Čo je tranzistor a na čo sa používa: typy, história a použitie

Informatec Digital » Zdroje » Čo je tranzistor a na čo sa používa: typy, história a použitie

Ak dnes nosíte mobilný telefón vo vrecku, počúvate hudbu na kompaktnom stereo systéme alebo sa pripájate na internet z ultratenkého počítača , je to vďaka malému, ale mocnému vynálezu: tranzistoru. Od svojho vzniku koncom 40. rokov 20. storočia táto polovodičová súčiastka poháňala miniaturizáciu a výkon modernej elektroniky. V tomto článku podrobne vysvetlíme, čo je tranzistor a na čo sa používa , ako funguje vo vnútri, aké sú rôzne dostupné typy, na ktorých parametroch skutočne záleží a prečo jeho história znamenala zlom v technológii.

Hoci jeho základnú definíciu možno zhrnúť do jednej vety, jeho rozsah je obrovský: tranzistor riadi alebo upravuje tok prúdu medzi dvoma svorkami v reakcii na signál privedený na tretiu svorku. Preto slúži ako zosilňovač , spínač , oscilátor alebo dokonca usmerňovač v aplikáciách od domáceho reproduktora až po lekársky skener. Pozrime sa na to krok za krokom.

Čo je to tranzistor?

Slovo tranzistor pochádza z anglického výrazu „transfer resistor “. V praxi ide o polovodičovú súčiastku s najmenej tromi vývodmi, ktorá je schopná prepúšťať väčší alebo menší prúd medzi ľubovoľnými dvoma z nich v závislosti od toho, čo sa deje na treťom. Táto kontrola prúdu alebo vodivosti kanála mu umožňuje zosilňovať slabé signály alebo fungovať ako veľmi rýchly spínač.

V klasickej forme má bipolárny tranzistor (BJT) emitor, bázu a kolektor . Malý prúd pretekajúci bázou riadi oveľa väčší prúd medzi emitorom a kolektorom. V prípade tranzistorov s poľovým efektom (FET) sa riadenie dosahuje privedením napätia na hradlo, čím sa moduluje vodivosť kanála medzi zdrojom a odtokom s veľmi vysokou vstupnou impedanciou.

Väčšinou sa vyrábajú z kremíka , hoci existujú aj z germánia, arsenidu gália (GaAs) alebo zliatin kremíka a germánia, masívne zabudované do integrovaných obvodov (mikročipov) alebo balené ako samostatné komponenty. Ich balenie je zvyčajne hermeticky uzavreté , s plastovým alebo kovovým puzdrom a tromi pinmi, a sú základným aktívnym prvkom takmer všetkej modernej elektroniky.

Trochu základnej histórie

Sen o riadení prúdov v polovodičových obvodoch predchádzal jeho priemyselnej realizácii. V roku 1925 si Julius Edgar Lilienfeld zaregistroval patenty v Kanade a neskôr v USA na zariadenia, ktoré predvídali FET, ale polovodičové materiály nemali potrebnú kvalitu pre praktické využitie. V roku 1934 si Oskar Heil patentoval niečo podobné v Európe a experimenty s kryštálmi sa rozšírili. Napriek tomu až v roku 1947 John Bardeen a Walter Brattain v Bell Laboratories pozorovali zosilnenie signálu s dvoma zlatými hrotmi na germániovom kryštáli.

V nasledujúcich mesiacoch sa William Shockley ponoril hlbšie do fyziky polovodičov a navrhol bipolárny tranzistor , na ktorý bola v roku 1948 podaná prvá patentová prihláška. V tom istom roku vo Francúzsku Herbert Mataré a Heinrich Welker nezávisle vyvinuli „tranzistrón“ pre telefónnu sieť. Krátko nato, v roku 1953, spoločnosť Philco predstavila prvý vysokofrekvenčný tranzistor (až do 60 MHz) a v roku 1954 bol v laboratóriách Bell (Morris Tanenbaum) vyrobený prvý funkčný kremíkový tranzistor a prvý komerčný model bol vyrobený v spoločnosti Texas Instruments (Gordon Teal).

Ďalšou významnou revolúciou bol MOSFET , ktorý v roku 1960 zostrojili Dawon Kahng a Martin Atalla a ktorý bol kľúčom k integrácii miliónov tranzistorov na štvorcový centimeter. Ako uznanie tohto míľnika získali Shockley, Bardeen a Brattain v roku 1956 Nobelovu cenu za fyziku za svoj výskum a objav tranzistorového efektu. Odvtedy elektronika zažila explóziu v časovej osi počítačovej histórie : od prenosných rádií cez počítače až po telekomunikácie a medicínu.

Štruktúra, signály a fungovanie BJT

BJT pozostáva z troch dopovaných oblastí, ktoré vytvárajú dva PN prechody : emitor, bázu a kolektor. Sú konštruované ako NPN alebo PNP (stredné písmeno označuje typ bázy) a dopovanie každej oblasti je starostlivo kontrolované: emitor je zvyčajne silnejšie dopovaný ako kolektor. Počas prevádzky je kolektorový prúd približne úmerný bázovému prúdu, ktorý je určený parametrom beta (β) alebo prúdovým zosilnením.

Medzi bázou a emitorom sa správa ako dióda s priepustným polaritom s typickým napätím V _BE 0,6 – 0,8 V v kremíku a ~0,4 V v germániu. Táto dióda robí z bázy riadiaci prvok, ktorý otvára alebo zatvára tok nosičov náboja z emitora do kolektora. Koncepčne báza reguluje „odbočku“ elektrónov alebo dier tak, že malý riadiaci prúd riadi väčší na výstupe.

Prevádzkové režimy: aktívny, medzný a saturačný

Tranzistor môže v aktívnej oblasti fungovať ako lineárny zosilňovač , kde umožňuje tok prúdu úmerného budeniu bázy. Ak báza nedostáva dostatočné budenie, zariadenie sa vypne a nevedie. Ak je budenie vysoké, dosiahne saturáciu a umožní maximálny prúd povolený obvodom. Vďaka tejto všestrannosti je vhodný ako rýchly spínač alebo zosilňovač slabého signálu.

NPN vs. PNP v skratke

V NPN tranzistore elektróny typicky prúdia z kolektora do emitora a zariadenie sa aktivuje zvýšením základného prúdu kladným referenčným signálom; v PNP tranzistore je praktický smer obrátený (emitor do kolektora) a logika predpínania je komplementárna, čo umožňuje symetrické konfigurácie v mnohých analógových alebo spínacích stupňoch.

Typy tranzistorov, s ktorými sa stretnete

Rodina je široká, ale všetky zdieľajú rovnaký základný princíp riadenia elektrického toku. Toto sú tie najbežnejšie spolu s niekoľkými historickými príkladmi, ktoré stoja za to poznať:

• Včasný kontaktPriekopnícky (1947) s dvoma germániovými hrotmi. Náročný na výrobu, krehký a hlučný, ale prvýkrát preukázal zisk. Dnes je to múzejný exponát.
• Bipolárny tranzistor (BJT)Klasický NPN/PNP tranzistor na jednom polovodičovom kryštáli, dopovaný donorovými nečistotami (arzén, fosfor) alebo akceptorovými nečistotami (hliník, indium, gálium). Je to... zariadenie riadené prúdom.
• Tranzistory s efektom poľa (FET)JFET (prechodová brána PN), IGFET a MOSFET (dvere izolované hrdzou). Sú riadené napätím, s veľmi vysokou vstupnou impedanciou; základný kameň integrácie vo veľkom meradle.
• Fototranzistorycitlivé na svetlo, kde osvetlenie funguje ako základný prúd; ideálne pre diaľková detekcia elektromagnetickým žiarením.
• IGBTizolovaná brána bipolárna, široko používaná v energie kombináciou výhod BJT a MOSFET.
• Darlingtonský párDva kaskádovito zapojené bipolárne tranzistory v rámci toho istého puzdra výrazne zvyšujú globálny zisk.

Parametre a materiály, ktoré robia rozdiel

Pri výbere tranzistora nie je jeho typ jediným dôležitým faktorom; kľúčové sú aj jeho elektrické parametre : prierazné napätie (kolektor-emitor, báza-emitor, kolektor-báza), maximálny výkon, odvod tepla, prevádzková frekvencia , β (transformačné napätie-emitor β) a vnútorné dynamické odpory. V bipolárnych bipolárnych tranzistoroch s malým signálom sa β typicky pohybuje od 100 do 300. Napätie _{transformátor-emitor (} VBE) klesá s teplotou približne o -2,1 mV/°C v kremíku, takže niektoré konštrukcie obsahujú tepelné senzory alebo kompenzačné mechanizmy.

Dôležitý je aj materiál: germánium ponúka vyššiu mobilitu ako kremík, ale jeho únik a prípustná teplota sú horšie; kremík dominuje vďaka svojej robustnosti a jednoduchej výrobe; GaAs vyniká pri vysokých frekvenciách vďaka svojej elektronickej mobilite. Zariadenia ako HEMT s extrémne nízkym šumom a vysokou rýchlosťou sú postavené na GaAs/AlGaAs a používajú sa v satelitných prijímačoch okolo 12 GHz a s nitridmi v energetických aplikáciách novej generácie.

Ďalším užitočným spôsobom vizualizácie bipolárneho tranzistora (BJT) je Ebers-Mollov model : dve diódy, jedna s priamym polarizačným napätím báza-emitor a druhá s reverzným polarizačným napätím báza-kolektor. To pomáha pochopiť, prečo sa objavuje typická VBE (0,6 – 0,8 V Si) _a ako sa správa mimo lineárnej oblasti. V JFEToch a MOSFEToch je dominantné napätie hradla: zvýšenie záporného napätia hradla v JFET-GS spôsobí odštiepenie kanála; v MOSFEToch hradlo ideálne neodoberá žiadny jednosmerný prúd a signál riadi vodivosť kanála medzi zdrojom a odtokom.

Najčastejšie používané konfigurácie zosilňovačov

Pri bipolárnych tranzistoroch (BJT) je bežné uvažovať v zmysle troch klasických topológií. Každá z nich optimalizuje inú kvalitu (napätie, prúd alebo impedanciu), a preto sa stále nachádzajú vo všetkých knihách a projektoch.

• spoločný emitorZosilnenie napätia a prúdu s fázovou inverziou; to je ťažný kôň. Emitorový rezistor stabilizovať A ak je premostený kondenzátorom, obnoví zisk striedavého prúdu.
• Spoločný zberač (emitorový sledovač): zosilnenie napätia blízke 1, vysoká vstupná impedancia a nízky výkon; ideálny ako impedančný adaptér.
• Base común: prúdový zisk bez fázovej inverzie a veľmi nízka vstupná impedanciaV určitých nastaveniach vyniká pri zdrojoch signálu s nízkou impedanciou, ako sú napríklad dynamické mikrofóny.

Praktický príklad (polarizovaný spoločný emitor s deličom)

Predstavte si, že navrhujete javisko pomocou V._CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V a β=100. Ak nastavíte napätie emitora okolo 1/10 V_CC (2 V), dostanete R_E≈200 ΩPokles R_C by bolo V._RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, s I_C=10 mA, potom R_C=1 kΩZákladňa zostáva na V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Ak delič nadimenzujete na prúd približne desaťnásobok základného prúdu, dostanete R₂≤ 2 kΩ a v pomere k V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Pre malé signály je dynamický odpor vnútorného emitora (r _{_e}) pri 10 mA ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, čo dáva približné ideálne zosilnenie napätia A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Pri zaťažení kolektora 5 kΩ je efektívna výstupná impedancia okolo 830 Ω a zosilnenie klesá na ≈ −319. Impedancia pozorovaná na báze je r _{_e} · β ≈ 260 Ω a celková vstupná impedancia, ak vezmeme do úvahy delič a bázu zapojené paralelne, je ≈ 226 Ω. Väzbové a emitorové kondenzátory sú zvolené tak, aby ich reaktancia bola v prevádzkovom pásme zanedbateľná .

Tento príklad sumarizuje koncept zaťažovacej krivky a bodu Q : vyberiete si pokojový bod (často VCE _≈VCC / 2 bez RE ₎ , ktorý umožňuje symetrickú výchylku signálu. Odtiaľ upravíte zisk, impedanciu a stabilitu podľa aplikácie_.

FET a MOSFET: regulácia napätia

V FEToch neexistuje žiadny základný prúd ako taký, ale skôr hradlové napätie , ktoré riadi šírku kanála. Základný JFET pozostáva z tyče z materiálu typu N alebo P s ohmickými kontaktmi na koncoch (odtok a zdroj) a dvoma difúznymi oblasťami, ktoré tvoria hradlo. Keď sa hradlové napätie stáva zápornejším (v JFETe typu N), kanál sa zužuje a vedenie sa zastaví.

MOSFET na druhej strane izoluje bránu oxidovým dielektrikom a dosahuje enormnú vstupnú impedanciu. To v kombinácii s jeho výrobným procesom kompatibilným s integráciou vysvetľuje, prečo je kráľom moderných čipov a prečo poháňal generácie procesorov : umožňuje integráciu stoviek tisíc až miliárd prepojených tranzistorov na štvorcový centimeter vo viacerých vrstvách.

Praktické aplikácie: od každodenného života až po priemysel

Vymenovať ich všetky je nemožné, ale stojí za to spomenúť si tie najreprezentatívnejšie. Ako zosilňovače tranzistory zosilňujú signály v rádiách, televízoroch a audio zariadeniach. Ako spínače ovládajú spínané zdroje napájania, ovládače motorov a osvetľovacie systémy. V oscilátoroch generujú rádiofrekvenčné signály pre komunikáciu. A samozrejme sú základným stavebným kameňom integrovaných obvodov v počítačoch, smartfónoch a všetkých druhoch digitálnych zariadení.

V profesionálnej sfére je ich úloha kľúčová v telekomunikáciách , lekárskej elektronike, priemyselnej automatizácii a robotike. Ich schopnosť vytvárať menšie a efektívnejšie obvody zmenila dizajn a výrobu produktov, čo viedlo k prenosnejším, výkonnejším a energeticky úspornejším zariadeniam.

Výhody oproti termidiónovým ventilom (a prečo sa niekedy stále používajú)

Pred tranzistormi vládli elektrónky. Vyžadovali však nebezpečne vysoké napätia , spotrebovávali veľa energie, boli objemné a ťažké (šasi a transformátory), boli náchylnejšie na poruchy v dôsledku prehriatia a trvalo im dlho, kým dosiahli prevádzkovú teplotu kvôli zahrievaniu vlákna. Okrem toho trpeli mikrofónnymi efektmi a pracovali pri vysokých impedanciách . Tranzistory od začiatku prinášali nízku spotrebu energie, nízke napätie, kompaktnosť, robustnosť a nižšie náklady.

Historický fakt ilustruje tento rozdiel: ENIAC, jeden z prvých digitálnych počítačov, vážil viac ako 30 ton a spotreboval približne 200 kW na napájanie približne 18 000 elektrónok s dennými poruchami. Napriek tomu elektrónky prežili v špecifických oblastiach: niektoré vysokovýkonné rádiové alebo audio zosilňovače (vďaka ich vysokej linearite a charakteru ich harmonických), zariadenia odolné voči elektromagnetickým impulzom a extrémne výkonové aplikácie. Postupom času si polovodičová elektronika tiež osvojila mnohé z týchto hraníc.

Konštrukčné prvky a detaily

Diskrétny tranzistor je vo všeobecnosti utesnená polovodičová súčiastka s tromi viditeľnými vývodmi. Môže byť konfigurovaný postupne tak, aby fungoval ako zosilňovač, spínač, oscilátor alebo usmerňovač . Kremík je uprednostňovaný v mnohých konštrukciách kvôli svojim tepelným a zvodovým vlastnostiam, ale existujú aj rodiny germániových a zlúčených tranzistorov pre špecifické úlohy, ako sú mikrovlnné rúry alebo veľmi rýchle aplikácie.

V bipolárnych tranzistoroch (BJT) sa s rastúcou teplotou znižuje napätie na priamej strane prechodu a môžu sa zvyšovať zvodové prúdy, takže rozptyl tepla a voľba maximálneho výkonu sú kľúčové. Vo výkonových FET môže výrobný proces vytvárať parazitné diódy (ako napríklad Schottkyho diódu medzi zdrojom a odtokom), čo je potrebné zvážiť pri návrhu obvodu.

Rýchle porovnanie materiálov

Ak vás zaujíma, prečo sú niektoré materiály rýchlejšie ako iné, zvážte mobilitu elektrónov a dier . Ge má vysokú mobilitu, ale nižšiu maximálnu teplotu, väčší únik a nižšiu toleranciu voči vysokým napätiam ; Si ponúka vynikajúcu rovnováhu a typické teploty spojov 150 – 200 °C; GaAs zvyšuje latku pri vysokých frekvenciách, hoci jeho výroba je náročnejšia. Preto každý z nich kraľuje vo svojom príslušnom segmente.

Digitálne využitie: od dokonalého prepínača k logike

Pri digitálnom prepínaní tranzistor pracuje striedavo medzi odpojením a saturáciou , kde sa ideálne správa ako otvorený alebo uzavretý obvod. Táto rýchlosť prepínania a nízka spotreba energie umožňujú logické hradlá a binárny systém a v kaskáde aj CPU a pamäte. Pri technológii MOSFET a CMOS je statická spotreba energie extrémne nízka, pretože hradlo nevedie jednosmerný prúd a prúd sa spotrebúva iba počas prechodov.

Praktické výhody v inštaláciách a zariadeniach

Pre každodenné použitie ponúkajú tranzistory malé rozmery (čo uľahčuje prepravu a integráciu zariadení), dlhú životnosť (vyžadujú si menej údržby), rýchlosť (sú kľúčové pre procesory a komunikáciu), nízke náklady (znižujú náklady na systém) a energetickú účinnosť (minimálne straty). V domácnosti pomáha každá maličkosť: od stabilných, regulovaných zdrojov napájania až po automatizáciu a úspory energie.

Často kladené otázky, na ktoré by sa malo odpovedať

Používa sa tranzistor iba na zosilnenie? Nie. Je to tiež ultratichý a ultrarýchly spínač , stavebný kameň logických obvodov, detektor svetla (fototranzistor) alebo súčasť oscilátora . Jeho najväčšou výhodou je jeho všestrannosť.

V ktorých odvetviach je dnes kritický? Prakticky vo všetkých: telekomunikácie a siete , zdravotnícke zariadenia, automobilový priemysel, energetika, výroba a spotrebná elektronika. Kombinácia výkonu, miniaturizácie a riadenia znásobila jeho vplyv.

Prečo niektorí ľudia hovoria o „zapnuté/vypnuté“? Je to hovorový spôsob, ako označiť stavy, kedy je vodič prerušený (vypnutý) a vedený (buď aktívny, alebo nasýtený). V praxi sú to logické polohy, ktoré umožňujú zapnutie alebo vypnutie toku prúdu .

Viac ako sedemdesiat rokov po svojom zrode zostáva tranzistor srdcom elektroniky: od prvého bodového kontaktu na germániu až po najnovšiu generáciu MOSFETov prešli tisíce míľnikov, ale ústredná myšlienka sa nezmenila: presne riadiť tok elektriny, aby sa vytvorili silnejšie a čistejšie signály alebo spoľahlivá logika v stále menších priestoroch.