Apakah transistor dan untuk apa ia digunakan: jenis, sejarah dan kegunaan

Informatec Digital » Sumber » Apakah transistor dan untuk apa ia digunakan: jenis, sejarah dan kegunaan

Jika anda membawa telefon bimbit di dalam poket anda hari ini, mendengar muzik pada sistem stereo padat, atau bersambung ke internet dari komputer ultra nipis , ia adalah hasil daripada ciptaan kecil tetapi hebat: transistor. Sejak kemunculannya pada akhir 40-an, peranti semikonduktor ini telah memacu pengecilan dan kuasa elektronik moden. Dalam artikel ini, kami akan menerangkan secara terperinci apa itu transistor dan kegunaannya , cara ia berfungsi secara dalaman, pelbagai jenis yang tersedia, parameter yang benar-benar penting, dan mengapa sejarahnya menandakan titik perubahan dalam teknologi.

Walaupun definisi asasnya boleh diringkaskan dalam satu ayat, skopnya sangat luas: transistor mengawal atau mengubah aliran arus antara dua terminal sebagai tindak balas kepada isyarat yang dikenakan pada terminal ketiga. Inilah sebabnya ia berfungsi sebagai penguat , suis , pengayun atau penerus , dalam aplikasi daripada pembesar suara rumah hinggalah pengimbas perubatan. Mari kita bincangkannya langkah demi langkah.

Apa itu transistor?

Perkataan transistor berasal daripada ungkapan Inggeris " perintang pemindahan ." Dalam praktiknya, ia merupakan komponen semikonduktor dengan sekurang-kurangnya tiga terminal yang mampu membenarkan arus lebih atau kurang mengalir antara mana-mana dua daripadanya bergantung pada apa yang berlaku pada terminal ketiga. Kawalan ke atas arus atau kekonduksian saluran inilah yang membolehkannya menguatkan isyarat lemah atau bertindak sebagai suis yang sangat pantas.

Dalam bentuk klasiknya, transistor simpang bipolar (BJT) mempunyai pemancar, tapak dan pengumpul . Arus kecil yang masuk melalui tapak mengawal arus yang jauh lebih besar antara pemancar dan pengumpul. Dalam kes transistor kesan medan (FET), kawalan dicapai dengan mengenakan voltan pada get, memodulasi kekonduksian saluran antara sumber dan saliran dengan impedans input yang sangat tinggi.

Kebanyakannya diperbuat daripada silikon , walaupun ia juga wujud dalam germanium, galium arsenida (GaAs), atau aloi silikon-germanium, yang dibenamkan secara besar-besaran dalam litar bersepadu (mikrocip) atau dibungkus sebagai komponen diskret. Pembungkusannya biasanya ditutup rapat , dengan selongsong plastik atau logam dan tiga pin, dan ia merupakan elemen aktif asas bagi hampir semua elektronik moden.

Sedikit sejarah penting

Impian untuk mengawal arus dalam litar keadaan pepejal telah wujud sebelum realisasi perindustriannya. Pada tahun 1925, Julius Edgar Lilienfeld mendaftarkan paten di Kanada dan kemudian di AS untuk peranti yang menjangkakan FET, tetapi bahan semikonduktor kekurangan kualiti yang diperlukan untuk aplikasi praktikal. Pada tahun 1934, Oskar Heil mempatenkan sesuatu yang serupa di Eropah, dan eksperimen dengan kristal berkembang biak. Walaupun begitu, hanya pada tahun 1947 John Bardeen dan Walter Brattain, di Bell Laboratories, memerhatikan penguatan isyarat dengan dua hujung emas pada kristal germanium.

Dalam beberapa bulan berikutnya, William Shockley mendalami fizik semikonduktor dan mencadangkan transistor simpang bipolar , yang mana permohonan paten pertama telah difailkan pada tahun 1948. Pada tahun yang sama, di Perancis, Herbert Mataré dan Heinrich Welker secara bebas membangunkan "transistron" untuk rangkaian telefon. Tidak lama kemudian, pada tahun 1953, Philco memperkenalkan transistor frekuensi tinggi pertama (sehingga 60 MHz), dan pada tahun 1954 transistor silikon operasi pertama dicapai di Bell Labs (Morris Tanenbaum), dengan model komersial pertama dihasilkan di Texas Instruments (Gordon Teal).

Revolusi besar seterusnya ialah MOSFET , yang dibina pada tahun 1960 oleh Dawon Kahng dan Martin Atalla, yang merupakan kunci kepada penyepaduan berjuta-juta transistor setiap sentimeter persegi. Sebagai pengiktirafan terhadap peristiwa penting ini, Shockley, Bardeen, dan Brattain menerima Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 1956 atas penyelidikan mereka dan penemuan kesan transistor. Sejak itu, elektronik telah mengalami ledakan dalam garis masa sejarah komputer : daripada radio mudah alih kepada komputer, dan merangkumi telekomunikasi dan perubatan.

Struktur, isyarat dan cara BJT berfungsi

BJT terdiri daripada tiga kawasan yang didop yang menghasilkan dua simpang PN : pemancar, tapak dan pengumpul. Ia dibina sebagai NPN atau PNP (huruf tengah menunjukkan jenis tapak), dan doping setiap kawasan dikawal dengan teliti: biasanya, pemancar didop dengan lebih kuat daripada pengumpul. Dalam operasi, arus pengumpul adalah hampir berkadar dengan arus tapak, ditentukan oleh parameter beta (β) , atau gandaan arus.

Antara tapak dan pemancar, ia bertindak seperti diod bias ke hadapan , dengan voltan V _{_BE} tipikal 0,6–0,8 V dalam silikon dan ~0,4 V dalam germanium. Diod ini menjadikan tapak sebagai kawalan yang membuka atau menutup aliran pembawa cas dari pemancar ke pengumpul. Secara konseptual, tapak mengawal "ketukan" elektron atau lubang, supaya arus kawalan kecil menguruskan arus yang lebih besar pada output.

Mod pengendalian: aktif, potong dan tepu

Transistor boleh beroperasi sebagai penguat linear di kawasan aktif , di mana ia membenarkan arus mengalir berkadaran dengan pengujaan tapak. Jika tapak tidak menerima pengujaan yang mencukupi, peranti akan terputus dan tidak mengalirkan arus. Jika pengujaan tinggi, ia akan tepu dan membenarkan arus maksimum yang dibenarkan oleh litar. Kefleksibelan ini menjadikannya sesuai sebagai suis pantas atau penguat isyarat lemah.

NPN lwn PNP secara ringkas

Dalam transistor NPN, elektron biasanya mengalir dari pengumpul ke pemancar , dan peranti diaktifkan dengan meningkatkan arus asas dengan rujukan positif; dalam transistor PNP, arah praktikal diterbalikkan (pemancar ke pengumpul), dan logik biasing adalah saling melengkapi, membolehkan konfigurasi simetri dalam banyak peringkat analog atau pensuisan.

Jenis transistor yang akan anda hadapi

Keluarga ini luas, tetapi semuanya berkongsi prinsip asas yang sama untuk mengawal aliran elektrik. Ini adalah yang paling biasa , bersama dengan beberapa contoh sejarah yang perlu diketahui:

• Kenalan tepat pada masanyaPerintis (1947), dengan dua petua germanium. Sukar untuk dihasilkan, rapuh dan bising, tetapi ia menunjukkan keuntungan buat kali pertama. Hari ini ia adalah sekeping muzium.
• Transistor simpang bipolar (BJT)Transistor NPN/PNP klasik pada kristal semikonduktor tunggal, didop dengan kekotoran penderma (arsenik, fosforus) atau kekotoran penerima (aluminium, indium, galium). Ia adalah a peranti terkawal semasa.
• Transistor kesan medan (FET): JFET (pintu simpang PN), IGFET dan MOSFET (pintu ditebat oleh karat). Mereka adalah voltan dikawal, dengan galangan masukan yang sangat tinggi; asas integrasi berskala besar.
• Fototransistor: peka cahaya, di mana pencahayaan bertindak sebagai arus asas; sesuai untuk pengesanan jauh oleh sinaran elektromagnet.
• IGBT: bipolar pintu bertebat, digunakan secara meluas dalam kuasa dengan menggabungkan kelebihan BJT dan MOSFET.
• pasangan DarlingtonDua BJT berlatarkan dalam pakej yang sama sangat meningkatkan keuntungan global.

Parameter dan bahan yang membuat perbezaan

Apabila memilih transistor, jenisnya bukanlah satu-satunya faktor penting; parameter elektriknya juga penting : voltan kerosakan (pengumpul-pemancar, pemancar-asas, pengumpul-asas), kuasa maksimum, pelesapan haba, frekuensi operasi , β (transformasi-pemancar β), dan rintangan dinamik dalaman. Dalam BJT isyarat kecil, β biasanya berkisar antara 100 hingga 300. VBE _{(voltan transformasi-} pemancar) berkurangan dengan suhu pada kira-kira −2,1 mV/°C dalam silikon, jadi sesetengah reka bentuk menggabungkan sensor haba atau mekanisme pampasan.

Bahannya juga penting: germanium menawarkan mobiliti yang lebih tinggi daripada silikon, tetapi kebocoran dan suhu yang dibenarkan adalah lebih teruk; silikon mendominasi kerana kekukuhan dan kemudahan fabrikasinya; GaAs bersinar pada frekuensi tinggi berkat mobiliti elektroniknya. Peranti seperti HEMT , dengan hingar yang sangat rendah dan kelajuan tinggi, dibina pada GaAs/AlGaAs dan digunakan dalam penerima satelit sekitar 12 GHz dan, dengan nitrida, dalam aplikasi kuasa generasi akan datang.

Satu lagi cara berguna untuk menggambarkan BJT ialah model Ebers-Moll : dua diod, satu pemancar asas berat sebelah hadapan dan satu lagi pengumpul asas berat sebelah songsang. Ini membantu memahami mengapa VBE biasa (0,6-0,8 V Si) muncul _dan bagaimana ia bertindak di luar kawasan linear. Dalam JFET dan MOSFET, voltan get adalah dominan: menjadikan get lebih negatif dalam JFET-GS mencubit saluran; dalam MOSFET, get idealnya tidak menarik arus DC, dan isyarat mengawal kekonduksian saluran antara sumber dan saliran.

Konfigurasi penguat yang paling biasa digunakan

Dengan BJT, adalah perkara biasa untuk berfikir dari segi tiga topologi klasik. Setiap satu mengoptimumkan kualiti yang berbeza (voltan, arus atau impedans), itulah sebabnya ia masih terdapat dalam semua buku dan projek.

• pemancar biasaKeuntungan voltan dan arus, dengan penyongsangan fasa; ia adalah kuda kerja. Perintang pemancar menstabilkan Dan, jika disambungkan dengan kapasitor, ia memulihkan keuntungan AC.
• Pengumpul biasa (pengikut pemancar): kenaikan voltan hampir 1, impedans masukan yang tinggi dan keluaran rendah; sesuai sebagai penyesuai impedans.
• Pangkalan biasa: keuntungan semasa, tanpa penyongsangan fasa dan impedans masukan yang sangat rendahIa bersinar dengan sumber isyarat impedans rendah, seperti mikrofon dinamik dalam persediaan tertentu.

Contoh praktikal (pemancar sepunya terpolarisasi dengan pembahagi)

Bayangkan anda mereka bentuk pentas dengan V_CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V dan β=100. Jika anda menetapkan voltan pemancar sekitar 1/10 V_CC (2 V), anda dapat R_E≈200 ΩPenurunan dalam R_C akan menjadi V_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, dengan I_C=10 mA, maka R_C=1 kΩPangkalan kekal di V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Jika anda mensaiz pembahagi dengan arus kira-kira sepuluh kali ganda arus asas, anda mendapat R₂≤ 2 kΩ dan, berkadar dengan V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Untuk isyarat kecil, rintangan dinamik pemancar dalaman (r _{_e}) pada 10 mA ialah ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, memberikan gandaan voltan ideal anggaran A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Dengan beban 5 kΩ pada pengumpul, impedans keluaran berkesan adalah sekitar 830 Ω dan gandaan jatuh kepada ≈ −319. Impedans yang dilihat pada tapak ialah r _{_e} · β ≈ 260 Ω, dan jumlah impedans input, dengan mengambil kira pembahagi dan tapak secara selari, ialah ≈ 226 Ω. Kapasitor gandingan dan pemancar dipilih supaya reaktansnya boleh diabaikan dalam jalur operasi.

Contoh ini meringkaskan konsep garis beban dan titik Q : anda memilih titik diam (selalunya VCE _≈VCC / 2 tanpa RE ₎ yang membolehkan penyingkiran isyarat simetri. Dari situ, anda melaraskan gandaan, impedans dan kestabilan mengikut aplikasi_.

FET dan MOSFET: kawalan voltan

Dalam FET, tiada arus asas, tetapi sebaliknya voltan get yang mengawal lebar saluran. JFET asas terdiri daripada bar bahan jenis-N atau jenis-P, dengan sentuhan ohm di hujungnya (longkang dan sumber) dan dua kawasan meresap yang membentuk get. Apabila voltan get menjadi lebih negatif (dalam JFET jenis-N), saluran menyempit dan pengaliran terhenti.

Sebaliknya, MOSFET mengasingkan get dengan dielektrik oksida dan mencapai impedans input yang sangat besar. Ini, digabungkan dengan proses pembuatannya yang serasi dengan integrasi, menjelaskan mengapa ia menjadi raja cip moden dan mengapa ia memacu generasi pemproses : ia membolehkan integrasi ratusan ribu hingga berbilion transistor yang saling berkaitan setiap sentimeter persegi dalam berbilang lapisan.

Aplikasi praktikal: daripada kehidupan seharian kepada industri

Menyenaraikan semuanya adalah mustahil, tetapi adalah wajar untuk mengingati yang paling representatif. Sebagai penguat , transistor meningkatkan isyarat dalam radio, televisyen dan peralatan audio. Sebagai suis , ia mengawal bekalan kuasa mod suis, pengawal motor dan sistem pencahayaan. Dalam pengayun , ia menjana isyarat frekuensi radio untuk komunikasi. Dan, sudah tentu, ia adalah blok binaan asas litar bersepadu dalam komputer, telefon pintar dan semua jenis peranti digital.

Dalam bidang profesional, peranan mereka adalah penting dalam telekomunikasi , elektronik perubatan, automasi perindustrian dan robotik. Keupayaan mereka untuk mencipta litar yang lebih kecil dan lebih cekap telah mengubah reka bentuk dan pembuatan produk, menghasilkan peralatan yang lebih mudah alih, berkuasa dan cekap tenaga.

Kelebihan berbanding injap thermidion (dan mengapa ia kadangkala masih digunakan)

Sebelum transistor, tiub vakum menjadi keutamaan. Tetapi ia memerlukan voltan yang sangat tinggi , menggunakan banyak tenaga, besar dan berat (casis dan transformer), lebih mudah rosak akibat terlalu panas, dan mengambil masa yang lama untuk mencapai suhu operasi kerana pemanasan filamen. Tambahan pula, ia mengalami kesan mikrofonik dan beroperasi pada impedans yang tinggi . Transistor membawa penggunaan kuasa yang rendah, voltan rendah, kekompakan, keteguhan dan kos yang lebih rendah sejak awal lagi.

Satu fakta sejarah menggambarkan perbezaannya: ENIAC, salah satu komputer digital pertama, mempunyai berat lebih 30 tan dan menggunakan kira-kira 200 kW untuk menggerakkan kira-kira 18.000 tiub vakum, dengan kerosakan harian. Walaupun begitu, tiub vakum masih wujud dalam niche tertentu: beberapa penguat radio atau audio berkuasa tinggi (disebabkan oleh kelinearan tahap tinggi dan ciri harmoniknya), peralatan yang dikeraskan terhadap denyutan elektromagnet , dan aplikasi kuasa yang melampau. Lama-kelamaan, elektronik keadaan pepejal juga menakluki banyak sempadan ini.

Ciri dan butiran pembinaan

Sebagai peraturan umum, transistor diskret ialah peranti semikonduktor tertutup dengan tiga terminal yang boleh dilihat. Ia boleh dikonfigurasikan secara berperingkat untuk berfungsi sebagai penguat, suis, pengayun atau penerus . Silikon lebih disukai dalam banyak reka bentuk kerana sifat terma dan kebocorannya, tetapi terdapat juga keluarga germanium dan transistor majmuk untuk tugas tertentu, seperti gelombang mikro atau aplikasi berkelajuan sangat tinggi.

Dalam BJT, apabila suhu meningkat, voltan simpang hadapan berkurangan dan arus kebocoran boleh meningkat, jadi pelesapan haba dan pilihan penarafan kuasa maksimum adalah penting. Dalam FET kuasa, proses pembuatan boleh menghasilkan diod parasit (seperti diod Schottky antara sumber dan saliran), sesuatu yang perlu dipertimbangkan dalam reka bentuk litar.

Perbandingan cepat bahan

Jika anda tertanya-tanya mengapa sesetengah bahan lebih pantas daripada yang lain, pertimbangkan mobiliti elektron dan lubang . Ge mempunyai mobiliti yang tinggi tetapi suhu maksimum yang lebih rendah, kebocoran yang lebih besar dan toleransi yang lebih rendah terhadap voltan tinggi ; Si menawarkan keseimbangan yang sangat baik dan suhu simpang tipikal 150-200 °C; GaAs meningkatkan standard pada frekuensi tinggi, walaupun fabrikasinya lebih mencabar. Itulah sebabnya setiap satu unggul dalam segmen masing-masing.

Penggunaan digital: daripada suis sempurna kepada logik

Dalam pensuisan digital, transistor beroperasi dengan berselang-seli antara pemotongan dan ketepuan , di mana ia idealnya bertindak seperti litar terbuka atau tertutup. Kelajuan pensuisan dan penggunaan kuasa yang rendah ini membolehkan get logik dan sistem binari , dan, secara lata, CPU dan memori. Dengan teknologi MOSFET dan CMOS, penggunaan kuasa statik adalah sangat rendah kerana get tidak mengalirkan arus terus dan arus hanya digunakan semasa peralihan.

Kelebihan praktikal dalam pemasangan dan peranti

Untuk kegunaan harian, transistor menawarkan saiz yang kecil (menjadikan peralatan lebih mudah diangkut dan disepadukan), jangka hayat yang panjang (memerlukan penyelenggaraan yang lebih sedikit), kelajuan (memasukkan pemproses dan komunikasi), kos rendah (mengurangkan kos sistem), dan kecekapan tenaga (kehilangan minimum). Di rumah, setiap bantuan kecil membantu: daripada bekalan kuasa yang stabil dan terkawal kepada automasi dan penjimatan tenaga.

Soalan lazim yang patut dijawab

Adakah transistor hanya digunakan untuk penguatan? Tidak. Ia juga merupakan suis ultra-senyap dan ultra-pantas , blok binaan litar logik, pengesan cahaya (fototransistor) atau sebahagian daripada pengayun . Kefleksibelannya adalah kelebihan terbesarnya.

Dalam industri manakah ia penting hari ini? Hampir kesemuanya: telekomunikasi dan rangkaian , peralatan perubatan, automotif, tenaga, pembuatan dan elektronik pengguna. Gabungan kuasa, pengecilan saiz dan kawalan telah menggandakan impaknya.

Mengapa sesetengah orang bercakap tentang "hidup/mati"? Ia merupakan cara sehari-hari untuk merujuk kepada keadaan terputus (mati) dan mengalir (sama ada aktif atau tepu). Dalam praktiknya, ini adalah kedudukan logik yang membolehkan aliran arus dihidupkan atau dimatikan .

Tujuh puluh tahun selepas kelahirannya, transistor kekal sebagai jantung elektronik: dari titik sentuhan pertama pada germanium hingga generasi terkini MOSFET, terdapat beribu-ribu peristiwa penting, tetapi idea utama tidak berubah: untuk mengawal dengan tepat bagaimana aliran elektrik untuk menghasilkan isyarat yang lebih kuat, lebih bersih atau logik yang boleh dipercayai dalam ruang yang semakin kecil.

Artikel berkaitan:

Apakah itu Sistem Digital: Pengenalan penting untuk memahami teknologi