Hva er en transistor og hva brukes den til: typer, historie og bruksområder

Digital informasjon » Ressurser » Hva er en transistor og hva brukes den til: typer, historie og bruksområder

Hvis du har en mobiltelefon i lommen i dag, lytter til musikk på et kompakt stereoanlegg eller kobler deg til internett fra en ultratynn datamaskin , er det takket være en liten, men mektig oppfinnelse: transistoren. Siden fremveksten på slutten av 40-tallet har denne halvlederkomponenten drevet miniatyriseringen og kraften til moderne elektronikk. I denne artikkelen skal vi forklare i detalj hva en transistor er og hva den brukes til , hvordan den fungerer internt, de forskjellige typene som er tilgjengelige, hvilke parametere som virkelig betyr noe, og hvorfor historien markerte et vendepunkt innen teknologi.

Selv om den grunnleggende definisjonen kan oppsummeres i én setning, er omfanget enormt: en transistor styrer eller modifiserer strømflyten mellom to terminaler som respons på et signal som påføres en tredje terminal. Dette er grunnen til at den fungerer som en forsterker , bryter , oscillator eller til og med likeretter , i applikasjoner som spenner fra en hjemmehøyttaler til en medisinsk skanner. La oss ta det steg for steg.

Hva er en transistor?

Ordet transistor kommer fra det engelske uttrykket «transfer resistor ». I praksis er det en halvlederkomponent med minst tre terminaler som er i stand til å tillate mer eller mindre strøm å flyte mellom to av dem, avhengig av hva som skjer ved den tredje. Denne kontrollen over strømmen eller konduktansen til kanalen er det som gjør at den kan forsterke svake signaler eller fungere som en veldig rask bryter.

I sin klassiske form har den bipolare overgangstransistoren (BJT) en emitter, base og kollektor . En liten strøm som går inn gjennom basen styrer en mye større strøm mellom emitteren og kollektoren. Når det gjelder felteffekttransistorer (FET-er), oppnås kontroll ved å påføre spenning på gaten, og modulere konduktansen til en kanal mellom kilden og dren med en veldig høy inngangsimpedans.

De er for det meste produsert av silisium , selv om de også finnes i germanium-, galliumarsenid- (GaAs) eller silisium-germanium-legeringer, massivt innebygd i integrerte kretser (mikrobrikker) eller pakket som separate komponenter. Emballasjen deres er vanligvis hermetisk forseglet , med et plast- eller metallhus og tre pinner, og de er det grunnleggende aktive elementet i nesten all moderne elektronikk.

Litt viktig historie

Drømmen om å kontrollere strømmer i faststoffkretser går forut for den industrielle realiseringen. I 1925 registrerte Julius Edgar Lilienfeld patenter i Canada og senere i USA for enheter som forutså FET, men halvledermaterialene manglet den nødvendige kvaliteten for praktisk anvendelse. I 1934 patenterte Oskar Heil noe lignende i Europa, og eksperimenter med krystaller spredte seg. Likevel var det ikke før i 1947 at John Bardeen og Walter Brattain, ved Bell Laboratories, observerte signalforsterkning med to gullspisser på en germaniumkrystall.

I de påfølgende månedene fordypet William Shockley seg dypere i halvlederfysikk og foreslo den bipolare overgangstransistoren , som den første patentsøknaden ble innlevert for i 1948. Samme år utviklet Herbert Mataré og Heinrich Welker uavhengig av hverandre "transistronen" for telefonnettet i Frankrike. Kort tid etter, i 1953, presenterte Philco den første høyfrekvente transistoren (opptil 60 MHz), og i 1954 ble den første operative silisiumtransistoren oppnådd hos Bell Labs (Morris Tanenbaum), med den første kommersielle modellen produsert hos Texas Instruments (Gordon Teal).

Den neste store revolusjonen var MOSFET-en , bygget i 1960 av Dawon Kahng og Martin Atalla, som var nøkkelen til å integrere millioner av transistorer per kvadratcentimeter. Som en anerkjennelse av denne milepælen mottok Shockley, Bardeen og Brattain Nobelprisen i fysikk i 1956 for sin forskning og oppdagelsen av transistoreffekten. Siden den gang har elektronikk opplevd en eksplosjon i datahistoriens tidslinje : fra bærbare radioer til datamaskiner, og omfattende telekommunikasjon og medisin.

Struktur, signaler og hvordan en BJT fungerer

En BJT består av tre dopede områder som danner to PN-overganger : emitter, base og kollektor. De er konstruert som NPN eller PNP (den midterste bokstaven indikerer basetypen), og dopingen av hvert område kontrolleres nøye: vanligvis er emitteren kraftigere dopet enn kollektoren. I drift er kollektorstrømmen omtrent proporsjonal med basestrømmen, bestemt av beta (β)-parameteren , eller strømforsterkning.

Mellom basen og emitteren oppfører den seg som en foroverforspent diode , med en typisk V _{_BE} -spenning på 0,6–0,8 V i silisium og ~0,4 V i germanium. Denne dioden gjør basen til kontrollen som åpner eller lukker strømmen av ladningsbærere fra emitteren til kollektoren. Konseptuelt regulerer basen et "trykk" av elektroner eller hull, slik at en liten kontrollstrøm styrer en større strøm ved utgangen.

Driftsmoduser: aktiv, avskåret og metning

Transistoren kan fungere som en lineær forsterker i det aktive området , hvor den tillater strøm å flyte proporsjonalt med baseeksitasjonen. Hvis basen ikke mottar tilstrekkelig eksitasjon, kutter enheten av og leder ikke. Hvis eksitasjonen er høy, mettes den og tillater den maksimale strømmen som kretsen tillater. Denne allsidigheten gjør den egnet som en hurtigbryter eller en svaksignalforsterker.

NPN vs PNP i et nøtteskall

I en NPN-transistor flyter elektroner vanligvis fra kollektoren til emitteren , og enheten aktiveres ved å øke basisstrømmen med en positiv referanse; i en PNP-transistor reverseres den praktiske retningen (emitter til kollektor), og forspenningslogikken er komplementær, noe som muliggjør symmetriske konfigurasjoner i mange analoge eller koblingstrinn.

Typer transistorer du vil støte på

Familien er bred, men de deler alle det samme grunnleggende prinsippet for å kontrollere elektrisk strøm. Dette er de vanligste , sammen med noen historiske eksempler som er verdt å vite om:

• Rettidig kontaktPioneer-modellen (1947), med to germaniumspisser. Vanskelig å produsere, skjør og støyende, men den demonstrerte fordelen for første gang. I dag er den et museumsgjenstand.
• Bipolar junction transistor (BJT)Den klassiske NPN/PNP-transistoren på en enkelt halvlederkrystall, dopet med donorurenheter (arsen, fosfor) eller akseptorurenheter (aluminium, indium, gallium). Det er en strømstyrt enhet.
• Felteffekttransistorer (FET-er)JFET (kryssgate PN), IGFET og MOSFET (døren er isolert av rust). De er spenningsstyrt, med svært høy inngangsimpedans; hjørnesteinen i storskala integrasjon.
• Fototransistorerlysfølsom, der belysning fungerer som en basestrøm; perfekt for fjerndeteksjon ved elektromagnetisk stråling.
• IGBT: isolert port bipolar, mye brukt i makt ved å kombinere fordelene med BJT og MOSFET.
• Darlington-paretTo kaskaderte BJT-er i samme pakke øker betraktelig global gevinst.

Parametere og materialer som utgjør forskjellen

Når du velger en transistor, er ikke typen den eneste viktige faktoren; dens elektriske parametere er også avgjørende : gjennomslagsspenninger (kollektor-emitter, base-emitter, kollektor-base), maksimal effekt, varmespredning, driftsfrekvens , β (transform-emitter β) og interne dynamiske motstander. I BJT-er med små signaler varierer β vanligvis fra 100 til 300. VBE _(transform- emitterspenning) avtar med temperaturen til omtrent −2,1 mV/°C i silisium, så noen design inkluderer termiske sensorer eller kompensasjonsmekanismer.

Materialet spiller også en rolle: germanium tilbyr høyere mobilitet enn silisium, men lekkasje og tillatt temperatur er dårligere; silisium dominerer på grunn av robusthet og enkel produksjon; GaAs skinner ved høye frekvenser takket være elektronisk mobilitet. Enheter som HEMT-er , med ekstremt lav støy og høy hastighet, er bygget på GaAs/AlGaAs og brukes i satellittmottakere rundt 12 GHz og, med nitrider, i neste generasjons kraftapplikasjoner.

En annen nyttig måte å visualisere en BJT på er Ebers-Moll -modellen : to dioder, en foroverspent base-emitter og en reversspent base-kollektor. Dette bidrar til å forstå hvorfor en typisk VBE (0,6–0,8 V Si) vises _og hvordan den oppfører seg utenfor det lineære området. I JFET-er og MOSFET-er er gatespenningen dominerende: noe som gjør gaten mer negativ i en JFET – GS klemmer av kanalen; i MOSFET-er trekker gaten ideelt sett ikke likestrøm, og signalet kontrollerer kanalens konduktans mellom kilde og drain.

De vanligste forsterkerkonfigurasjonene

Med BJT-er er det vanlig å tenke i form av tre klassiske topologier. Hver av dem optimaliserer en annen kvalitet (spenning, strøm eller impedans), og det er derfor de fortsatt finnes i alle bøker og prosjekter.

• felles emitterSpennings- og strømforsterkning, med faseinversjon; det er arbeidshesten. En emittermotstand stabiliserer seg Og hvis den er brokoblet med en kondensator, gjenoppretter den AC-forsterkningen.
• Vanlig samler (emitterfølger): spenningsforsterkning nær 1, høy inngangsimpedans og lav utgang; ideell som impedansadapter.
• Felles basestrømforsterkning, uten faseinversjon og svært lav inngangsimpedansDen skinner med lavimpedanssignalkilder, som dynamiske mikrofoner i visse oppsett.

Et praktisk eksempel (polarisert felles emitter med deler)

Tenk deg at du designer en scene med V_CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V og β=100. Hvis du setter emitterspenningen til rundt 1/10 av V_CC (2 V), får du R_E≈200 ΩFallet i R_C ville være V_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, med I_C= 10 mA, deretter R_C=1 kΩBasen forblir på V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Hvis du dimensjonerer deleren med en strøm omtrent ti ganger basisstrømmen, får du R₂≤ 2 kΩ og, i forhold til V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

For små signaler er den dynamiske motstanden til den interne emitteren (r _{_e}) ved 10 mA ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, noe som gir en omtrentlig ideell spenningsforsterkning A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Med en belastning på 5 kΩ på kollektoren er den effektive utgangsimpedansen rundt 830 Ω, og forsterkningen synker til ≈ −319. Impedansen sett ved basen er r _{_e} · β ≈ 260 Ω, og den totale inngangsimpedansen, tatt i betraktning deleren og basen parallelt, er ≈ 226 Ω. Koblings- og emitterkondensatorene er valgt slik at reaktansen deres er ubetydelig i driftsbåndet.

Dette eksemplet oppsummerer konseptet med lastlinje og Q-punkt : du velger et hvilepunkt (ofte VCE _≈VCC / 2 uten RE ₎ som tillater symmetrisk signalutsving. Derfra justerer du forsterkning, impedans og stabilitet i henhold til applikasjonen_.

FET og MOSFET: spenningskontroll

I FET-er er det ingen basisstrøm i seg selv, men snarere en gatespenning som styrer kanalbredden. Den grunnleggende JFET-en består av en stang av N-type eller P-type materiale, med ohmske kontakter i endene (drain og source) og to diffuse områder som danner gaten. Etter hvert som gatespenningen blir mer negativ (i en N-type JFET), smalner kanalen og ledningen opphører.

MOSFET-en, derimot, isolerer gaten med et oksiddielektrikum og oppnår enorm inngangsimpedans. Dette, kombinert med produksjonsprosessen som er kompatibel med integrasjon, forklarer hvorfor den er kongen av den moderne brikken og hvorfor den drev generasjoner av prosessorer : den tillater integrering av hundretusenvis til milliarder av sammenkoblede transistorer per kvadratcentimeter i flere lag.

Praktiske anvendelser: fra hverdagen til industrien

Det er umulig å liste opp alle, men det er verdt å huske de mest representative. Som forsterkere forsterker transistorer signaler i radioer, TV-er og lydutstyr. Som brytere styrer de strømforsyninger med svitsjet modus, motorstyringer og lyssystemer. I oscillatorer genererer de radiofrekvenssignaler for kommunikasjon. Og selvfølgelig er de den grunnleggende byggesteinen i integrerte kretser i datamaskiner, smarttelefoner og alle slags digitale enheter.

I den profesjonelle sfæren er deres rolle avgjørende innen telekommunikasjon , medisinsk elektronikk, industriell automatisering og robotikk. Deres evne til å lage mindre, mer effektive kretser har forvandlet produktdesign og produksjon, noe som resulterer i mer bærbart, kraftig og energieffektivt utstyr.

Fordeler fremfor termidionventiler (og hvorfor de fortsatt noen ganger brukes)

Før transistorer var vakuumrør det viktigste. Men de krevde farlig høye spenninger , forbrukte mye energi, var store og tunge (chassis og transformatorer), var mer utsatt for feil på grunn av overoppheting, og det tok lang tid å nå driftstemperatur på grunn av oppvarming av glødetråden. Dessuten led de av mikrofoniske effekter og opererte med høye impedanser . Transistorer ga lavt strømforbruk, lav spenning, kompakthet, robusthet og lavere kostnader fra starten av.

Et historisk faktum illustrerer forskjellen: ENIAC, en av de første digitale datamaskinene, veide over 30 tonn og forbrukte omtrent 200 kW for å drive omtrent 18 000 vakuumrør, med daglige havarier. Likevel overlevde vakuumrør i spesifikke nisjer: noen høyeffekts radio- eller lydforsterkere (på grunn av deres høye linearitet og karakteren til deres harmoniske svingninger), utstyr herdet mot elektromagnetiske pulser og ekstreme strømforbruksapplikasjoner. Over tid erobret også faststoffelektronikk mange av disse grensene.

Konstruksjonsfunksjoner og detaljer

Som en generell regel er en diskret transistor en forseglet halvlederenhet med tre synlige terminaler. Den kan konfigureres i trinn for å fungere som en forsterker, bryter, oscillator eller likeretter . Silisium er foretrukket i mange design på grunn av sine termiske egenskaper og lekkasjeegenskaper, men det finnes også germanium- og sammensatte transistorfamilier for spesifikke oppgaver, for eksempel mikrobølgeovn eller svært høyhastighetsapplikasjoner.

I BJT-er, når temperaturen øker, synker foroverkoblingsspenningen og lekkasjestrømmene kan øke, så varmespredning og valg av maksimal effektvurdering er avgjørende. I effekt-FET-er kan produksjonsprosessen lage parasittiske dioder (som Schottky-dioden mellom kilde og dren), noe å vurdere i kretsdesignet.

Rask sammenligning av materialer

Hvis du lurer på hvorfor noen materialer er raskere enn andre, bør du vurdere elektron- og hullmobilitet . Ge har høy mobilitet, men lavere maksimumstemperatur, større lekkasje og lavere toleranse for høye spenninger ; Si tilbyr en utmerket balanse og typiske koblingstemperaturer på 150–200 °C; GaAs hever standarden ved høye frekvenser, selv om fabrikasjonen er mer krevende. Det er derfor hver av dem er suveren i sitt respektive segment.

Digital bruk: fra den perfekte bryteren til logikk

I digital svitsjing fungerer en transistor ved å veksle mellom cutoff og metning , hvor den ideelt sett oppfører seg som en åpen eller lukket krets. Denne svitsjehastigheten og det lave strømforbruket gjør logiske porter og det binære systemet mulig , og i kaskade, CPUer og minner. Med MOSFET-er og CMOS-teknologi er det statiske strømforbruket ekstremt lavt fordi porten ikke leder i likestrøm og strøm bare forbrukes under overganger.

Praktiske fordeler i installasjoner og enheter

For daglig bruk tilbyr transistorer liten størrelse (noe som gjør utstyr enklere å transportere og integrere), lang levetid (krever mindre vedlikehold), hastighet (nøkkelen til prosessorer og kommunikasjon), lave kostnader (reduserer systemkostnader) og energieffektivitet (minimale tap). I et hjem drar hver minste liten krone: fra stabile, regulerte strømforsyninger til automatisering og energibesparelser.

Ofte stilte spørsmål som bør besvares

Brukes en transistor bare til forsterkning? Nei. Den er også en ultrastille og ultrarask bryter , en byggestein i logiske kretser, en lysdetektor (fototransistor) eller en del av en oscillator . Dens allsidighet er dens største fordel.

I hvilke bransjer er det kritisk i dag? Så å si alle: telekommunikasjon og nettverk , medisinsk utstyr, bilindustri, energi, produksjon og forbrukerelektronikk. Kombinasjonen av kraft, miniatyrisering og kontroll har mangedoblet effekten.

Hvorfor snakker noen om «på/av»? Det er en dagligdags måte å referere til tilstander der man er avskåret (av) og ledende (enten aktiv eller mettet). I praksis er dette de logiske posisjonene som gjør at strømmen kan slås av eller på .

Over sytti år etter at den ble født, er transistoren fortsatt hjertet i elektronikken: fra den første punktkontakten på germanium til den nyeste generasjonen MOSFET-er har det vært tusenvis av milepæler, men hovedideen har ikke endret seg: å presist kontrollere hvordan elektrisitet flyter for å skape sterkere, renere signaler eller pålitelig logikk i stadig mindre rom.

Relatert artikkel:

Hva er digitale systemer: En viktig introduksjon til å forstå teknologi