Czym jest tranzystor i do czego służy: rodzaje, historia i zastosowania

Informatec Digital » Zasoby » Czym jest tranzystor i do czego służy: rodzaje, historia i zastosowania

Jeśli dziś nosisz telefon komórkowy w kieszeni, słuchasz muzyki na kompaktowym systemie stereo lub łączysz się z internetem za pomocą ultracienkiego komputera , to wszystko dzięki niewielkiemu, ale potężnemu wynalazkowi: tranzystorowi. Od momentu pojawienia się pod koniec lat 40. XX wieku, ten element półprzewodnikowy napędzał miniaturyzację i potęgę współczesnej elektroniki. W tym artykule szczegółowo wyjaśnimy, czym jest tranzystor i do czego służy , jak działa wewnętrznie, jakie są dostępne typy, jakie parametry są naprawdę istotne i dlaczego jego historia stanowiła punkt zwrotny w technologii.

Choć jego podstawową definicję można streścić w jednym zdaniu, jego zakres jest ogromny: tranzystor steruje lub modyfikuje przepływ prądu między dwoma zaciskami w odpowiedzi na sygnał przyłożony do trzeciego zacisku. Dlatego służy jako wzmacniacz , przełącznik , oscylator , a nawet prostownik , w zastosowaniach od głośników domowych po skaner medyczny. Przyjrzyjmy się temu krok po kroku.

Co to jest tranzystor?

Słowo tranzystor pochodzi od angielskiego wyrażenia „transfer resister” (rezystor transferowy ). W praktyce jest to element półprzewodnikowy z co najmniej trzema zaciskami, które umożliwiają przepływ większego lub mniejszego prądu między dowolnymi dwoma z nich, w zależności od tego, co dzieje się na trzecim. Ta kontrola prądu lub przewodnictwa kanału pozwala mu wzmacniać słabe sygnały lub działać jako bardzo szybki przełącznik.

W swojej klasycznej formie tranzystor bipolarny (BJT) składa się z emitera, bazy i kolektora . Niewielki prąd wpływający przez bazę steruje znacznie większym prądem między emiterem a kolektorem. W przypadku tranzystorów polowych (FET) sterowanie odbywa się poprzez podanie napięcia na bramkę, modulując przewodnictwo kanału między źródłem a drenem, charakteryzującego się bardzo wysoką impedancją wejściową.

Są one wytwarzane głównie z krzemu , choć występują również w postaci germanu, arsenku galu (GaAs) lub stopów krzemu z germanem, masowo osadzane w układach scalonych (mikrochipach) lub w postaci elementów dyskretnych. Ich obudowy są zazwyczaj hermetycznie zamknięte , z plastikową lub metalową obudową i trzema pinami, i stanowią podstawowy element aktywny niemal wszystkich współczesnych urządzeń elektronicznych.

Trochę istotnej historii

Marzenie o kontrolowaniu prądów w obwodach półprzewodnikowych istniało jeszcze przed jego przemysłową realizacją. W 1925 roku Julius Edgar Lilienfeld zarejestrował patenty w Kanadzie, a później w Stanach Zjednoczonych, na urządzenia, które zapowiadały tranzystory polowe (FET), ale materiały półprzewodnikowe nie posiadały wymaganej jakości , umożliwiającej ich praktyczne zastosowanie. W 1934 roku Oskar Heil opatentował podobne rozwiązanie w Europie, co spowodowało rozpowszechnienie się eksperymentów z kryształami. Mimo to, dopiero w 1947 roku John Bardeen i Walter Brattain z Bell Laboratories zaobserwowali wzmocnienie sygnału za pomocą dwóch złotych końcówek umieszczonych na krysztale germanowym.

W kolejnych miesiącach William Shockley zgłębiał fizykę półprzewodników i zaproponował tranzystor bipolarny , dla którego złożono pierwszy wniosek patentowy w 1948 roku. W tym samym roku, we Francji, Herbert Mataré i Heinrich Welker niezależnie opracowali „tranzystor” dla sieci telefonicznej. Wkrótce potem, w 1953 roku, firma Philco zaprezentowała pierwszy tranzystor wysokiej częstotliwości (do 60 MHz), a w 1954 roku w Bell Labs (Morris Tanenbaum) powstał pierwszy działający tranzystor krzemowy , a pierwszy model komercyjny wyprodukowano w Texas Instruments (Gordon Teal).

Kolejną wielką rewolucją był tranzystor MOSFET , zbudowany w 1960 roku przez Dawona Kahnga i Martina Atallę, który odegrał kluczową rolę w integracji milionów tranzystorów na centymetr kwadratowy. W uznaniu tego osiągnięcia, Shockley, Bardeen i Brattain otrzymali w 1956 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za swoje badania i odkrycie efektu tranzystorowego. Od tego czasu elektronika przeżyła gwałtowny rozwój w historii komputerów : od przenośnych radioodbiorników po komputery, obejmując telekomunikację i medycynę.

Struktura, sygnały i sposób działania tranzystora BJT

Tranzystor BJT składa się z trzech domieszkowanych obszarów, które tworzą dwa złącza PN : emiter, baza i kolektor. Są one zbudowane jako NPN lub PNP (środkowa litera wskazuje typ bazy), a domieszkowanie każdego obszaru jest starannie kontrolowane: zazwyczaj emiter jest silniej domieszkowany niż kolektor. Podczas pracy prąd kolektora jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy, określanego przez parametr beta (β) , czyli wzmocnienie prądowe.

Pomiędzy bazą a emiterem zachowuje się jak dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia , z typowym napięciem V _{_BE} wynoszącym 0,6–0,8 V w krzemie i ~0,4 V w germanie. Ta dioda sprawia, że ​​baza jest elementem sterującym, który otwiera lub zamyka przepływ nośników ładunku z emitera do kolektora. Koncepcyjnie, baza reguluje „odczep” elektronów lub dziur, tak aby mały prąd sterujący zarządzał większym na wyjściu.

Tryby pracy: aktywny, odcięty i nasycony

Tranzystor może działać jako wzmacniacz liniowy w obszarze aktywnym , gdzie pozwala na przepływ prądu proporcjonalnego do wzbudzenia bazy. Jeśli baza nie otrzyma wystarczającego wzbudzenia, tranzystor wyłącza się i nie przewodzi. Przy wysokim wzbudzeniu, tranzystor przechodzi w stan nasycenia i przepuszcza maksymalny prąd dozwolony przez obwód. Ta wszechstronność sprawia, że ​​nadaje się on jako szybki przełącznik lub wzmacniacz sygnału słabego.

NPN kontra PNP w pigułce

W tranzystorze NPN elektrony zazwyczaj płyną z kolektora do emitera , a urządzenie jest aktywowane przez zwiększenie prądu bazy przy dodatnim odniesieniu; w tranzystorze PNP praktyczny kierunek jest odwrotny (emiter do kolektora), a logika polaryzacji jest komplementarna, co umożliwia symetryczne konfiguracje w wielu stopniach analogowych lub przełączających.

Rodzaje tranzystorów, z którymi się spotkasz

Rodzina jest szeroka, ale wszystkie opierają się na tej samej podstawowej zasadzie sterowania przepływem prądu. Oto najpopularniejsze z nich , wraz z kilkoma historycznymi przykładami, o których warto wiedzieć:

• Właściwy kontaktPionierka (1947) z dwiema końcówkami germanowymi. Trudna w produkcji, krucha i hałaśliwa, ale po raz pierwszy zademonstrowała wzmocnienie. Dziś jest eksponatem muzealnym.
• Tranzystor bipolarny (BJT)Klasyczny tranzystor NPN/PNP na pojedynczym krysztale półprzewodnikowym, domieszkowanym domieszkami donorowymi (arsen, fosfor) lub akceptorowymi (aluminium, ind, gal). Jest to urządzenie sterowane prądem.
• Tranzystory polowe (FET): JFET (z bramką PN), IGFET i MOSFET (drzwi ocieplone rdzą). Są sterowane napięciem, o bardzo wysokiej impedancji wejściowej; podstawa integracji na dużą skalę.
• Fototranzystory: światłoczuły, w którym oświetlenie działa jako prąd bazowy; idealny do zdalne wykrywanie przez promieniowanie elektromagnetyczne.
• IGBT: bramka izolowana dwubiegunowa, szeroko stosowana w moc łącząc zalety BJT i ​​MOSFET-u.
• Para DarlingtonówDwa kaskadowe tranzystory BJT w tym samym pakiecie znacznie zwiększają globalny zysk.

Parametry i materiały, które robią różnicę

Przy wyborze tranzystora, jego typ nie jest jedynym istotnym czynnikiem; kluczowe są również jego parametry elektryczne : napięcia przebicia (kolektor-emiter, baza-emiter, kolektor-baza), moc maksymalna, rozpraszanie ciepła, częstotliwość pracy , β (transformator-emiter β) oraz wewnętrzna rezystancja dynamiczna. W tranzystorach BJT małej mocy, β zazwyczaj mieści się w zakresie od 100 do 300. Napięcie VBE _{(transformator-} emiter) maleje wraz z temperaturą, osiągając w krzemie około −2,1 mV/°C , dlatego niektóre konstrukcje zawierają czujniki termiczne lub mechanizmy kompensacji.

Materiał również ma znaczenie: german oferuje wyższą ruchliwość niż krzem, ale jego wyciek i dopuszczalna temperatura są gorsze; krzem dominuje ze względu na swoją wytrzymałość i łatwość produkcji; GaAs wyróżnia się w wysokich częstotliwościach dzięki swojej mobilności elektronicznej. Urządzenia takie jak tranzystory HEMT , charakteryzujące się wyjątkowo niskim poziomem szumów i dużą szybkością, są zbudowane na bazie GaAs/AlGaAs i są stosowane w odbiornikach satelitarnych o częstotliwości około 12 GHz, a z azotkami – w aplikacjach energetycznych nowej generacji.

Innym użytecznym sposobem wizualizacji tranzystora bipolarnego (BJT) jest model Ebersa-Molla : dwie diody, jedna spolaryzowana w kierunku przewodzenia baza-emiter, a druga w kierunku zaporowym baza-kolektor. Pomaga to zrozumieć, dlaczego pojawia się typowe napięcie VBE (0,6-0,8 V Si) _i jak zachowuje się ono poza obszarem liniowym. W tranzystorach JFET i MOSFET dominujące jest napięcie bramki: zwiększenie ujemnego napięcia bramki w tranzystorze JFET-GS powoduje odcięcie kanału; w tranzystorach MOSFET bramka idealnie nie pobiera prądu stałego, a sygnał kontroluje przewodnictwo kanału między źródłem a drenem.

Najczęściej stosowane konfiguracje wzmacniaczy

W przypadku tranzystorów BJT często myśli się w kategoriach trzech klasycznych topologii. Każda z nich optymalizuje inną jakość (napięcie, prąd lub impedancję), dlatego wciąż można je znaleźć we wszystkich książkach i projektach.

• wspólny emiterWzmocnienie napięcia i prądu z odwróceniem fazy; to prawdziwy koń pociągowy. Rezystor emiterowy stabilizuje A jeśli zostanie połączony z kondensatorem, odzyskuje wzmocnienie prądu przemiennego.
• Wspólny kolektor (wtórnik emiterowy): wzmocnienie napięcia bliskie 1, wysoka impedancja wejściowa i niskim wyjściu; idealny jako adapter impedancji.
• Wspólna podstawa:wzmocnienie prądowe, bez odwrócenia fazy i bardzo niska impedancja wejściowaSprawdza się znakomicie w przypadku źródeł sygnału o niskiej impedancji, takich jak mikrofony dynamiczne w niektórych konfiguracjach.

Przykład praktyczny (spolaryzowany wspólny emiter z dzielnikiem)

Wyobraź sobie, że projektujesz scenę z V_CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V i β=100. Jeśli ustawisz napięcie emitera na około 1/10 V_CC (2 V), otrzymujesz R_E≈200 ΩSpadek R_C byłoby V_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, z I_C=10 mA, następnie R_C=1 kΩBaza pozostaje na V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Jeśli dopasujesz dzielnik do prądu około dziesięciokrotnie większego od prądu bazy, otrzymasz R₂≤ 2 kΩ i proporcjonalnie do V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Dla małych sygnałów, rezystancja dynamiczna wewnętrznego emitera (r _{_e}) przy 10 mA wynosi ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, co daje przybliżone idealne wzmocnienie napięciowe A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Przy obciążeniu kolektora 5 kΩ efektywna impedancja wyjściowa wynosi około 830 Ω, a wzmocnienie spada do ≈ −319. Impedancja widoczna na bazie wynosi r _{_e} · β ≈ 260 Ω, a całkowita impedancja wejściowa, biorąc pod uwagę dzielnik i bazę połączone równolegle, wynosi ≈ 226 Ω. Kondensatory sprzęgające i emiterowe są dobrane tak, aby ich reaktancja była pomijalna w paśmie roboczym.

Ten przykład podsumowuje koncepcję linii obciążenia i punktu Q : wybierasz punkt spoczynkowy (często VCE _{≈ VCC} / 2 bez RE ₎ , który umożliwia symetryczne odchylenie sygnału. Następnie dostosowujesz wzmocnienie, impedancję i stabilność do zastosowania_.

FET i MOSFET: sterowanie napięciem

W tranzystorach FET nie występuje sam prąd bazy, lecz napięcie bramki , które kontroluje szerokość kanału. Podstawowy tranzystor JFET składa się z pręta z materiału typu N lub P, ze stykami omowymi na końcach (dren i źródło) oraz dwoma obszarami dyfuzyjnymi, które tworzą bramkę. Wraz ze wzrostem ujemnego napięcia bramki (w tranzystorze JFET typu N), kanał zwęża się , a przewodzenie zanika.

Z kolei MOSFET izoluje bramkę dielektrykiem tlenkowym i osiąga ogromną impedancję wejściową. To, w połączeniu z procesem produkcyjnym zgodnym z technologią integracji, wyjaśnia, dlaczego jest on królem nowoczesnych układów scalonych i napędzał generacje procesorów : umożliwia integrację setek tysięcy, a nawet miliardów połączonych ze sobą tranzystorów na centymetr kwadratowy w wielu warstwach.

Zastosowania praktyczne: od życia codziennego do przemysłu

Wymienienie ich wszystkich jest niemożliwe, ale warto przypomnieć te najbardziej reprezentatywne. Jako wzmacniacze , tranzystory wzmacniają sygnały w odbiornikach radiowych, telewizorach i sprzęcie audio. Jako przełączniki sterują zasilaczami impulsowymi, sterownikami silników i systemami oświetleniowymi. W oscylatorach generują sygnały radiowe do komunikacji. Oczywiście są również podstawowym budulcem układów scalonych w komputerach, smartfonach i wszelkiego rodzaju urządzeniach cyfrowych.

W sferze profesjonalnej ich rola jest kluczowa w telekomunikacji , elektronice medycznej, automatyce przemysłowej i robotyce. Ich zdolność do tworzenia mniejszych, bardziej wydajnych obwodów zrewolucjonizowała projektowanie i produkcję produktów, czego efektem są bardziej przenośne, wydajne i energooszczędne urządzenia.

Zalety w porównaniu z lampami termidionowymi (i dlaczego nadal są czasami stosowane)

Przed pojawieniem się tranzystorów, królowały lampy próżniowe. Wymagały one jednak niebezpiecznie wysokich napięć , zużywały dużo energii, były nieporęczne i ciężkie (obudowa i transformatory), bardziej podatne na awarie z powodu przegrzania i długo osiągały temperaturę roboczą z powodu nagrzewania się żarnika. Ponadto, cierpiały na efekt mikrofonowania i pracowały z wysoką impedancją . Tranzystory od samego początku charakteryzowały się niskim poborem mocy, niskim napięciem, kompaktowością, wytrzymałością i niższymi kosztami.

Różnicę tę ilustruje pewien fakt historyczny: ENIAC, jeden z pierwszych komputerów cyfrowych, ważył ponad 30 ton i zużywał około 200 kW mocy, zasilając około 18 000 lamp próżniowych, a awarie zdarzały się codziennie. Mimo to lampy próżniowe przetrwały w określonych niszach: w niektórych wzmacniaczach radiowych lub audio dużej mocy (ze względu na wysoką liniowość i charakter harmonicznych), w urządzeniach odpornych na impulsy elektromagnetyczne oraz w zastosowaniach wymagających ekstremalnej mocy. Z czasem elektronika półprzewodnikowa również podbiła wiele z tych obszarów.

Cechy i szczegóły konstrukcyjne

Zasadniczo tranzystor dyskretny to uszczelniony element półprzewodnikowy z trzema widocznymi zaciskami. Można go konfigurować etapami, aby pełnić funkcję wzmacniacza, przełącznika, oscylatora lub prostownika . W wielu projektach preferowany jest krzem ze względu na jego właściwości termiczne i odporność na upływ, ale istnieją również rodziny tranzystorów germanowych i kompozytowych do specyficznych zadań, takich jak mikrofale lub zastosowania o bardzo dużej szybkości.

W tranzystorach BJT, wraz ze wzrostem temperatury, napięcie na złączu przewodzenia spada, a prądy upływu mogą rosnąć, dlatego kluczowe znaczenie ma rozpraszanie ciepła i wybór maksymalnej mocy znamionowej. W tranzystorach mocy FET proces produkcyjny może prowadzić do powstania diod pasożytniczych (takich jak dioda Schottky'ego między źródłem a drenem), co należy uwzględnić w projekcie układu.

Szybkie porównanie materiałów

Jeśli zastanawiasz się, dlaczego niektóre materiały są szybsze od innych, weź pod uwagę ruchliwość elektronów i dziur . Ge charakteryzuje się wysoką ruchliwością, ale niższą temperaturą maksymalną, większym wyciekiem i niższą tolerancją na wysokie napięcia ; Si oferuje doskonałą równowagę i typowe temperatury złączy wynoszące 150-200°C; GaAs podnosi poprzeczkę przy wysokich częstotliwościach, chociaż jego produkcja jest bardziej wymagająca. Dlatego każdy z nich króluje w swoim segmencie.

Użytkowanie cyfrowe: od idealnego przełącznika do logiki

W przełączaniu cyfrowym tranzystor działa naprzemiennie między stanem odcięcia a stanem nasycenia , zachowując się idealnie jak obwód otwarty lub zamknięty. Taka szybkość przełączania i niskie zużycie energii umożliwiają zastosowanie bramek logicznych i układów binarnych , a w układzie kaskadowym także procesorów i pamięci. Dzięki tranzystorom MOSFET i technologii CMOS, statyczne zużycie energii jest wyjątkowo niskie, ponieważ bramka nie przewodzi prądu stałego , a prąd pobierany jest tylko podczas przejść.

Praktyczne korzyści w instalacjach i urządzeniach

W codziennym użytkowaniu tranzystory oferują niewielkie rozmiary (ułatwiają transport i integrację sprzętu), długą żywotność (wymagają mniej konserwacji), szybkość (kluczową dla procesorów i komunikacji), niski koszt (redukując koszty systemu) oraz energooszczędność (minimalne straty). W domu liczy się każdy element: od stabilnych, regulowanych zasilaczy po automatyzację i oszczędność energii.

Najczęściej zadawane pytania, na które warto odpowiedzieć

Czy tranzystor służy wyłącznie do wzmacniania sygnału? Nie. Jest to również ultracichy i ultraszybki przełącznik , element konstrukcyjny układów logicznych, detektor światła (fototranzystor) lub element oscylatora . Jego wszechstronność jest jego największą zaletą.

W jakich branżach jest to obecnie kluczowe? Praktycznie we wszystkich: telekomunikacji i sieciach , sprzęcie medycznym, motoryzacji, energetyce, przemyśle wytwórczym i elektronice użytkowej. Połączenie mocy, miniaturyzacji i kontroli zwielokrotniło jego wpływ.

Dlaczego niektórzy mówią o „włączonym/wyłączonym”? To potoczne określenie stanów odcięcia (wyłączenia) i przewodzenia (aktywnego lub nasyconego). W praktyce są to logiczne położenia, które umożliwiają włączenie lub wyłączenie przepływu prądu .

Ponad siedemdziesiąt lat po swoim powstaniu tranzystor nadal pozostaje sercem elektroniki: od pierwszego styku punktowego na germanie do najnowszej generacji tranzystorów MOSFET nastąpiły tysiące kamieni milowych, ale główna idea pozostała niezmienna: precyzyjna kontrola przepływu prądu w celu wytwarzania silniejszych, czystszych sygnałów lub niezawodnej logiki w coraz mniejszych przestrzeniach.

Podobne artykuły:

Czym są systemy cyfrowe: podstawowe wprowadzenie do zrozumienia technologii