Kas ir tranzistors un kam tas tiek izmantots: veidi, vēsture un pielietojums

Informatec Digital » Resursi » Kas ir tranzistors un kam tas tiek izmantots: veidi, vēsture un pielietojums

Ja mūsdienās kabatā nēsājat mobilo tālruni, klausāties mūziku kompaktā stereosistēmā vai pieslēdzaties internetam no īpaši plāna datora , tas ir pateicoties nelielam, bet varenam izgudrojumam: tranzistoram. Kopš tā parādīšanās 40. gs. četrdesmito gadu beigās šī pusvadītāju ierīce ir veicinājusi mūsdienu elektronikas miniaturizāciju un jaudu. Šajā rakstā mēs detalizēti paskaidrosim, kas ir tranzistors un kam tas tiek izmantots , kā tas darbojas iekšēji, kādi ir pieejamie veidi, kuri parametri ir patiesi svarīgi un kāpēc tā vēsture iezīmēja pagrieziena punktu tehnoloģijā.

Lai gan tā pamatdefinīciju var apkopot vienā teikumā, tā darbības joma ir milzīga: tranzistors kontrolē vai modificē strāvas plūsmu starp diviem spailēm, reaģējot uz signālu, kas tiek pievadīts trešajam spailei. Tāpēc tas kalpo kā pastiprinātājs , slēdzis , oscilators vai pat taisngriezis dažādos pielietojumos, sākot no mājas skaļruņiem līdz medicīniskajiem skeneriem. Apskatīsim to soli pa solim.

Kas ir tranzistors?

Vārds tranzistors cēlies no angļu valodas izteiciena "transfer resistor ". Praksē tas ir pusvadītāju komponents ar vismaz trim spailēm, kas spēj nodrošināt lielāku vai mazāku strāvas plūsmu starp jebkuriem diviem no tiem atkarībā no tā, kas notiek trešajā. Šī kanāla strāvas vai vadītspējas kontrole ļauj tam pastiprināt vājus signālus vai darboties kā ļoti ātram slēdzim.

Klasiskajā formā bipolārajam tranzistoram (BJT) ir emitētājs, bāze un kolektors . Neliela strāva, kas ieplūst caur bāzi, kontrolē daudz lielāku strāvu starp emitētāju un kolektoru. Lauka efekta tranzistoru (FET) gadījumā vadība tiek panākta, pievadot spriegumu vārtiem, modulējot kanāla vadītspēju starp avotu un noteci ar ļoti augstu ieejas pretestību.

Tie galvenokārt tiek ražoti no silīcija , lai gan tie pastāv arī germānija, gallija arsenīda (GaAs) vai silīcija-germānija sakausējumu veidā, masveidā iestrādāti integrālajās shēmās (mikroshēmās) vai iepakoti kā diskrēti komponenti. To iepakojums parasti ir hermētiski noslēgts ar plastmasas vai metāla korpusu un trim kontaktiem, un tie ir gandrīz visas mūsdienu elektronikas pamata aktīvais elements.

Nedaudz būtiskas vēstures

Sapnis par strāvu kontroli cietvielu shēmās radās pirms tā rūpnieciskās realizācijas. 1925. gadā Jūliuss Edgars Lilienfelds reģistrēja patentus Kanādā un vēlāk ASV ierīcēm, kas paredzēja lauka efekta tranzistoru (FET), taču pusvadītāju materiāliem trūka nepieciešamās kvalitātes praktiskai pielietošanai. 1934. gadā Oskars Heils patentēja kaut ko līdzīgu Eiropā, un eksperimenti ar kristāliem vairojās. Tomēr tikai 1947. gadā Džons Bardīns un Valters Bratens Bell Laboratories novēroja signāla pastiprinājumu ar diviem zelta uzgaļiem uz germānija kristāla.

Turpmākajos mēnešos Viljams Šoklijs iedziļinājās pusvadītāju fizikā un ierosināja bipolāro tranzistoru , par kuru pirmais patenta pieteikums tika iesniegts 1948. gadā. Tajā pašā gadā Francijā Herberts Matarē un Heinrihs Velkers neatkarīgi izstrādāja "tranzistronu" telefona tīklam. Neilgi pēc tam, 1953. gadā, Philco prezentēja pirmo augstfrekvences tranzistoru (līdz 60 MHz), un 1954. gadā Bell Labs (Moriss Tanenbaums) tika izveidots pirmais darbojošais silīcija tranzistors , bet pirmais komerciālais modelis tika ražots Texas Instruments (Gordons Tīls).

Nākamā lielā revolūcija bija MOSFET , ko 1960. gadā izveidoja Dawons Kāngs un Martins Atala, un tas bija galvenais, lai integrētu miljonus tranzistoru uz kvadrātcentimetru. Atzīmējot šo pagrieziena punktu, Šoklijs, Bardīns un Bratens 1956. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā par savu pētījumu un tranzistora efekta atklāšanu. Kopš tā laika elektronika ir piedzīvojusi eksploziju datoru vēsturē : no portatīvajiem radioaparātiem līdz datoriem, aptverot telekomunikācijas un medicīnu.

Struktūra, signāli un BJT darbība

BJT sastāv no trim leģētiem apgabaliem, kas veido divus PN pārejas punktus : emitera, bāzes un kolektora. Tie ir konstruēti kā NPN vai PNP (vidējais burts norāda bāzes veidu), un katra apgabala leģējums tiek rūpīgi kontrolēts: parasti emitētājs ir spēcīgāk leģēts nekā kolektors. Darbības laikā kolektora strāva ir aptuveni proporcionāla bāzes strāvai, ko nosaka beta (β) parametrs jeb strāvas pastiprinājums.

Starp bāzi un emitētāju tā uzvedas kā uz tiešo virzību vērsta diode ar tipisku V _{_BE} spriegumu 0,6–0,8 V silīcijā un ~0,4 V germānijā. Šī diode padara bāzi par regulatoru, kas atver vai aizver lādiņnesēju plūsmu no emitera uz kolektoru. Konceptuāli bāze regulē elektronu vai caurumu "pieslēgumu", lai neliela vadības strāva pārvaldītu lielāku strāvu izejā.

Darbības režīmi: aktīvais, izslēgšanas un piesātinājuma

Tranzistors var darboties kā lineārs pastiprinātājs aktīvajā apgabalā , kur tas ļauj strāvai plūst proporcionāli bāzes ierosmei. Ja bāze nesaņem pietiekamu ierosmi, ierīce atslēdzas un nevada strāvu. Ja ierosme ir augsta, tā piesātinās un ļauj plūst maksimālajai strāvai, ko atļauj ķēde. Šī daudzpusība padara to piemērotu kā ātro slēdzi vai vāja signāla pastiprinātāju.

NPN pret PNP īsumā

NPN tranzistorā elektroni parasti plūst no kolektora uz emitētāju , un ierīce tiek aktivizēta, palielinot bāzes strāvu ar pozitīvu atskaites strāvu; PNP tranzistorā praktiski virziens ir apgriezts (emiters uz kolektoru), un nobīdes loģika ir komplementāra, ļaujot simetriskas konfigurācijas daudzās analogās vai komutācijas pakāpēs.

Tranzistoru veidi, ar kuriem jūs saskarsieties

Šī saime ir plaša, taču tām visām ir viens un tas pats elektriskās plūsmas regulēšanas pamatprincips. Šie ir visizplatītākie , kā arī daži vēsturiski piemēri, par kuriem ir vērts zināt:

• Savlaicīga saziņaPionieris (1947) ar diviem germānija uzgaļiem. Grūti izgatavojams, trausls un trokšņains, taču tas pirmo reizi demonstrēja pastiprinājumu. Mūsdienās tas ir muzeja eksponāts.
• Bipolārā savienojuma tranzistors (BJT)Klasiskais NPN/PNP tranzistors uz viena pusvadītāja kristāla, kas leģēts ar donoru piemaisījumiem (arsēnu, fosforu) vai akceptoru piemaisījumiem (alumīniju, indiju, galliju). Tas ir strāvas vadīta ierīce.
• Lauka efekta tranzistori (FET)JFET (savienojuma vārti PN), IGFET un MOSFET (durvis izolētas ar rūsu). Tās ir sprieguma kontrolētsar ļoti augstu ieejas pretestību; liela mēroga integrācijas stūrakmens.
• Fototranzistorigaismjutīgs, kur apgaismojums darbojas kā bāzes strāva; ideāli piemērots attālināta noteikšana ar elektromagnētiskā starojuma palīdzību.
• IGBTIzolēti bipolāri vārti, plaši izmantoti jauda Apvienojot BJT un MOSFET priekšrocības.
• Darlingtonu pārisDivi kaskādes tipa BJT vienā korpusā ievērojami palielina globāls ieguvums.

Parametri un materiāli, kas rada atšķirību

Izvēloties tranzistoru, tā tips nav vienīgais svarīgais faktors; izšķiroša nozīme ir arī tā elektriskajiem parametriem : sabrukšanas spriegumiem (kolektors-emitētājs, bāze-emitētājs, kolektors-bāze), maksimālās jaudas, siltuma izkliedes, darba frekvences , β (transformatora-emitētāja β) un iekšējās dinamiskās pretestības. Mazsignālu BJT tranzistoros β parasti svārstās no 100 līdz 300. VBE _{(transformatora-} emitētāja spriegums) samazinās līdz ar temperatūru aptuveni -2,1 mV/°C silīcijā, tāpēc dažās konstrukcijās ir iekļauti termiskie sensori vai kompensācijas mehānismi.

Svarīgs ir arī materiāls: germānijs piedāvā lielāku mobilitāti nekā silīcijs, taču tā noplūde un pieļaujamā temperatūra ir sliktāka; silīcijs dominē tā izturības un izgatavošanas vienkāršības dēļ; GaAs izceļas augstās frekvencēs, pateicoties tā elektroniskajai mobilitātei. Ierīces, piemēram, HEMT , ar ārkārtīgi zemu trokšņa līmeni un lielu ātrumu, ir veidotas uz GaAs/AlGaAs bāzes un tiek izmantotas satelītu uztvērējos aptuveni 12 GHz frekvencē un, kopā ar nitrīdiem, nākamās paaudzes jaudas lietojumos.

Vēl viens noderīgs veids, kā vizualizēt BJT, ir Ebersa-Molla modelis : divas diodes, viena ar tiešu nobīdi bāzes emiterā un otra ar reversu nobīdi bāzes kolektorā. Tas palīdz saprast, kāpēc parādās tipisks VBE (0,6–0,8 V Si) _un kā tas uzvedas ārpus lineārā apgabala. JFET un MOSFET tranzistoriem vārtu spriegums ir dominējošais: padarot vārtus negatīvākus JFET-GS tranzistorijā, tiek atvienots kanāls; MOSFET tranzistoriem vārti ideālā gadījumā nesaņem līdzstrāvu, un signāls kontrolē kanāla vadītspēju starp avotu un noteci.

Visbiežāk izmantotās pastiprinātāja konfigurācijas

Runājot par BJT, parasti tiek izmantotas trīs klasiskās topoloģijas. Katra no tām optimizē atšķirīgu kvalitāti (spriegumu, strāvu vai impedanci), tāpēc tās joprojām ir atrodamas visās grāmatās un projektos.

• kopīgs emitētājsSprieguma un strāvas pastiprinājums ar fāzes inversiju; tas ir darba zirgs. Emitera rezistors stabilizējas Un, ja to savieno ar kondensatoru, tas atgūst maiņstrāvas pastiprinājumu.
• Parasts kolekcionārs (emitera sekotājs): sprieguma pieaugums tuvu 1, augsta ieejas pretestība un zema izejas jauda; ideāli piemērots kā impedances adapteris.
• Kopīga bāze: strāvas pastiprinājums bez fāzes inversijas un ļoti zema ieejas pretestībaTas izceļas ar zemas pretestības signāla avotiem, piemēram, dinamiskajiem mikrofoniem noteiktās konfigurācijās.

Praktisks piemērs (polarizēts kopējais emitētājs ar dalītāju)

Iedomājieties, ka jūs projektējat skatuvi ar V_CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V un β=100. Ja emitera spriegumu iestatāt aptuveni 1/10 no V_CC (2 V), jūs saņemat R_E≈200 ΩR kritums_C būtu V_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, ar I_C=10 mA, tad R_C=1 kΩBāze paliek pie V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Ja dalītāja izmēru noteicat ar strāvu, kas ir aptuveni desmit reizes lielāka par bāzes strāvu, iegūstat R₂≤ 2 kΩ un proporcionāli V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Maziem signāliem iekšējā emitera dinamiskā pretestība (r _{_e}) pie 10 mA ir ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, kas nodrošina aptuvenu ideālu sprieguma pastiprinājumu A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Ar 5 kΩ slodzi uz kolektoru efektīvā izejas pretestība ir aptuveni 830 Ω, un pastiprinājums samazinās līdz ≈ −319. Impedance, kas redzama pie bāzes, ir r _{_e} · β ≈ 260 Ω, un kopējā ieejas pretestība, ņemot vērā dalītāju un bāzi paralēli, ir ≈ 226 Ω. Savienojuma un emitera kondensatori ir izvēlēti tā, lai to reaktīvā pretestība darba joslā būtu niecīga .

Šajā piemērā ir apkopota slodzes līnijas un Q punkta koncepcija : jūs izvēlaties miera punktu (bieži vien VCE _≈VCC / 2 bez RE ₎ , kas pieļauj simetrisku signāla novirzi. No turienes jūs regulējat pastiprinājumu, impedanci un stabilitāti atbilstoši pielietojumam_.

FET un MOSFET: sprieguma kontrole

Lauka tranzistoros (FET) nav bāzes strāvas kā tādas, bet gan vārtu spriegums , kas kontrolē kanāla platumu. Pamata JFET sastāv no N-tipa vai P-tipa materiāla stieņa ar omiskiem kontaktiem tā galos (notece un izvads) un diviem difūziem apgabaliem, kas veido vārtus. Kad vārtu spriegums kļūst negatīvāks (N-tipa JFET), kanāls sašaurinās un vadītspēja apstājas.

Savukārt MOSFET izolē vārtus ar oksīda dielektriķi un panāk milzīgu ieejas pretestību. Tas apvienojumā ar tā ražošanas procesu, kas ir saderīgs ar integrāciju, izskaidro, kāpēc tas ir mūsdienu mikroshēmu karalis un kāpēc tas ir veicinājis veselas procesoru paaudzes : tas ļauj integrēt simtiem tūkstošu līdz miljardiem savstarpēji savienotu tranzistoru uz kvadrātcentimetru vairākos slāņos.

Praktisks pielietojums: no ikdienas dzīves līdz rūpniecībai

Uzskaitīt tos visus nav iespējams, taču ir vērts atcerēties visraksturīgākos. Kā pastiprinātāji tranzistori pastiprina signālus radioaparātos, televizoros un audioiekārtās. Kā slēdži tie kontrolē impulsu režīma barošanas avotus, motoru kontrollerus un apgaismojuma sistēmas. Oscilatoros tie ģenerē radiofrekvences signālus sakariem. Un, protams, tie ir integrēto shēmu pamatelements datoros, viedtālruņos un visu veidu digitālajās ierīcēs.

Profesionālajā sfērā to loma ir kritiski svarīga telekomunikācijās , medicīnas elektronikā, rūpnieciskajā automatizācijā un robotikā. To spēja radīt mazākas, efektīvākas shēmas ir pārveidojusi produktu dizainu un ražošanu, kā rezultātā iekārtas ir kļuvušas pārnēsājamākas, jaudīgākas un energoefektīvākas.

Priekšrocības salīdzinājumā ar termidiona vārstiem (un kāpēc tos joprojām dažreiz izmanto)

Pirms tranzistoriem dominēja vakuuma lampas. Taču tām bija nepieciešams bīstami augsts spriegums , tās patērēja daudz enerģijas, bija apjomīgas un smagas (šasija un transformatori), tām bija lielāka nosliece uz bojājumiem pārkaršanas dēļ un tām bija nepieciešams ilgs laiks, lai sasniegtu darba temperatūru kvēldiega sakaršanas dēļ. Turklāt tām bija mikrofoniskie efekti un tās darbojās ar augstu pretestību . Tranzistori jau no paša sākuma nodrošināja zemu enerģijas patēriņu, zemu spriegumu, kompaktumu, izturību un zemākas izmaksas.

Vēsturisks fakts ilustrē atšķirību: ENIAC, viens no pirmajiem digitālajiem datoriem, svēra vairāk nekā 30 tonnas un patērēja aptuveni 200 kW, lai darbinātu aptuveni 18 000 vakuuma lampu, un katru dienu klīda. Tomēr vakuuma lampas saglabājās noteiktās nišās: dažos lieljaudas radio vai audio pastiprinātājos (to augstā līmeņa linearitātes un harmoniku rakstura dēļ), iekārtās, kas bija izturīgas pret elektromagnētiskajiem impulsiem , un ekstremālas jaudas pielietojumos. Laika gaitā cietvielu elektronika iekaroja arī daudzas no šīm jomām.

Konstrukcijas īpašības un detaļas

Parasti diskrētais tranzistors ir noslēgta pusvadītāju ierīce ar trim redzamiem spailēm. To var konfigurēt pakāpēs, lai darbotos kā pastiprinātājs, slēdzis, oscilators vai taisngriezis . Silīcijs daudzos dizainos tiek dota priekšroka tā termisko un noplūdes īpašību dēļ, taču specifiskiem uzdevumiem, piemēram, mikroviļņu krāsnīm vai ļoti ātrdarbīgām lietojumprogrammām, ir arī germānija un salikto tranzistoru saimes .

Bipolārtransistoros (BJT), paaugstinoties temperatūrai, samazinās tiešās pārejas spriegums un var palielināties noplūdes strāvas, tāpēc siltuma izkliede un maksimālās jaudas nominālvērtības izvēle ir ļoti svarīgas. Jaudas lauka tranzistoros (FET) ražošanas procesā var rasties parazitāras diodes (piemēram, Šotki diode starp izteci un noteci), kas jāņem vērā shēmas projektēšanā.

Ātra materiālu salīdzināšana

Ja jūs interesē, kāpēc daži materiāli ir ātrāki par citiem, apsveriet elektronu un caurumu mobilitāti . Ge ir augsta mobilitāte, bet zemāka maksimālā temperatūra, lielāka noplūde un zemāka tolerance pret augstu spriegumu ; Si piedāvā lielisku līdzsvaru un tipisku savienojuma temperatūru 150–200 °C; GaAs paceļ latiņu augstās frekvencēs, lai gan tā izgatavošana ir prasīgāka. Tāpēc katrs no tiem valda savā attiecīgajā segmentā.

Digitālā lietošana: no perfekta slēdža līdz loģikai

Digitālajā komutācijā tranzistors darbojas, mainot darbības režīmus starp atslēgšanu un piesātinājumu , kur ideālā gadījumā tas uzvedas kā atvērta vai slēgta ķēde. Šis komutācijas ātrums un zemais enerģijas patēriņš padara iespējamus loģiskos vārtus un bināro sistēmu , kā arī kaskādes režīmā centrālos procesorus un atmiņas. Izmantojot MOSFET un CMOS tehnoloģiju, statiskais enerģijas patēriņš ir ārkārtīgi zems, jo vārti nevada līdzstrāvu un strāva tiek patērēta tikai pāreju laikā.

Praktiskas priekšrocības instalācijās un ierīcēs

Ikdienas lietošanai tranzistori piedāvā mazu izmēru (atvieglojot iekārtu transportēšanu un integrēšanu), ilgu kalpošanas laiku (prasa mazāku apkopi), ātrumu (svarīgi procesoriem un komunikācijai), zemas izmaksas (samazinot sistēmas izmaksas) un energoefektivitāti (minimālus zudumus). Mājās noder katrs sīkums: sākot no stabiliem, regulētiem barošanas avotiem līdz automatizācijai un enerģijas taupīšanai.

Bieži uzdotie jautājumi, uz kuriem jāatbild

Vai tranzistors tiek izmantots tikai pastiprināšanai? Nē. Tas ir arī īpaši kluss un īpaši ātrs slēdzis , loģisko shēmu pamatelements, gaismas detektors (fototranzistors) vai oscilatora daļa . Tā daudzpusība ir tā lielākā priekšrocība.

Kurās nozarēs tas mūsdienās ir kritiski svarīgs? Gandrīz visās: telekomunikācijās un tīklos , medicīnas iekārtās, autobūvē, enerģētikā, ražošanā un plaša patēriņa elektronikā. Jaudas, miniaturizācijas un kontroles kombinācija ir daudzkārt palielinājusi tā ietekmi.

Kāpēc daži cilvēki runā par "ieslēgts/izslēgts"? Tas ir sarunvalodas veids, kā apzīmēt atslēgšanas (izslēgta) un vadoša (aktīva vai piesātināta) stāvokļus. Praksē šie ir loģiskie stāvokļi, kas ļauj ieslēgt vai izslēgt strāvas plūsmu .

Septiņdesmit gadus pēc tā dzimšanas tranzistors joprojām ir elektronikas sirds: no pirmā punktveida kontakta ar germānija tranzistoru līdz jaunākās paaudzes MOSFET ir bijuši tūkstošiem pagrieziena punktu, taču galvenā ideja nav mainījusies: precīzi kontrolēt elektrības plūsmu, lai radītu spēcīgākus, tīrākus signālus vai uzticamāku loģiku arvien mazākās telpās.