Шта је транзистор и за шта се користи: врсте, историја и употреба

Информатек Дигитал » Средства » Шта је транзистор и за шта се користи: врсте, историја и употреба

Ако данас носите мобилни телефон у џепу, слушате музику на компактном стерео систему или се повезујете на интернет са ултратанког рачунара , то је захваљујући малом, али моћном изуму: транзистору. Од свог појављивања крајем 40-их, овај полупроводнички уређај је покренуо минијатуризацију и снагу модерне електронике. У овом чланку ћемо детаљно објаснити шта је транзистор и за шта се користи , како функционише интерно, које су различите врсте доступне, који параметри су заиста важни и зашто је његова историја означила прекретницу у технологији.

Иако се његова основна дефиниција може сажети у једну реченицу, његов обим је огроман: транзистор контролише или модификује проток струје између два терминала као одговор на сигнал примењен на трећи терминал. Због тога служи као појачало , прекидач , осцилатор или чак исправљач , у применама које се крећу од кућног звучника до медицинског скенера. Хајде да то размотримо корак по корак.

Шта је транзистор?

Реч транзистор потиче од енглеског израза „transfer resistor“ (отпорник за пренос ). У пракси, то је полупроводничка компонента са најмање три терминала способна да дозволи проток веће или мање струје између било која два од њих, у зависности од тога шта се дешава на трећем. Ова контрола над струјом или проводљивошћу канала је оно што му омогућава да појача слабе сигнале или да делује као веома брз прекидач.

У свом класичном облику, биполарни спојни транзистор (BJT) има емитер, базу и колектор . Мала струја која улази кроз базу контролише много већу струју између емитера и колектора. У случају транзистора са ефектом поља (FET), контрола се постиже применом напона на капију, модулирајући проводљивост канала између извора и одвода са веома високом улазном импедансом.

Углавном се производе од силицијума , мада постоје и у германијуму, галијум арсениду (GaAs) или легурама силицијума и германијума, масовно уграђени у интегрисана кола (микрочипове) или упаковани као дискретне компоненте. Њихово паковање је обично херметички затворено , са пластичним или металним кућиштем и три пина, и они су основни активни елемент скоро све модерне електронике.

Мало битне историје

Сан о контроли струја у чврстим колима претходи његовој индустријској реализацији. Године 1925, Јулијус Едгар Лилиенфелд је регистровао патенте у Канади, а касније и у САД, за уређаје који су претпоставили ФЕТ, али полупроводнички материјали нису имали потребан квалитет за практичну примену. Године 1934, Оскар Хајл је патентирао нешто слично у Европи, а експерименти са кристалима су се ширили. Упркос томе, тек су 1947. Џон Бардин и Волтер Братејн у Бел лабораторијама приметили појачање сигнала са два златна врха на кристалу германијума.

У наредним месецима, Вилијам Шокли је дубље заронио у физику полупроводника и предложио биполарни спојни транзистор , за који је прва патентна пријава поднета 1948. године. Исте године, у Француској, Херберт Матаре и Хајнрих Велкер су независно развили „транзистрон“ за телефонску мрежу. Убрзо након тога, 1953. године, Филко је представио први високофреквентни транзистор (до 60 MHz), а 1954. године је у Беловим лабораторијама (Морис Таненбаум) постигнут први оперативни силицијумски транзистор , а први комерцијални модел произведен је у Тексас Инструментсу (Гордон Тил).

Следећа велика револуција био је MOSFET , који су 1960. године направили Давон Канг и Мартин Атала, а који је био кључан за интеграцију милиона транзистора по квадратном центиметру. У знак признања за ову прекретницу, Шокли, Бардин и Братејн су 1956. године добили Нобелову награду за физику за своја истраживања и откриће транзисторског ефекта. Од тада, електроника је доживела експлозију у временској линији историје рачунарства : од преносних радио-апарата до рачунара, обухватајући телекомуникације и медицину.

Структура, сигнали и како БЈТ ради

БЈТ се састоји од три допиране области које стварају два PN споја : емитер, базу и колектор. Конструисани су као NPN или PNP (средње слово означава тип базе), а допирање сваке области је пажљиво контролисано: обично је емитер јаче допиран од колектора. У раду, струја колектора је приближно пропорционална струји базе, одређеној бета (β) параметром , или струјним појачањем.

Између базе и емитера, понаша се као диода поларизована у директном смеру , са типичним напоном V _**BE** од 0,6–0,8 V у силицијуму и ~0,4 V у германијуму. Ова диода чини базу контролом која отвара или затвара проток носилаца наелектрисања од емитера до колектора. Концептуално, база регулише „одвод“ електрона или шупљина, тако да мала контролна струја управља већом на излазу.

Режими рада: активни, прекинути и засићени

Транзистор може да ради као линеарни појачавач у активној области , где дозвољава да струја тече пропорционално побуђивању базе. Ако база не добије довољно побуђивања, уређај се искључује и не проводи. Ако је побуђивање високо, оно се засићује и дозвољава максималну струју коју дозвољава коло. Ова свестраност га чини погодним као брзи прекидач или појачавач слабог сигнала.

NPN vs PNP укратко

У NPN транзистору, електрони обично теку од колектора ка емитеру , а уређај се активира повећањем базне струје позитивном референцом; у PNP транзистору, практични смер је обрнут (емитер ка колектору), а логика поларизације је комплементарна, што омогућава симетричне конфигурације у многим аналогним или прекидачким фазама.

Врсте транзистора са којима ћете се сусрести

Породица је широка, али сви деле исти основни принцип контроле електричног тока. Ово су најчешћи , заједно са неким историјским примерима које вреди знати:

• Благовремени контактПионир (1947), са два германијумска врха. Тежак за производњу, крхак и бучан, али је први пут показао предност. Данас је музејски експонат.
• Биполарни спојни транзистор (BJT)Класични NPN/PNP транзистор на једном полупроводничком кристалу, допиран донорским нечистоћама (арсен, фосфор) или акцепторским нечистоћама (алуминијум, индијум, галијум). То је... уређај са контролом струје.
• Транзистори са ефектом поља (FET): JFET (спојна капија PN), IGFET и МОСФЕТ (врата изолована рђом). Они су контролисано напоном, са веома високом улазном импедансом; камен темељац интеграције великих размера.
• Фототранзисториосетљив на светлост, где осветљење делује као основна струја; идеално за даљинско откривање електромагнетним зрачењем.
• ИГБТ: изолована капија биполарна, широко коришћена у снага комбиновањем предности BJT-а и MOSFET-а.
• Пар ДарлингтонДва каскадно повезана биполярна транзистора у истом кућишту значајно повећавају глобални добитак.

Параметри и материјали који чине разлику

Приликом избора транзистора, његов тип није једини важан фактор; његови електрични параметри су такође кључни : пробојни напони (колектор-емитер, база-емитер, колектор-база), максимална снага, расипање топлоте, радна фреквенција , β (трансформација-емитер β) и унутрашњи динамички отпори. Код биполярних транзистора малог сигнала, β се обично креће од 100 до 300. VBE _{(трансформација} -емитер напон) се смањује са температуром на приближно -2,1 mV/°C у силицијуму, тако да неки дизајни укључују термалне сензоре или механизме компензације.

Материјал је такође важан: германијум нуди већу мобилност од силицијума, али су му цурење и дозвољена температура лошији; силицијум доминира због своје робусности и лакоће израде; GaAs сија на високим фреквенцијама захваљујући својој електронској мобилности. Уређаји попут HEMT-ова , са изузетно ниским шумом и великом брзином, направљени су на GaAs/AlGaAs и користе се у сателитским пријемницима око 12 GHz и, са нитридима, у енергетским апликацијама следеће генерације.

Још један користан начин за визуелизацију биполярног транзистора је Еберс-Молов модел : две диоде, једна база-емитер поларизована у директном смеру, а друга база-колектор поларизована у обратном смеру. Ово помаже да се разуме зашто се појављује типична VBE (0,6-0,8 V Si) _и како се понаша ван линеарне области. Код JFET-ова и MOSFET-ова, напон гејта је доминантан: чинећи гејт негативнијим у JFET-GS, доводи до „пинчења“ канала; код MOSFET-ова, гејт идеално не црпи једносмерну струју, а сигнал контролише проводљивост канала између извора и одвода.

Најчешће коришћене конфигурације појачала

Код биполярних транзистора (BJT) уобичајено је размишљати у смислу три класичне топологије. Свака оптимизује другачији квалитет (напон, струју или импедансу), због чега се и даље налазе у свим књигама и пројектима.

• заједнички емитерПојачање напона и струје, са фазном инверзијом; то је радна снага. Емитерски отпорник стабилизује А ако се премости кондензатором, надокнађује појачање наизменичне струје.
• Заједнички колектор (емитерски пратилац): појачање напона близу 1, висока улазна импеданса и низак излаз; идеалан као адаптер импедансе.
• Заједничка база: струјево појачање, без фазне инверзије и веома ниска улазна импедансаБлиста са изворима сигнала ниске импедансе, као што су динамички микрофони у одређеним подешавањима.

Практичан пример (поларизовани заједнички емитер са делиоцем)

Замислите да дизајнирате сцену са V_CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_ЦЕК=8 V и β=100. Ако подесите напон емитера на око 1/10 V_CC (2 V), добијате R_E≈200 ΩПад у Р_C би било В_RC=V_CC−В_CE−В_E=10 V, са I_C=10 mA, онда R_C=1 kΩБаза остаје на V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Ако димензионишете делитељ са струјом око десет пута већом од базне струје, добијате R₂≤ 2 kΩ и, пропорционално V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

За мале сигнале, динамички отпор интерног емитера (r _{_e}) при 10 mA је ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, што даје приближно идеално појачање напона A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Са оптерећењем колектора од 5 kΩ, ефективна излазна импеданса је око 830 Ω, а појачање пада на ≈ −319. Импеданса која се види на бази је r _{_e} · β ≈ 260 Ω, а укупна улазна импеданса, узимајући у обзир делитељ и базу паралелно, је ≈ 226 Ω. Кондензатори спреге и емитера су изабрани тако да је њихова реактанса занемарљива у радном опсегу.

Овај пример сумира концепт линије оптерећења и Q-тачке : бирате тачку мировања (често VCE _≈VCC / 2 без RE ₎ која омогућава симетрично отклонење сигнала. Одатле подешавате појачање, импедансу и стабилност у складу са применом_.

FET и MOSFET: контрола напона

Код ФЕТ-ова, не постоји сама базна струја, већ напон капије који контролише ширину канала. Основни ЈФЕТ се састоји од шипке материјала N-типа или P-типа, са омским контактима на крајевима (дрејн и сорс) и две дифузне области које формирају капију. Како напон капије постаје негативнији (код ЈФЕТ-а N-типа), канал се сужава и проводљивост престаје.

С друге стране, MOSFET изолује капију оксидним диелектриком и постиже огромну улазну импедансу. Ово, у комбинацији са његовим производним процесом компатибилним са интеграцијом, објашњава зашто је краљ модерног чипа и зашто је покренуо генерације процесора : омогућава интеграцију стотина хиљада до милијарди међусобно повезаних транзистора по квадратном центиметру у више слојева.

Практичне примене: од свакодневног живота до индустрије

Немогуће их је све набројати, али вреди запамтити најрепрезентативније. Као појачала , транзистори појачавају сигнале у радио-апаратима, телевизорима и аудио опреми. Као прекидачи , они контролишу прекидаче напајања, контролере мотора и системе осветљења. У осцилаторима генеришу радиофреквентне сигнале за комуникацију. И, наравно, они су основни градивни блок интегрисаних кола у рачунарима, паметним телефонима и свим врстама дигиталних уређаја.

У професионалној сфери, њихова улога је кључна у телекомуникацијама , медицинској електроници, индустријској аутоматизацији и роботици. Њихова способност да креирају мања, ефикаснија кола трансформисала је дизајн и производњу производа, што је резултирало преносивијом, снажнијом и енергетски ефикаснијом опремом.

Предности у односу на термидионске вентиле (и зашто се понекад још увек користе)

Пре транзистора, вакуумске цеви су владале. Али су захтевале опасно високе напоне , трошиле су много енергије, биле су гломазне и тешке (кућиште и трансформатори), биле су склоније кваровима због прегревања и требало им је дуго да достигну радну температуру због загревања влакна. Штавише, патили су од микрофонских ефеката и радили су на високим импедансама . Транзистори су од самог почетка донели малу потрошњу енергије, низак напон, компактност, робусност и нижу цену.

Историјска чињеница илуструје разлику: ENIAC, један од првих дигиталних рачунара, тежио је преко 30 тона и трошио је око 200 kW да би напајао приближно 18.000 вакуумских цеви, са свакодневним кваровима. Упркос томе, вакуумске цеви су опстале у одређеним нишама: неким радио или аудио појачавачима велике снаге (због њихове линеарности високог нивоа и карактера њихових хармоника), опреми отпорној на електромагнетне импулсе и екстремним енергетским применама. Временом је и електроника у чврстом стању освојила многе од ових граница.

Карактеристике и детаљи конструкције

Као опште правило, дискретни транзистор је затворени полупроводнички уређај са три видљива терминала. Може се конфигурисати у фазама да функционише као појачало, прекидач, осцилатор или исправљач . Силицијум је пожељан у многим дизајнима због својих термичких и својстава цурења, али постоје и породице германијумских и једињених транзистора за специфичне задатке, као што су микроталасне или веома брзе примене.

Код биполярних транзистора (BJT), како температура расте, напон на директном споју се смањује, а струје цурења могу се повећати, тако да су расипање топлоте и избор максималне снаге кључни. Код енергетских FET-ова, процес производње може створити паразитске диоде (као што је Шоткијева диода између извора и одвода), што треба узети у обзир приликом пројектовања кола.

Брзо поређење материјала

Ако се питате зашто су неки материјали бржи од других, размотрите мобилност електрона и шупљина . Ge има високу мобилност, али нижу максималну температуру, веће цурење и мању толеранцију на високе напоне ; Si нуди одличан баланс и типичне температуре споја од 150-200 °C; GaAs подиже лествицу на високим фреквенцијама, иако је његова израда захтевнија. Зато сваки од њих влада врховно у свом сегменту.

Дигитална употреба: од савршеног прекидача до логике

У дигиталном прекидању, транзистор ради наизменично између граничног стања и засићења , где се идеално понаша као отворено или затворено коло. Ова брзина прекидања и ниска потрошња енергије омогућавају логичке капије и бинарни систем , а у каскади и процесоре и меморије. Са MOSFET-овима и CMOS технологијом, статичка потрошња енергије је изузетно ниска јер капија не проводи једносмерну струју и струја се троши само током прелаза.

Практичне предности у инсталацијама и уређајима

За свакодневну употребу, транзистори нуде мале димензије (што олакшава транспорт и интеграцију опреме), дуг век трајања (захтевају мање одржавања), брзину (кључни су за процесоре и комуникације), ниску цену (смањење трошкова система) и енергетску ефикасност (минимални губици). У кући, свака ситница помаже: од стабилних, регулисаних напајања до аутоматизације и уштеде енергије.

Често постављана питања на која треба одговорити

Да ли се транзистор користи само за појачавање? Не. Такође је ултра-тихи и ултра-брзи прекидач , градивни блок логичких кола, детектор светлости (фототранзистор) или део осцилатора . Његова свестраност је његова највећа предност.

У којим индустријама је данас критичан? Практично свима: телекомуникацијама и мрежама , медицинској опреми, аутомобилској индустрији, енергетици, производњи и потрошачкој електроници. Комбинација снаге, минијатуризације и контроле је умножила његов утицај.

Зашто неки људи говоре о „укључено/искључено“? То је колоквијални начин означавања стања прекинутости (искључено) и проводљивости (било активно или засићено). У пракси, то су логички положаји који омогућавају укључивање или искључивање протока струје .

Седамдесетак година након свог рођења, транзистор остаје срце електронике: од првог тачкастог контакта на германијуму до најновије генерације MOSFET-ова, било је хиљаде прекретница, али централна идеја се није променила: прецизно контролисати како струја тече како би се створили јачи, чистији сигнали или поуздана логика унутар све мањих простора.