Çfarë është një tranzistor dhe për çfarë përdoret: llojet, historia dhe përdorimet e tij

Informatec Digital » Burime » Çfarë është një tranzistor dhe për çfarë përdoret: llojet, historia dhe përdorimet e tij

Nëse mbani një telefon celular në xhep sot, dëgjoni muzikë në një sistem stereo kompakt ose lidheni me internetin nga një kompjuter ultra i hollë , kjo është falë një shpikjeje të vogël por të fuqishme: tranzistorit. Që nga shfaqja e tij në fund të viteve 40, kjo pajisje gjysmëpërçuese ka nxitur miniaturizimin dhe fuqinë e elektronikës moderne. Në këtë artikull, do të shpjegojmë në detaje se çfarë është një tranzistor dhe për çfarë përdoret , si funksionon nga brenda, llojet e ndryshme të disponueshme, cilët parametra kanë vërtet rëndësi dhe pse historia e tij shënoi një pikë kthese në teknologji.

Edhe pse përkufizimi i tij bazë mund të përmblidhet në një fjali të vetme, fushëveprimi i tij është shumë i madh: një tranzistor kontrollon ose modifikon rrjedhën e rrymës midis dy terminaleve në përgjigje të një sinjali të aplikuar në një terminal të tretë. Kjo është arsyeja pse ai shërben si amplifikator , çelës , oscilator apo edhe ndreqës , në aplikime që variojnë nga një altoparlant shtëpiak deri te një skaner mjekësor. Le ta shqyrtojmë hap pas hapi.

Çfarë është tranzitori?

Fjala tranzistor vjen nga shprehja angleze "transfer resistor ". Në praktikë, është një komponent gjysmëpërçues me të paktën tre terminale të afta të lejojnë që më shumë ose më pak rrymë të rrjedhë midis dy prej tyre, varësisht nga ajo që ndodh në të tretin. Ky kontroll mbi rrymën ose përçueshmërinë e kanalit është ajo që i lejon atij të amplifikojë sinjalet e dobëta ose të veprojë si një çelës shumë i shpejtë.

Në formën e tij klasike, transistori bipolar i kryqëzimit (BJT) ka një emetues, bazë dhe kolektor . Një rrymë e vogël që hyn përmes bazës kontrollon një rrymë shumë më të madhe midis emetuesit dhe kolektorit. Në rastin e transistorëve me efekt fushe (FET), kontrolli arrihet duke aplikuar tension në portë, duke moduluar përçueshmërinë e një kanali midis burimit dhe kulluesit me një impedancë shumë të lartë hyrëse.

Ato prodhohen kryesisht nga silici , megjithëse ekzistojnë edhe në germanium, arsenid galiumi (GaAs) ose lidhje silici-germaniumi, të ngulitura masivisht në qarqe të integruara (mikroçipa) ose të paketuara si komponentë diskretë. Paketimi i tyre zakonisht është i mbyllur hermetikisht , me një mbulesë plastike ose metalike dhe tre kunja, dhe ato janë elementi aktiv bazë i pothuajse të gjitha pajisjeve elektronike moderne.

Pak histori thelbësore

Ëndrra e kontrollit të rrymave në qarqet në gjendje të ngurtë i paraprin realizimit të saj industrial. Në vitin 1925, Julius Edgar Lilienfeld regjistroi patenta në Kanada dhe më vonë në SHBA për pajisje që parashikonin FET, por materialet gjysmëpërçuese nuk kishin cilësinë e nevojshme për zbatim praktik. Në vitin 1934, Oskar Heil patentoi diçka të ngjashme në Evropë dhe eksperimentet me kristale u përhapën. Megjithatë, vetëm në vitin 1947 John Bardeen dhe Walter Brattain, në Bell Laboratories, vunë re fitimin e sinjalit me dy maja ari në një kristal germaniumi.

Në muajt në vijim, William Shockley u thellua më shumë në fizikën e gjysmëpërçuesve dhe propozoi tranzistorin bipolar të kryqëzimit , për të cilin kërkesa e parë për patentë u paraqit në vitin 1948. Po atë vit, në Francë, Herbert Mataré dhe Heinrich Welker zhvilluan në mënyrë të pavarur "transistronin" për rrjetin telefonik. Menjëherë pas kësaj, në vitin 1953, Philco prezantoi tranzistorin e parë me frekuencë të lartë (deri në 60 MHz), dhe në vitin 1954 u arrit transistori i parë operativ i silikonit në Bell Labs (Morris Tanenbaum), me modelin e parë komercial të prodhuar në Texas Instruments (Gordon Teal).

Revolucioni tjetër i madh ishte MOSFET-i , i ndërtuar në vitin 1960 nga Dawon Kahng dhe Martin Atalla, i cili ishte çelësi për integrimin e miliona transistorëve për centimetër katror. Në njohje të këtij momenti historik, Shockley, Bardeen dhe Brattain morën Çmimin Nobel në Fizikë në vitin 1956 për kërkimin e tyre dhe zbulimin e efektit të transistorit. Që atëherë, elektronika ka përjetuar një shpërthim në kronologjinë e historisë së kompjuterëve : nga radiot portative te kompjuterët, dhe duke përfshirë telekomunikacionin dhe mjekësinë.

Struktura, sinjalet dhe si funksionon një BJT

Një BJT përbëhet nga tre rajone të dopuara që krijojnë dy kryqëzime PN : emetuesi, baza dhe kolektori. Ato ndërtohen si NPN ose PNP (shkronja e mesme tregon llojin e bazës) dhe dopimi i secilit rajon kontrollohet me kujdes: zakonisht, emetuesi është më i dopuar se kolektori. Në funksionim, rryma e kolektorit është afërsisht proporcionale me rrymën e bazës, e përcaktuar nga parametri beta (β) ose fitimi i rrymës.

Midis bazës dhe emetuesit, ajo sillet si një diodë e polarizuar drejt , me një tension tipik V _{_BE} prej 0,6–0,8 V në silikon dhe ~0,4 V në germanium. Kjo diodë e bën bazën kontrollin që hap ose mbyll rrjedhën e bartësve të ngarkesës nga emetuesi në kolektor. Konceptualisht, baza rregullon një "rrjedhje" të elektroneve ose vrimave, në mënyrë që një rrymë e vogël kontrolli të menaxhojë një më të madhe në dalje.

Mënyrat e funksionimit: aktive, ndërprerje dhe ngopje

Tranzistori mund të funksionojë si një amplifikator linear në rajonin aktiv , ku lejon që rryma të rrjedhë në mënyrë proporcionale me ngacmimin e bazës. Nëse baza nuk merr ngacmim të mjaftueshëm, pajisja ndërpritet dhe nuk përçon rrymë. Nëse ngacmimi është i lartë, ai ngopet dhe lejon rrymën maksimale të lejuar nga qarku. Kjo shkathtësi e bën atë të përshtatshëm si një çelës i shpejtë ose një amplifikator me sinjal të dobët.

NPN vs PNP me pak fjalë

Në një tranzistor NPN, elektronet zakonisht rrjedhin nga kolektori në emetues , dhe pajisja aktivizohet duke rritur rrymën bazë me një referencë pozitive; në një tranzistor PNP, drejtimi praktik është i kundërt (nga emetuesi në kolektor), dhe logjika e polarizimit është plotësuese, duke lejuar konfigurime simetrike në shumë faza analoge ose komutuese.

Llojet e transistorëve që do të hasni

Familja është e gjerë, por të gjitha ndajnë të njëjtin parim themelor të kontrollit të rrjedhës elektrike. Këto janë më të zakonshmet , së bashku me disa shembuj historikë që ia vlen të dihen:

• Kontakt në kohëPioneeri (1947), me dy maja germaniumi. I vështirë për t’u prodhuar, i brishtë dhe i zhurmshëm, por e demonstroi këtë avantazh për herë të parë. Sot është një objekt muzeal.
• Transistor bipolar i kryqëzimit (BJT)Transistori klasik NPN/PNP në një kristal gjysmëpërçues të vetëm, i dopuar me papastërti donatorësh (arsenik, fosfor) ose papastërti pranuese (alumini, indiumi, galiumi). Është një pajisje e kontrolluar nga rryma.
• Transistorët me efekt fushor (FET)JFET (porta e kryqëzimit PN), IGFET dhe MOSFET (dera e izoluar nga ndryshku). Ato janë tension i kontrolluar, me impedancë hyrëse shumë të lartë; gurthemeli i integrimit në shkallë të gjerë.
• Fototransistorë: i ndjeshëm ndaj dritës, ku ndriçimi vepron si një rrymë bazë; perfekt për zbulim në distancë nga rrezatimi elektromagnetik.
• IGBT: portë bipolare e izoluar, e përdorur gjerësisht në fuqinë duke kombinuar avantazhet e BJT dhe MOSFET.
• Çifti DarlingtonDy BJT të kaskaduara brenda të njëjtës paketë e rrisin shumë fitim global.

Parametrat dhe materialet që bëjnë diferencën

Kur zgjidhni një tranzistor, lloji i tij nuk është i vetmi faktor i rëndësishëm; parametrat e tij elektrikë janë gjithashtu thelbësorë : tensionet e prishjes (kolektor-emiter, bazë-emiter, kolektor-bazë), fuqia maksimale, shpërndarja e nxehtësisë, frekuenca e funksionimit , β (transform-emiter β) dhe rezistencat dinamike të brendshme. Në BJT-të me sinjal të vogël, β zakonisht varion nga 100 në 300. VBE _{(tensioni transform-} emiter) zvogëlohet me temperaturën në afërsisht −2,1 mV/°C në silikon, kështu që disa dizajne përfshijnë sensorë termikë ose mekanizma kompensimi.

Materiali gjithashtu ka rëndësi: germaniumi ofron lëvizshmëri më të lartë se silici, por rrjedhja dhe temperatura e lejuar e tij janë më të këqija; silici dominon për shkak të qëndrueshmërisë dhe lehtësisë së prodhimit; GaAs shkëlqen në frekuenca të larta falë lëvizshmërisë së tij elektronike. Pajisjet si HEMT , me zhurmë jashtëzakonisht të ulët dhe shpejtësi të lartë, janë ndërtuar në GaAs/AlGaAs dhe përdoren në marrës satelitorë rreth 12 GHz dhe, me nitride, në aplikimet e energjisë së gjeneratës së ardhshme.

Një mënyrë tjetër e dobishme për të vizualizuar një BJT është modeli Ebers-Moll : dy dioda, njëra bazë-emiter me polarizim të drejtpërdrejtë dhe tjetra bazë-kolektor me polarizim të kundërt. Kjo ndihmon për të kuptuar pse shfaqet një VBE tipik (0,6-0,8 V Si) _dhe si sillet jashtë rajonit linear. Në JFET dhe MOSFET, tensioni i portës është dominues: duke e bërë portën më negative në një JFET-GS, porta në mënyrë ideale nuk tërheq rrymë DC, dhe sinjali kontrollon përçueshmërinë e kanalit midis burimit dhe kulluesit.

Konfigurimet më të përdorura të amplifikatorëve

Me BJT-të, është e zakonshme të mendosh në terma të tre topologjive klasike. Secila prej tyre optimizon një cilësi të ndryshme (tension, rrymë ose impedancë), prandaj ato gjenden ende në të gjitha librat dhe projektet.

• emetues i përbashkëtTension dhe fitim rryme, me përmbysje faze; është forca kryesore. Një rezistencë emetuese stabilizon Dhe, nëse lidhet me një kondensator, ai rikuperon fitimin e rrymës alternative.
• Koleksionist i përbashkët (ndjekës i emetuesit): fitimi i tensionit afër 1, impedancë e lartë hyrëse dhe dalje e ulët; ideale si adaptor i impedancës.
• Bazë e përbashkët: fitimi i rrymës, pa përmbysje faze dhe impedancë shumë e ulët hyrëseShkëlqen me burime sinjali me impedancë të ulët, siç janë mikrofonat dinamikë në disa konfigurime.

Një shembull praktik (emetues i përbashkët i polarizuar me ndarës)

Imagjinoni që po projektoni një skenë me V._CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V dhe β=100. Nëse e vendosni tensionin e emetuesit rreth 1/10 të V_CC (2 V), ju merrni R_E≈200 ΩRënia e R_C do të ishte V_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, me I_C=10 mA, atëherë R_C=1 kΩBaza mbetet në V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Nëse e dimensiononi ndarësin me një rrymë rreth dhjetë herë më të madhe se rryma bazë, merrni R₂≤ 2 kΩ dhe, në përpjesëtim me V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Për sinjale të vogla, rezistenca dinamike e emetuesit të brendshëm (r _{_e}) në 10 mA është ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, duke dhënë një fitim ideal të përafërt të tensionit A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Me një ngarkesë prej 5 kΩ në kolektor, impedanca efektive e daljes është rreth 830 Ω dhe fitimi bie në ≈ −319. Impedanca e parë në bazë është r _{_e} · β ≈ 260 Ω, dhe impedanca totale e hyrjes, duke marrë parasysh ndarësin dhe bazën paralelisht, është ≈ 226 Ω. Kondensatorët e çiftëzimit dhe të emetuesit zgjidhen në mënyrë që reaktansa e tyre të jetë e papërfillshme në brezin operativ.

Ky shembull përmbledh konceptin e vijës së ngarkesës dhe pikës Q : ju zgjidhni një pikë qetësie (shpesh VCE _≈VCC / 2 pa RE ₎ që lejon ekskursion simetrik të sinjalit. Prej andej, ju rregulloni fitimin, impedancën dhe stabilitetin sipas aplikimit_.

FET dhe MOSFET: kontrolli i tensionit

Në FET-et, nuk ka rrymë bazë në vetvete, por më tepër një tension të portës që kontrollon gjerësinë e kanalit. JFET-i bazë përbëhet nga një shufër materiali të tipit N ose P, me kontakte omike në skajet e tij (kullues dhe burim) dhe dy rajone difuze që formojnë portën. Ndërsa tensioni i portës bëhet më negativ (në një JFET të tipit N), kanali ngushtohet dhe përçueshmëria ndërpritet.

Nga ana tjetër, MOSFET-i izolon portën me një dielektrik oksid dhe arrin një impedancë të madhe hyrëse. Kjo, e kombinuar me procesin e tij të prodhimit të pajtueshëm me integrimin, shpjegon pse është mbreti i çipit modern dhe pse ka nxitur gjenerata të tëra procesorësh : ai lejon integrimin e qindra mijëra deri në miliarda transistorëve të ndërlidhur për centimetër katror në shtresa të shumëfishta.

Zbatime praktike: nga jeta e përditshme në industri

Renditja e të gjithave është e pamundur, por ia vlen të kujtojmë më përfaqësuesit. Si amplifikatorë , transistorët përforcojnë sinjalet në radio, televizorë dhe pajisje audio. Si çelësa , ata kontrollojnë furnizimin me energji me modalitet të ndërprerë, kontrolluesit e motorëve dhe sistemet e ndriçimit. Në oscilatorë , ata gjenerojnë sinjale të frekuencës radio për komunikime. Dhe, sigurisht, ato janë blloku themelor i ndërtimit të qarqeve të integruara në kompjuterë, telefona inteligjentë dhe të gjitha llojet e pajisjeve dixhitale.

Në sferën profesionale, roli i tyre është kritik në telekomunikacion , elektronikë mjekësore, automatizim industrial dhe robotikë. Aftësia e tyre për të krijuar qarqe më të vogla dhe më efikase ka transformuar projektimin dhe prodhimin e produkteve, duke rezultuar në pajisje më të lëvizshme, më të fuqishme dhe më efikase nga ana e energjisë.

Avantazhet ndaj valvulave termidion (dhe pse ato përdoren ende ndonjëherë)

Përpara transistorëve, mbizotëronin llambat e vakumit. Por ato kërkonin tensione të rrezikshme të larta , konsumonin shumë energji, ishin të mëdha dhe të rënda (shasia dhe transformatorët), ishin më të prirura për dështime për shkak të mbinxehjes dhe u duhej shumë kohë për të arritur temperaturën e funksionimit për shkak të ngrohjes së filamentit. Për më tepër, ato vuanin nga efektet mikrofonike dhe funksiononin me impedanca të larta . Transistorët sollën konsum të ulët energjie, tension të ulët, kompaktësi, qëndrueshmëri dhe kosto më të ulët që nga fillimi.

Një fakt historik ilustron ndryshimin: ENIAC, një nga kompjuterët e parë dixhitalë, peshonte mbi 30 ton dhe konsumonte rreth 200 kW për të furnizuar me energji afërsisht 18.000 tuba vakumi, me prishje të përditshme. Megjithatë, tubat e vakumit mbijetuan në vende specifike: disa amplifikatorë radiofonikë ose audio me fuqi të lartë (për shkak të linearitetit të tyre të nivelit të lartë dhe karakterit të harmonikave të tyre), pajisje të forcuara ndaj pulseve elektromagnetike dhe aplikimeve ekstreme të energjisë. Me kalimin e kohës, elektronika në gjendje të ngurtë gjithashtu pushtoi shumë nga këto kufij.

Karakteristikat dhe detajet e ndërtimit

Si rregull i përgjithshëm, një transistor diskret është një pajisje gjysmëpërçuese e mbyllur me tre terminale të dukshme. Mund të konfigurohet në faza për të funksionuar si amplifikator, çelës, oscilator ose ndreqës . Silici preferohet në shumë dizajne për shkak të vetive të tij termike dhe të rrjedhjes, por ekzistojnë edhe familje transistorësh të germaniumit dhe të përbërë për detyra specifike, të tilla si mikrovalë ose aplikime me shpejtësi shumë të lartë.

Në BJT-të, me rritjen e temperaturës, tensioni i kryqëzimit përpara zvogëlohet dhe rrymat e rrjedhjes mund të rriten, kështu që shpërndarja e nxehtësisë dhe zgjedhja e fuqisë maksimale të vlerësuar janë thelbësore. Në FET-të e fuqisë, procesi i prodhimit mund të krijojë dioda parazitare (siç është dioda Schottky midis burimit dhe kulluesit), diçka që duhet marrë në konsideratë në projektimin e qarkut.

Krahasim i shpejtë i materialeve

Nëse po pyesni veten pse disa materiale janë më të shpejta se të tjerat, merrni në konsideratë lëvizshmërinë e elektroneve dhe vrimave . Ge ka lëvizshmëri të lartë, por një temperaturë maksimale më të ulët, rrjedhje më të madhe dhe tolerancë më të ulët ndaj tensioneve të larta ; Si ofron një ekuilibër të shkëlqyer dhe temperatura tipike të kryqëzimit prej 150-200 °C; GaAs ngre standardin në frekuenca të larta, megjithëse prodhimi i tij është më i kërkuar. Kjo është arsyeja pse secili prej tyre mbretëron suprem në segmentin e tij përkatës.

Përdorimi dixhital: nga kalimi perfekt në logjikë

Në komutimin dixhital, një tranzistor funksionon duke alternuar midis ndërprerjes dhe ngopjes , ku idealisht sillet si një qark i hapur ose i mbyllur. Kjo shpejtësi komutimi dhe konsumi i ulët i energjisë bëjnë të mundur portat logjike dhe sistemin binar , dhe, në kaskadë, CPU-të dhe memoriet. Me teknologjinë MOSFET dhe CMOS, konsumi statik i energjisë është jashtëzakonisht i ulët sepse porta nuk përçon në DC dhe rryma konsumohet vetëm gjatë tranzicioneve.

Përparësitë praktike në instalime dhe pajisje

Për përdorim të përditshëm, transistorët ofrojnë madhësi të vogël (duke e bërë pajisjen më të lehtë për t'u transportuar dhe integruar), jetëgjatësi të madhe (që kërkojnë më pak mirëmbajtje), shpejtësi (çështje kyçe në procesorë dhe komunikime), kosto të ulët (duke ulur kostot e sistemit) dhe efikasitet energjetik (humbje minimale). Në një shtëpi, çdo gjë e vogël ndihmon: nga furnizimet e qëndrueshme dhe të rregulluara me energji deri te automatizimi dhe kursimi i energjisë.

Pyetje të shpeshta që duhet të marrin përgjigje

A përdoret një tranzistor vetëm për amplifikim? Jo. Është gjithashtu një çelës ultra i qetë dhe ultra i shpejtë , një bllok ndërtimi i qarqeve logjike, një detektor drite (fototransistor) ose pjesë e një oscilatori . Shumëllojshmëria e tij është avantazhi i tij më i madh.

Në cilat industri është kritike sot? Pothuajse në të gjitha: telekomunikacioni dhe rrjetet , pajisjet mjekësore, automobilat, energjia, prodhimi dhe elektronika e konsumit. Kombinimi i energjisë, miniaturizimit dhe kontrollit e ka shumëfishuar ndikimin e tij.

Pse disa njerëz flasin për "ndezur/fikur"? Është një mënyrë bisedore për t'iu referuar gjendjeve të ndërprerjes (fikjes) dhe përçueshmërisë (aktive ose të ngopura). Në praktikë, këto janë pozicionet logjike që lejojnë që rrjedha e rrymës të ndizet ose fiket .

Rreth shtatëdhjetë vjet pas lindjes së tij, transistori mbetet zemra e elektronikës: që nga pika e parë e kontaktit në germanium deri te gjenerata e fundit e MOSFET-eve, ka pasur mijëra momente kyçe, por ideja qendrore nuk ka ndryshuar: të kontrollohet saktësisht se si rrjedh energjia elektrike për të krijuar sinjale më të forta dhe më të pastra ose logjikë të besueshme brenda hapësirave gjithnjë e më të vogla.

Artikuj të ngjashëm:

Çfarë janë Sistemet Dixhitale: Një hyrje thelbësore për të kuptuar teknologjinë