Wat is een transistor en waarvoor wordt hij gebruikt: soorten, geschiedenis en toepassingen

Informatic Digital » Middelen » Wat is een transistor en waarvoor wordt hij gebruikt: soorten, geschiedenis en toepassingen

Als u tegenwoordig een mobiele telefoon in uw zak draagt, naar muziek luistert met een compact systeem of verbinding maakt met internet via een ultradunne computerHet is allemaal te danken aan een kleine maar krachtige uitvinding: de transistor. Sinds zijn opkomst eind jaren 40 heeft deze halfgeleider de miniaturisatie en kracht van moderne elektronica aangejaagd. We vertellen je er hieronder alles over. Wat is een transistor en waar wordt deze voor gebruikt?, hoe het intern werkt, welke typen er bestaan, welke parameters er echt toe doen en waarom de geschiedenis ervan een keerpunt markeerde.

Hoewel de basisdefinitie in één zin kan worden samengevat, is de reikwijdte ervan enorm: Een transistor regelt of wijzigt de stroomdoorstroming tussen twee aansluitingen, reagerend op een signaal dat op een derde aansluiting wordt toegepast. Daarom dient het als versterker, schakelaar, oscillator of gelijkrichterVan een luidspreker voor thuisgebruik tot een medische scanner. Laten we het stap voor stap bekijken.

Wat is een transistor?

Het woord transistor komt van de Engelse uitdrukking overdrachtsweerstand ("overdrachtsweerstand"). In de praktijk is het een halfgeleidercomponent met minstens drie aansluitingen In staat om meer of minder stroom tussen twee kanalen door te laten, afhankelijk van wat er in het derde kanaal gebeurt. Deze controle over de stroom of geleiding van het kanaal maakt het mogelijk om zwakke signalen te versterken of om als een zeer snelle schakelaar te fungeren.

In zijn klassieke vorm heeft de bipolaire junctietransistor (BJT) emitter, basis en collectorEen kleine stroom die door de basis gaat, regelt een veel grotere stroom tussen de emitter en de collector. In het geval van veldeffecttransistoren (FET's) wordt de regeling bereikt door spanning op de gate aan te leggen, waardoor de geleiding van een kanaal tussen de source en de drain wordt gemoduleerd met een zeer hoge ingangsimpedantie.

Ze worden meestal vervaardigd in siliciumhoewel ze ook bestaan ​​in germanium, galliumarsenide (GaAs) of silicium-germaniumlegeringen, massaal ingebed in geïntegreerde schakelingen (microchips) of verpakt als afzonderlijke onderdelen. Hun inkapseling is meestal luchtdicht, met een behuizing van kunststof of metaal en drie pinnen, en is het actieve basiselement van bijna alle huidige elektronica.

Een beetje essentiële geschiedenis

De droom om stromen in solid-state-apparaten te beheersen, bestond al vóór de industriële realisatie ervan. In 1925 registreerde Julius Edgar Lilienfeld patenten in Canada en later in de VS voor apparaten die de FET vooruitliepen, maar Er was sprake van een gebrek aan kwaliteit in de halfgeleidermaterialen om ze in de praktijk te brengen. In 1934 patenteerde Oskar Heil iets soortgelijks in Europa, en experimenten met kristallen namen toe. Toch duurde het tot 1947 voordat John Bardeen en Walter Brattain van Bell Laboratories ontdekten signaalversterking met twee gouden punten op een germaniumkristal.

In de daaropvolgende maanden verdiepte William Shockley zich verder in de halfgeleiderfysica en zou hij het volgende voorstellen: bipolaire junctietransistorDe eerste patentaanvraag voor de transistor werd ingediend in 1948. In datzelfde jaar ontwikkelden Herbert Mataré en Heinrich Welker in Frankrijk onafhankelijk van elkaar de "transistron" voor het telefoonnetwerk. Kort daarna, in 1953, presenteerde Philco de eerste hoogfrequente transistor (tot 60 MHz) en in 1954 was de eerste transistor een feit. silicium besturingssysteem bij Bell (Morris Tanenbaum) en het eerste commerciële model bij Texas Instruments (Gordon Teal).

De volgende grote revolutie was de MOSFETGebouwd in 1960 door Dawon Kahng en Martin Atalla, was het cruciaal voor de integratie van miljoenen transistors per vierkante centimeter. Ter erkenning van deze mijlpaal, Shockley, Bardeen en Brattain ontvingen de Nobelprijs voor de natuurkunde In 1956 ontving hij de Nobelprijs voor zijn onderzoek en de ontdekking van het transistoreffect. Sindsdien heeft de elektronica een explosieve groei doorgemaakt. tijdlijn van de computergeschiedenisVan draagbare radio's tot computers, inclusief telecommunicatie en geneeskunde.

Structuur, signalen en hoe een BJT werkt

Een BJT bestaat uit drie gedoteerde regio's die twee PN-overgangenemitter, basis en collector. Ze zijn uitgevoerd als NPN of PNP (de middelste letter geeft het type basis aan) en de doping van elke zone wordt zorgvuldig gecontroleerd: normaal gesproken is de emitter zwaarder gedoteerd dan de collector. Tijdens bedrijf is de collectorstroom ongeveer evenredig met de basisstroom volgens de parameter bèta (β) of stroomversterking.

Tussen de basis en de uitgever gedraagt ​​het zich als een voorwaarts voorgespannen diode, met typische spanning V_BE van 0,6-0,8 V in silicium en ~0,4 V in germanium. Deze diode maakt van de basis de regelaar die de stroom ladingsdragers van de emitter naar de collector opent of sluit. Conceptueel reguleert de basis een "aftakking" van elektronen of gaten, zodat een kleine stuurstroom beheert een grotere bij de uitgang.

Bedrijfsmodi: actief, afgesneden en verzadiging

De transistor kan werken als lineaire versterker en actieve regiowaar het een stroomsnelheid toelaat die evenredig is met de basisexcitatie. Als de basis niet voldoende excitatie ontvangt, gaat het apparaat in rechtbank en het leidt niet. Als de excitatie hoog is, bevindt het zich in verzadiging en laat de maximale stroomsterkte van het circuit toe. Deze veelzijdigheid maakt hem geschikt als snelle schakelaar of als versterker voor zwakke signalen.

NPN versus PNP in een notendop

In een NPN stromen elektronen doorgaans van collector naar emitter en het apparaat wordt geactiveerd door de basisstroom te verhogen met een positieve referentie; in een PNP is de praktische richting omgekeerd (emitter naar collector) en is de biaslogica complementair, waardoor symmetrische configuraties in vele analoge of schakelende trappen.

Soorten transistoren die u tegenkomt

Het gezin is groot, maar ze reageren allemaal op hetzelfde idee: controle over de elektriciteitsstroom. Dit zijn de meest voorkomende en enkele historische feiten die het weten waard zijn:

• Tijdig contactDe pionier (1947), met twee germaniumpunten. Moeilijk te vervaardigen, kwetsbaar en lawaaierig, maar hij toonde voor het eerst zijn nut. Tegenwoordig is hij een museumstuk.
• Bipolaire junctietransistor (BJT)De klassieke NPN/PNP-transistor op een enkel halfgeleiderkristal, gedoteerd met donorverontreinigingen (arseen, fosfor) of acceptorverontreinigingen (aluminium, indium, gallium). Het is een stroomgestuurd apparaat.
• Veldeffecttransistoren (FET's): JFET (junction gate PN), IGFET en MOSFET (deur geïsoleerd tegen roest). Ze zijn spanningsgestuurd, met een zeer hoge ingangsimpedantie; hoeksteen van grootschalige integratie.
• Fototransistoren: lichtgevoelig, waarbij de verlichting als basisstroom fungeert; perfect voor detectie op afstand door elektromagnetische straling.
• IGBT: geïsoleerde bipolaire poort, veel gebruikt in macht door de voordelen van BJT en MOSFET te combineren.
• Darlington-paarTwee geschakelde BJT's in hetzelfde pakket verhogen de wereldwijde winst.

Parameters en materialen die het verschil maken

Bij de keuze van een transistor is niet alleen het type van belang, maar ook de eigenschappen ervan. elektrische parameters: doorslagspanningen (collector-emitter, basis-emitter, collector-basis), maximaal vermogen, thermische dissipatie, werkfrequentieβ en interne dynamische weerstanden. In BJT's met een klein signaal varieert β doorgaans van 100 tot 300. De V_BE neemt af met de temperatuur met een snelheid van ongeveer -2,1 mV/°C gemaakt van silicium. Er zijn ook ontwerpen die sensoren of thermische compensatie bevatten.

Ook het materiaal is van belang: de germanium Het biedt een hogere mobiliteit dan silicium, maar de lekkage en de toegestane temperatuur zijn slechter; silicium Het staat bekend om zijn robuustheid en gemak van productie; de GaAs Het schijnt op hoge frequenties dankzij zijn elektronische mobiliteit. Apparaten zoals de volgende zijn gebaseerd op GaAs/AlGaAs: HEMT, met zeer weinig ruis en hoge snelheid, gebruikt in satellietontvangers rond 12 GHz en, met nitriden, in geavanceerde energietoepassingen.

Een andere nuttige manier om een ​​BJT te bekijken is via het model van Ebers-MollTwee diodes: één basis-emitter in doorlaatrichting en de andere basis-collector in sperrichting. Dit helpt te begrijpen waarom er een spanning ontstaat._BE typisch (0,6-0,8 V Si) en hoe het zich buiten het lineaire gebied gedraagt. In JFET's en MOSFET's is de gatespanning dominant: de JFET-GS heeft daardoor meer negatieve afknijpingen van het kanaal; in MOSFET's is de gatespanning Er wordt geen elektriciteit verbruikt. Idealiter regelt het DC-signaal de kanaalgeleiding tussen source en drain.

Meest gebruikte versterkerconfiguraties

Bij BJT's is het gebruikelijk om te denken in termen van drie klassieke topologieën. Elk optimaliseert een kwaliteit verschillend (spanning, stroom of impedantie) en daarom staan ​​ze nog steeds in alle boeken en projecten.

• gemeenschappelijke emitterSpannings- en stroomversterking, met fase-inversie; het is het werkpaard. Een emitterweerstand stabiliseert En als het met een condensator wordt overbrugd, wordt de AC-versterking hersteld.
• Gemeenschappelijke verzamelaar (emittervolger): spanningsversterking dichtbij 1, hoge ingangsimpedantie en lage output; ideaal als impedantieadapter.
• Gemeenschappelijke basis: huidige versterking, zonder fase-inversie en zeer lage ingangsimpedantieHet blinkt uit bij signaalbronnen met een lage impedantie, zoals dynamische microfoons in bepaalde opstellingen.

Een praktisch voorbeeld (gepolariseerde gemeenschappelijke emitter met deler)

Stel je voor dat je een podium ontwerpt met V_CC=20 V, ik_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V en β=100. Als je de emitterspanning instelt op ongeveer 1/10 V_CC (2 V), je krijgt R_E≈200 ΩDe daling van R_C zou V zijn_RC=V_CCV_CEV_E=10 V, met I_C=10 mA, dan R_C=1 kΩDe basis blijft op V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Als je de deler dimensioneert met een stroom die ongeveer tien keer zo groot is als de basisstroom, krijg je R₂≤ 2 kΩ en, in verhouding tot V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Voor een klein signaal is de dynamische weerstand van de interne emitter (r_e) bij 10 mA is ~26 mV/I≈2,6 Ω, wat een spanningsversterking ideale benadering A_v≈−R_C/r_e≈−385. Met een belasting van 5 kΩ op de collector bedraagt ​​de effectieve uitgangsimpedantie ongeveer 830 Ω en daalt de versterking tot ≈−319. impedantie gezien aan de basis es r_e·β≈260 Ω, en de totale ingangsweerstand, rekening houdend met een parallelle deler en basis, is ≈226 Ω. De koppel- en emittercondensatoren zijn zo gekozen dat hun reactantie gelijk is aan verwaarloosbaar in het werkgebied.

Dit voorbeeld vat het idee van samen belastinglijn en punt Q: je kiest een rustpunt (vaak V)_CE≈V_CC/2 zonder R_E) die symmetrische signaalafwijking mogelijk maakt. Van daaruit kunt u de versterking, impedantie en stabiliteit aanpassen aan de toepassing.

FET en MOSFET: spanningsregeling

Bij FET's is er geen basisstroom per se, maar eerder een poortspanning die de kanaalbreedte regelt. De basis-JFET begint met een staaf van N-type of P-type materiaal, met ohmse contacten aan de uiteinden (drain en source) en twee diffuse gebieden die de gate vormen. Naarmate de gatespanning negatiever wordt (in een N-type JFET), wordt het kanaal droes en het rijden stopt.

De MOSFET daarentegen isoleert de gate met een oxidediëlektricum en bereikt een enorme ingangsimpedantie. Dit, gecombineerd met het productieproces dat compatibel is met integratie, verklaart waarom het de beste is. chip koning modern en waarom het de generaties processoren: maakt de integratie van honderdduizenden tot miljarden onderling verbonden transistoren per vierkante centimeter in verschillende lagen mogelijk.

Praktische toepassingen: van dagelijks leven tot industrie

Het is onmogelijk om ze allemaal op te sommen, maar het is de moeite waard om de meest representatieve te onthouden. Zoals versterkersTransistors versterken signalen in radio's, televisies of audioapparatuur. Bijvoorbeeld... schakelaarsZe sturen geschakelde voedingen, motorcontrollers of verlichtingssystemen aan. oscillatorenZe genereren radiofrequentiesignalen voor communicatie. En natuurlijk vormen ze de basisbouwsteen van... geïntegreerde schakelingen op computers, smartphones en allerlei digitale apparaten.

Op professioneel vlak is hun rol cruciaal telecommunicatieMedische elektronica, industriële automatisering of robotica. Hun vermogen om... kleinere en efficiëntere circuits Het heeft de manier veranderd waarop producten worden ontworpen en geproduceerd, met apparatuur die draagbaarder, krachtiger en zuiniger is.

Voordelen ten opzichte van thermidionkleppen (en waarom ze soms nog steeds worden gebruikt)

Vóór de komst van de transistor waren het de vacuümbuizen die de dienst uitmaakten. Maar ze hadden hoge spanningen gevaarlijk, ze verbruikten veel energie, ze waren omvangrijk en zwaar (chassis en transformatoren), ze faalden meer Ze waren gevoelig voor oververhitting en bereikten de bedrijfstemperatuur pas na lange tijd vanwege de verhitting van de filamenten. Bovendien hadden ze last van microfonische effecten en werkten ze op hoge impedantiesTransistoren zorgden vanaf het begin voor een laag stroomverbruik, een lage spanning, compactheid, robuustheid en lagere kosten.

Een historisch feit illustreert het verschil: de ENIAC, een van de eerste digitale computers, woog meer dan 30 toneladas en verbruikten ongeveer 200 kW om ongeveer 18.000 buizen van stroom te voorzien, met dagelijkse storingen. Desondanks overleefden buizen in specifieke niches: sommige krachtige radio- of audioversterkers (dankzij hun hoge lineariteit en het karakter van de harmonischen), geharde apparatuur tegen elektromagnetische impulsen en toepassingen met extreem vermogen. In de loop der tijd heeft de solid-state elektronica ook veel van die grenzen veroverd.

Constructiekenmerken en details

In de regel is een discrete transistor een verzegeld halfgeleiderapparaat met drie zichtbare aansluitingen. Kan in fasen worden geconfigureerd en functioneert als versterker, schakelaar, oscillator of gelijkrichterSilicium heeft in veel ontwerpen de voorkeur vanwege zijn thermische en lekkage-eigenschappen, maar er zijn ook germaniumfamilies en -verbindingen voor specifieke taken, zoals magnetron of zeer hoge snelheid.

Bij BJT's neemt de voorwaartse overgangsspanning af naarmate de temperatuur stijgt en kunnen de lekstromen toenemen, dus warmteafvoer En de keuze van het maximale vermogen is cruciaal. Bij vermogens-FET's kan het productieproces... parasitaire diodes (zoals de Schottky tussen source en drain), iets om in gedachten te houden bij het ontwerpen van het circuit.

Snelle vergelijking van materialen

Als je je afvraagt ​​waarom sommige materialen sneller zijn dan andere, denk dan eens aan de mobiliteit van elektronen en gaten. Ge heeft een hoge mobiliteit, maar een slechtere maximumtemperatuur, grotere lekkage en een lagere tolerantie voor hoge spanningenSilicium biedt een uitstekende balans en typische junctietemperaturen van 150-200 °C; GaAs legt de lat hoger bij hoge frequenties, hoewel het productieproces veeleisender is. Daarom zijn ze allebei superieur in hun respectievelijke segment.

Digitaal gebruik: van de perfecte overstap naar logica

Bij digitaal schakelen werkt een transistor door af te wisselen tussen knippen en verzadigenwaar het zich idealiter gedraagt ​​als een open of gesloten circuit. Deze veranderingssnelheid en het lage stroomverbruik maken logische poorten en de binair systeemen op hun beurt de CPU's en geheugens. Met MOSFET's en CMOS-technologie is het statische stroomverbruik extreem laag omdat de gate rijdt niet in DC en wordt alleen verbruikt tijdens overgangen.

Praktische voordelen bij installaties en apparaten

Voor dagelijks gebruik zijn transistors essentieel. verkleinde grootte (apparatuur die gemakkelijker te vervoeren en te integreren is), Lange levensduur (minder onderhoud), snelheid (sleutel in processoren en communicatie), lage kosten (verlaagt de systeemkosten) en energie-efficiëntie (lagere verliezen). In een huis telt alles mee: van stabiele, gereguleerde bronnen tot automatisering en besparingen.

Veelgestelde vragen die beantwoord moeten worden

Wordt een transistor alleen gebruikt voor versterking? Nee. Het is ook een schakelaar ultra-stil en ultra-snel, een logische schakeling, een lichtdetector (fototransistor) of onderdeel van een oscillatorHet grootste voordeel is de veelzijdigheid.

In welke sectoren is het tegenwoordig cruciaal? Vrijwel allemaal: telecommunicatie en netwerkenMedische apparatuur, automobielindustrie, energie, productie en consumentenelektronica. De combinatie van kracht, miniaturisatie en controle heeft zijn impact vermenigvuldigd.

Waarom praten sommige mensen over "aan/uit"? Het is een informele manier om te verwijzen naar toestanden van afsnijden en geleiding (zowel actief als verzadigd). In de praktijk zijn dit de logische posities die het mogelijk maken in- of uitschakelen het doorstromen van stroom.

Ruim zeventig jaar na zijn geboorte is de transistor nog steeds het hart van de elektronica: Van het eerste contactpunt met germanium tot MOSFET's De nieuwste generatie kan duizenden mijlpalen aan, maar het basisidee is niet veranderd: nauwkeurig regelen hoe elektriciteit stroomt om sterkere, schonere signalen of betrouwbare logica te creëren in steeds kleinere ruimtes.

Gerelateerd artikel:

Wat zijn digitale systemen: een essentiële introductie tot het begrijpen van technologie