užduodami klausimai, į kuriuos reikėtų atsakyti

Ar tranzistorius naudojamas tik stiprinimui? Ne. Tai taip pat itin tylus ir itin greitas jungiklis , loginių grandinių statybinis blokas, šviesos detektorius (fototranzistorius) arba osciliatoriaus dalis . Didžiausias jo privalumas yra universalumas.

Kuriose pramonės šakose jis šiandien yra itin svarbus? Beveik visose: telekomunikacijų ir tinklų , medicinos įrangos, automobilių, energetikos, gamybos ir plataus vartojimo elektronikos srityse. Galios, miniatiūrizacijos ir valdymo derinys padidino jo poveikį.

Kodėl kai kurie žmonės kalba apie „įjungta/išjungta“? Tai šnekamoji kalba, reiškianti atjungimo (išjungimo) ir laidumo (aktyvios arba prisotintos) būsenas. Praktiškai tai yra loginės padėtys, leidžiančios įjungti arba išjungti srovės tekėjimą .

Praėjus septyniasdešimčiai metų nuo savo atsiradimo, tranzistorius išlieka elektronikos širdimi: nuo pirmojo taškinio kontakto su germaniu iki naujausios kartos MOSFETų buvo žengti tūkstančiai etapų, tačiau pagrindinė idėja nepasikeitė: tiksliai valdyti elektros srautus, kad būtų sukurti stipresni, švaresni signalai arba patikimesnė logika vis mažesnėse erdvėse.

Susijęs straipsnis:

Kas yra skaitmeninės sistemos: esminis įvadas į technologijų supratimą