Ce este un tranzistor și la ce se folosește: tipuri, istoric și utilizări

Informații digitale » Resurse » Ce este un tranzistor și la ce se folosește: tipuri, istoric și utilizări

Dacă porți astăzi un telefon mobil în buzunar, asculți muzică la un sistem stereo compact sau te conectezi la internet de pe un computer ultra-subțire , acest lucru se datorează unei invenții mici, dar puternice: tranzistorul. De la apariția sa la sfârșitul anilor 40, acest dispozitiv semiconductor a impulsionat miniaturizarea și puterea electronicii moderne. În acest articol, vom explica în detaliu ce este un tranzistor și la ce se folosește , cum funcționează intern, diferitele tipuri disponibile, ce parametri contează cu adevărat și de ce istoria sa a marcat un punct de cotitură în tehnologie.

Deși definiția sa de bază poate fi rezumată într-o singură propoziție, domeniul său de aplicare este enorm: un tranzistor controlează sau modifică fluxul de curent dintre două terminale ca răspuns la un semnal aplicat unui al treilea terminal. Acesta este motivul pentru care servește ca amplificator , comutator , oscilator sau chiar redresor , în aplicații variind de la un difuzor de acasă la un scaner medical. Să luăm pas cu pas.

Ce este un tranzistor?

Cuvântul tranzistor provine din expresia engleză „transfer resistor” (rezistor de transfer ). În practică, este o componentă semiconductoare cu cel puțin trei terminale capabile să permită trecerea unui curent mai mare sau mai mic între oricare două dintre ele, în funcție de ce se întâmplă la al treilea. Acest control asupra curentului sau conductanței canalului este ceea ce îi permite să amplifice semnale slabe sau să acționeze ca un comutator foarte rapid.

În forma sa clasică, tranzistorul bipolar cu joncțiune (BJT) are un emitor, o bază și un colector . Un curent mic care intră prin bază controlează un curent mult mai mare între emitor și colector. În cazul tranzistoarelor cu efect de câmp (FET), controlul se realizează prin aplicarea unei tensiuni pe poartă, modulând conductanța unui canal dintre sursă și dren cu o impedanță de intrare foarte mare.

Sunt fabricate în mare parte din siliciu , deși există și sub formă de germaniu, arsenură de galiu (GaAs) sau aliaje de siliciu-germaniu, încorporate masiv în circuite integrate (microcipuri) sau ambalate ca componente discrete. Ambalajul lor este de obicei sigilat ermetic , cu o carcasă din plastic sau metal și trei pini, și reprezintă elementul activ de bază al aproape tuturor electronicelor moderne.

Un pic de istorie esențială

Visul de a controla curenții în circuitele în stare solidă este anterior realizării sale industriale. În 1925, Julius Edgar Lilienfeld a înregistrat brevete în Canada și mai târziu în SUA pentru dispozitive care anticipau FET-ul, dar materialele semiconductoare nu aveau calitatea necesară pentru aplicații practice. În 1934, Oskar Heil a brevetat ceva similar în Europa, iar experimentele cu cristale au proliferat. Chiar și așa, abia în 1947, John Bardeen și Walter Brattain, de la Laboratoarele Bell, au observat amplificarea semnalului cu două vârfuri de aur pe un cristal de germaniu.

În lunile următoare, William Shockley a aprofundat fizica semiconductorilor și a propus tranzistorul bipolar cu joncțiune , pentru care prima cerere de brevet a fost depusă în 1948. În același an, în Franța, Herbert Mataré și Heinrich Welker au dezvoltat independent „tranzistronul” pentru rețeaua telefonică. La scurt timp după aceea, în 1953, Philco a prezentat primul tranzistor de înaltă frecvență (până la 60 MHz), iar în 1954 primul tranzistor de siliciu operațional a fost realizat la Bell Labs (Morris Tanenbaum), primul model comercial fiind produs la Texas Instruments (Gordon Teal).

Următoarea revoluție majoră a fost MOSFET-ul , construit în 1960 de Dawon Kahng și Martin Atalla, care a fost esențial pentru integrarea a milioane de tranzistoare pe centimetru pătrat. Ca recunoaștere a acestei etape importante, Shockley, Bardeen și Brattain au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1956 pentru cercetările lor și descoperirea efectului tranzistorului. De atunci, electronica a cunoscut o explozie în cronologia istoriei computerelor : de la radiourile portabile la computere, cuprinzând telecomunicațiile și medicina.

Structură, semnale și cum funcționează un BJT

Un BJT este format din trei regiuni dopate care creează două joncțiuni PN : emitor, bază și colector. Acestea sunt construite ca NPN sau PNP (litera din mijloc indică tipul de bază), iar dopajul fiecărei regiuni este atent controlat: de obicei, emitorul este mai puternic dopat decât colectorul. În funcționare, curentul de colector este aproximativ proporțional cu curentul de bază, determinat de parametrul beta (β) sau amplificarea în curent.

Între bază și emitor, se comportă ca o diodă polarizată direct , cu o tensiune V _{_BE} tipică de 0,6–0,8 V în siliciu și ~0,4 V în germaniu. Această diodă face din bază controlul care deschide sau închide fluxul de purtători de sarcină de la emitor la colector. Conceptual, baza reglează un „pont” de electroni sau goluri, astfel încât un curent de control mic gestionează unul mai mare la ieșire.

Moduri de funcționare: activ, decuplare și saturație

Tranzistorul poate funcționa ca un amplificator liniar în regiunea activă , unde permite curentului să curgă proporțional cu excitația bazei. Dacă baza nu primește o excitație suficientă, dispozitivul se oprește și nu conduce. Dacă excitația este mare, aceasta se saturează și permite curentul maxim permis de circuit. Această versatilitate îl face potrivit ca amplificator de comutare rapidă sau de semnal slab.

NPN vs. PNP pe scurt

Într-un tranzistor NPN, electronii curg de obicei de la colector la emitor , iar dispozitivul este activat prin creșterea curentului de bază cu o referință pozitivă; într-un tranzistor PNP, direcția practică este inversată (emitor la colector), iar logica de polarizare este complementară, permițând configurații simetrice în multe etape analogice sau de comutare.

Tipuri de tranzistoare pe care le veți întâlni

Familia este largă, dar toate au același principiu de bază al controlului fluxului electric. Acestea sunt cele mai comune , împreună cu câteva exemple istorice care merită cunoscute:

• Contact promptPionierul (1947), cu două vârfuri de germaniu. Dificil de fabricat, fragil și zgomotos, dar a demonstrat pentru prima dată amplificarea. Astăzi este o piesă de muzeu.
• Tranzistor de joncțiune bipolară (BJT)Tranzistorul NPN/PNP clasic pe un monocristal semiconductor, dopat cu impurități donoare (arsenic, fosfor) sau impurități acceptoare (aluminiu, indiu, galiu). Este un dispozitiv controlat de curent.
• Tranzistori cu efect de câmp (FET)JFET (joncțiune PN gate), IGFET și MOSFET (ușă izolată de rugină). Sunt controlat prin tensiune, cu impedanță de intrare foarte mare; piatra de temelie a integrării la scară largă.
• Fototranzistoare: sensibil la lumină, unde iluminarea acționează ca un curent de bază; perfect pentru detectarea la distanță prin radiații electromagnetice.
• IGBT: poartă bipolară izolată, utilizată pe scară largă în putere prin combinarea avantajelor tranzistoarelor BJT și MOSFET.
• Cuplu din DarlingtonDouă BJT-uri în cascadă în aceeași capsulă cresc considerabil câștig global.

Parametri și materiale care fac diferența

Atunci când alegeți un tranzistor, tipul său nu este singurul factor important; parametrii săi electrici sunt, de asemenea, cruciali : tensiunile de străpungere (colector-emitor, bază-emitor, colector-bază), puterea maximă, disiparea căldurii, frecvența de funcționare , β (transformator-emitor β) și rezistențele dinamice interne. În tranzistoarele bipolare (BJT) de semnal mic, β variază de obicei între 100 și 300. VBE _{(tensiunea transformator-} emitor) scade odată cu temperatura la aproximativ -2,1 mV/°C în siliciu, astfel încât unele modele încorporează senzori termici sau mecanisme de compensare.

Materialul contează și el: germaniul oferă mobilități mai mari decât siliciul, dar scurgerile și temperatura admisă sunt mai slabe; siliciul domină datorită robusteții și ușurinței de fabricație; GaAs se remarcă la frecvențe înalte datorită mobilității sale electronice. Dispozitive precum HEMT-urile , cu zgomot extrem de redus și viteză mare, sunt construite pe GaAs/AlGaAs și sunt utilizate în receptoare de satelit în jurul frecvențelor de 12 GHz și, împreună cu nitruri, în aplicații de energie de generație următoare.

O altă modalitate utilă de a vizualiza un BJT este modelul Ebers-Moll : două diode, una cu emitor-bază polarizată direct și cealaltă cu colector-bază polarizată invers. Acest lucru ajută la înțelegerea motivului pentru care apare un VBE tipic (0,6-0,8 V Si) _și cum se comportă în afara regiunii liniare. În JFET-uri și MOSFET-uri, tensiunea de poartă este dominantă: creșterea negativă a grilei într-un JFET-GS deviază canalul; în MOSFET-uri, grila nu consumă în mod ideal curent continuu, iar semnalul controlează conductanța canalului dintre sursă și dren.

Cele mai utilizate configurații de amplificatoare

În cazul tranzistoarelor bipolare (BJT), este obișnuit să ne gândim în termeni de trei topologii clasice. Fiecare optimizează o calitate diferită (tensiune, curent sau impedanță), motiv pentru care acestea se găsesc încă în toate cărțile și proiectele.

• emițător comunCâștig de tensiune și curent, cu inversiune de fază; este elementul esențial. Un rezistor de emitor stabilizează Și, dacă este conectat la un condensator, recuperează amplificarea în curent alternativ.
• Colector comun (emițător urmăritor): câștig de tensiune apropiat de 1, impedanță de intrare ridicată și ieșire redusă; ideal ca adaptor de impedanță.
• Bază comună: amplificare în curent, fără inversare de fază și impedanță de intrare foarte micăSe remarcă prin faptul că este compatibil cu surse de semnal cu impedanță redusă, cum ar fi microfoanele dinamice în anumite configurații.

Un exemplu practic (emitor comun polarizat cu divizor)

Imaginează-ți că proiectezi o scenă cu V_CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V și β=100. Dacă setați tensiunea emitorului în jurul a 1/10 din V_CC (2 V), obțineți R_E≈200 ΩScăderea lui R_C ar fi V_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, cu I_C=10 mA, atunci R_C=1 kΩBaza rămâne la V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Dacă dimensionați divizorul cu un curent de aproximativ zece ori mai mare decât curentul de bază, obțineți R₂≤ 2 kΩ și, proporțional cu V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Pentru semnale mici, rezistența dinamică a emitorului intern (r _{_e}) la 10 mA este ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, rezultând un câștig de tensiune aproximativ ideal A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Cu o sarcină de 5 kΩ pe colector, impedanța efectivă de ieșire este de aproximativ 830 Ω, iar câștigul scade la ≈ −319. Impedanța observată la bază este r _{_e} · β ≈ 260 Ω, iar impedanța totală de intrare, considerând divizorul și baza în paralel, este ≈ 226 Ω. Condensatoarele de cuplare și emitor sunt alese astfel încât reactanța lor să fie neglijabilă în banda de funcționare.

Acest exemplu rezumă conceptul de linie de sarcină și punct Q : alegeți un punct de repaus (adesea VCE _≈VCC / 2 fără RE ₎ care permite o excursie simetrică a semnalului. De acolo, ajustați amplificarea, impedanța și stabilitatea în funcție de aplicație_.

FET și MOSFET: controlul tensiunii

În FET-uri, nu există un curent de bază în sine, ci mai degrabă o tensiune de poartă care controlează lățimea canalului. JFET-ul de bază constă dintr-o bară de material de tip N sau de tip P, cu contacte ohmice la capetele sale (drenă și sursă) și două regiuni difuze care formează poarta. Pe măsură ce tensiunea de poartă devine mai negativă (într-un JFET de tip N), canalul se îngustează și conducția încetează.

MOSFET-ul, pe de altă parte, izolează poarta cu un dielectric de oxid și atinge o impedanță de intrare enormă. Acest lucru, combinat cu procesul său de fabricație compatibil cu integrarea, explică de ce este regele cipurilor moderne și de ce a condus generații de procesoare : permite integrarea a sute de mii până la miliarde de tranzistoare interconectate pe centimetru pătrat în straturi multiple.

Aplicații practice: de la viața de zi cu zi la industrie

Enumerarea tuturor este imposibilă, dar merită să le amintim pe cele mai reprezentative. Ca amplificatoare , tranzistoarele amplifică semnalele din radiouri, televizoare și echipamente audio. Ca comutatoare , ele controlează sursele de alimentare în comutație, controlerele motoarelor și sistemele de iluminat. În oscilatoare , ele generează semnale de radiofrecvență pentru comunicații. Și, bineînțeles, ele reprezintă elementul constitutiv al circuitelor integrate din computere, smartphone-uri și tot felul de dispozitive digitale.

În sfera profesională, rolul lor este esențial în telecomunicații , electronică medicală, automatizare industrială și robotică. Capacitatea lor de a crea circuite mai mici și mai eficiente a transformat proiectarea și fabricarea produselor, rezultând echipamente mai portabile, mai puternice și mai eficiente din punct de vedere energetic.

Avantaje față de valvele termidion (și de ce sunt încă folosite uneori)

Înainte de tranzistoare, tuburile vidate domneau supreme. Dar acestea necesitau tensiuni periculos de mari , consumau multă energie, erau voluminoase și grele (șasiuri și transformatoare), erau mai predispuse la defecțiuni din cauza supraîncălzirii și aveau nevoie de mult timp pentru a atinge temperatura de funcționare din cauza încălzirii filamentului. În plus, sufereau de efecte microfonice și funcționau la impedanțe mari . Tranzistoarele au adus încă de la început un consum redus de energie, o tensiune scăzută, compactitate, robustețe și un cost mai mic.

Un fapt istoric ilustrează diferența: ENIAC, unul dintre primele computere digitale, cântărea peste 30 de tone și consuma aproximativ 200 kW pentru a alimenta aproximativ 18.000 de tuburi vidate, cu defecțiuni zilnice. Chiar și așa, tuburile vidate au supraviețuit în nișe specifice: unele amplificatoare radio sau audio de mare putere (datorită liniarității lor ridicate și caracterului armonicilor lor), echipamente rezistente la impulsuri electromagnetice și aplicații de putere extremă. De-a lungul timpului, electronica în stare solidă a cucerit, de asemenea, multe dintre aceste frontiere.

Caracteristici și detalii de construcție

Ca regulă generală, un tranzistor discret este un dispozitiv semiconductor etanș cu trei terminale vizibile. Poate fi configurat în etape pentru a funcționa ca amplificator, comutator, oscilator sau redresor . Siliciul este preferat în multe modele datorită proprietăților sale termice și de scurgere, dar există și familii de tranzistoare pe bază de germaniu și compuse pentru sarcini specifice, cum ar fi aplicațiile cu microunde sau de foarte mare viteză.

În cazul tranzistoarelor de tip BJT, pe măsură ce temperatura crește, tensiunea joncțiunii directe scade, iar curenții de scurgere pot crește, așadar disiparea căldurii și alegerea puterii nominale maxime sunt cruciale. În cazul tranzistoarelor de tip FET de putere, procesul de fabricație poate crea diode parazite (cum ar fi dioda Schottky dintre sursă și dren), un aspect de luat în considerare în proiectarea circuitului.

Comparație rapidă a materialelor

Dacă vă întrebați de ce unele materiale sunt mai rapide decât altele, luați în considerare mobilitatea electronilor și a golurilor . Ge are mobilități mari, dar o temperatură maximă mai scăzută, scurgeri mai mari și o toleranță mai mică la tensiuni ridicate ; Si oferă un echilibru excelent și temperaturi tipice de joncțiune de 150-200 °C; GaAs ridică ștacheta la frecvențe înalte, deși fabricarea sa este mai solicitantă. De aceea, fiecare domnește suprem în segmentul său respectiv.

Utilizare digitală: de la trecerea perfectă la logică

În comutația digitală, un tranzistor funcționează alternând între întrerupere și saturație , unde se comportă în mod ideal ca un circuit deschis sau închis. Această viteză de comutare și consumul redus de energie fac posibile porțile logice și sistemul binar , iar în cascadă, procesoarele și memoriile. Cu tehnologia MOSFET și CMOS, consumul static de energie este extrem de scăzut deoarece poarta nu conduce în curent continuu , iar curentul este consumat doar în timpul tranzițiilor.

Avantaje practice în instalații și dispozitive

Pentru utilizarea zilnică, tranzistorii oferă dimensiuni reduse (ceea ce facilitează transportul și integrarea echipamentelor), durată lungă de viață (necesitând mai puțină întreținere), viteză (cheie pentru procesoare și comunicații), cost redus (reducând costurile sistemului) și eficiență energetică (pierderi minime). Într-o locuință, fiecare mic avantaj contează: de la surse de alimentare stabile și reglementate, până la automatizare și economisire de energie.

Întrebări frecvente la care ar trebui să se răspundă

Un tranzistor este folosit doar pentru amplificare? Nu. Este, de asemenea, un comutator ultra-silențios și ultra-rapid , un element constitutiv al circuitelor logice, un detector de lumină (fototranzistor) sau o parte a unui oscilator . Versatilitatea sa este cel mai mare avantaj al său.

În ce industrii este esențial astăzi? Practic în toate: telecomunicații și rețele , echipamente medicale, industria auto, energie, producție și electronice de larg consum. Combinația dintre putere, miniaturizare și control i-a multiplicat impactul.

De ce vorbesc unii oameni despre „pornit/oprit”? Este o modalitate colocvială de a se referi la stările de deconectare (închis) și de conducere (fie activă, fie saturată). În practică, acestea sunt pozițiile logice care permit pornirea sau oprirea fluxului de curent .

La șaptezeci de ani de la naștere, tranzistorul rămâne inima electronicii: de la primul contact punctual cu germaniul până la cea mai recentă generație de MOSFET-uri, au existat mii de etape importante, dar ideea centrală nu s-a schimbat: controlul precis al fluxului de electricitate pentru a crea semnale mai puternice, mai curate sau o logică fiabilă în spații din ce în ce mai mici.

Articol asociat:

Ce sunt sistemele digitale: o introducere esențială în înțelegerea tehnologiei