Vad är en transistor och vad används den till: typer, historia och användningsområden

Digital information » Resurser » Vad är en transistor och vad används den till: typer, historia och användningsområden

Om du bär en mobiltelefon i fickan idag, lyssnar på musik på en kompakt stereo eller ansluter till internet från en ultratunn dator , är det tack vare en liten men mäktig uppfinning: transistorn. Sedan dess framkomst i slutet av 40-talet har denna halvledarkomponent drivit miniatyriseringen och kraften i modern elektronik. I den här artikeln förklarar vi i detalj vad en transistor är och vad den används till , hur den fungerar internt, de olika typerna som finns tillgängliga, vilka parametrar som verkligen spelar roll och varför dess historia markerade en vändpunkt inom tekniken.

Även om dess grundläggande definition kan sammanfattas i en enda mening, är dess omfattning enorm: en transistor styr eller modifierar strömflödet mellan två terminaler som svar på en signal som appliceras på en tredje terminal. Det är därför den fungerar som en förstärkare , omkopplare , oscillator eller till och med likriktare , i tillämpningar som sträcker sig från en hemmahögtalare till en medicinsk skanner. Låt oss ta det steg för steg.

Vad är en transistor?

Ordet transistor kommer från det engelska uttrycket "transfer resistor ". I praktiken är det en halvledarkomponent med minst tre terminaler som kan tillåta mer eller mindre ström att flyta mellan två av dem beroende på vad som händer vid den tredje. Denna kontroll över kanalens ström eller konduktans är det som gör att den kan förstärka svaga signaler eller fungera som en mycket snabb omkopplare.

I sin klassiska form har den bipolära övergångstransistorn (BJT) en emitter, bas och kollektor . En liten ström som kommer in genom basen styr en mycket större ström mellan emittern och kollektorn. När det gäller fälteffekttransistorer (FET) uppnås styrning genom att applicera spänning på gate, vilket modulerar konduktansen hos en kanal mellan source och drain med en mycket hög ingångsimpedans.

De tillverkas mestadels av kisel , även om de även förekommer i germanium-, galliumarsenid- (GaAs) eller kisel-germaniumlegeringar, massivt inbäddade i integrerade kretsar (mikrochips) eller förpackade som diskreta komponenter. Deras förpackning är vanligtvis hermetiskt förseglad , med ett plast- eller metallhölje och tre stift, och de är det grundläggande aktiva elementet i nästan all modern elektronik.

Lite viktig historia

Drömmen om att kontrollera strömmar i fasta kretsar föregick dess industriella förverkligande. År 1925 registrerade Julius Edgar Lilienfeld patent i Kanada och senare i USA för anordningar som förutsåg FET, men halvledarmaterialen saknade den nödvändiga kvaliteten för praktisk tillämpning. År 1934 patenterade Oskar Heil något liknande i Europa, och experiment med kristaller spreds. Ändå var det inte förrän 1947 som John Bardeen och Walter Brattain, vid Bell Laboratories, observerade signalförstärkning med två guldspetsar på en germaniumkristall.

Under de följande månaderna fördjupade William Shockley sig i halvledarfysiken och föreslog den bipolära övergångstransistorn , för vilken den första patentansökan lämnades in 1948. Samma år utvecklade Herbert Mataré och Heinrich Welker oberoende av varandra "transistronen" för telefonnätet i Frankrike. Kort därefter, 1953, presenterade Philco den första högfrekventa transistorn (upp till 60 MHz), och 1954 uppnåddes den första fungerande kiseltransistorn på Bell Labs (Morris Tanenbaum), med den första kommersiella modellen producerad på Texas Instruments (Gordon Teal).

Nästa stora revolution var MOSFET , byggd 1960 av Dawon Kahng och Martin Atalla, vilken var nyckeln till att integrera miljontals transistorer per kvadratcentimeter. Som ett erkännande av denna milstolpe fick Shockley, Bardeen och Brattain Nobelpriset i fysik 1956 för sin forskning och upptäckten av transistoreffekten. Sedan dess har elektroniken upplevt en explosion i datorhistoriens tidslinje : från bärbara radioapparater till datorer, och omfattade telekommunikation och medicin.

Struktur, signaler och hur en BJT fungerar

En BJT består av tre dopade regioner som skapar två PN-övergångar : emitter, bas och kollektor. De är konstruerade som NPN eller PNP (den mellersta bokstaven indikerar bastypen), och dopningen av varje region kontrolleras noggrant: vanligtvis är emittern kraftigare dopad än kollektorn. I drift är kollektorströmmen ungefär proportionell mot basströmmen, bestämd av beta (β)-parametern , eller strömförstärkningen.

Mellan basen och emittern beter sig den som en framåtriktad diod , med en typisk V _{_BE} -spänning på 0,6–0,8 V i kisel och ~0,4 V i germanium. Denna diod gör basen till den kontroll som öppnar eller stänger flödet av laddningsbärare från emittern till kollektorn. Konceptuellt reglerar basen en "tapp" av elektroner eller hål, så att en liten styrström hanterar en större vid utgången.

Driftlägen: aktiv, avstängd och mättnad

Transistorn kan fungera som en linjär förstärkare i det aktiva området , där den tillåter ström att flyta proportionellt mot basens excitation. Om basen inte får tillräcklig excitation, stängs spänningen av och leder inte. Om excitationen är hög mättas den och tillåter den maximala ström som kretsen tillåter. Denna mångsidighet gör den lämplig som en snabbbrytare eller en svagsignalförstärkare.

NPN vs PNP i ett nötskal

I en NPN-transistor flyter elektroner vanligtvis från kollektorn till emittern , och enheten aktiveras genom att öka basströmmen med en positiv referens; i en PNP-transistor är den praktiska riktningen omvänd (emitter till kollektor), och förspänningslogiken är komplementär, vilket möjliggör symmetriska konfigurationer i många analoga eller omkopplingssteg.

Typer av transistorer du kommer att stöta på

Familjen är bred, men de delar alla samma grundläggande princip för att kontrollera elektriskt flöde. Dessa är de vanligaste , tillsammans med några historiska exempel som är värda att känna till:

• Kontakt i rätt tidPionjären (1947), med två germaniumspetsar. Svår att tillverka, ömtålig och bullrig, men den visade upp fördelarna för första gången. Idag är den ett museiföremål.
• Bipolär övergångstransistor (BJT)Den klassiska NPN/PNP-transistorn på en enda halvledarkristall, dopad med donatorföroreningar (arsenik, fosfor) eller acceptorföroreningar (aluminium, indium, gallium). Det är en strömstyrd enhet.
• Fälteffekttransistorer (FET)JFET (junction gate PN), IGFET och MOSFET (dörren är isolerad av rost). De är spänningsstyrd, med mycket hög ingångsimpedans; hörnstenen i storskalig integration.
• Fototransistorerljuskänslig, där belysning fungerar som en basström; perfekt för fjärrdetektering genom elektromagnetisk strålning.
• IGBT: isolerad grind bipolär, används ofta i effekt genom att kombinera fördelarna med BJT och MOSFET.
• Darlington-paretTvå kaskadkopplade BJT:er inom samma paket ökar avsevärt global vinst.

Parametrar och material som gör skillnaden

När man väljer en transistor är inte dess typ den enda viktiga faktorn; dess elektriska parametrar är också avgörande : genombrottsspänningar (kollektor-emitter, bas-emitter, kollektor-bas), maximal effekt, värmeavledning, driftsfrekvens , β (transform-emitter β) och interna dynamiska resistanser. I BJT:er med små signaler varierar β vanligtvis från 100 till 300. VBE _(transform- emitterspänning) minskar med temperaturen vid ungefär −2,1 mV/°C i kisel, så vissa konstruktioner innehåller termiska sensorer eller kompensationsmekanismer.

Materialet spelar också roll: germanium erbjuder högre mobilitet än kisel, men dess läckage och tillåtna temperatur är sämre; kisel dominerar på grund av dess robusthet och enkla tillverkning; GaAs lyser vid höga frekvenser tack vare sin elektroniska mobilitet. Enheter som HEMT:er , med extremt lågt brus och hög hastighet, är byggda på GaAs/AlGaAs och används i satellitmottagare runt 12 GHz och, med nitrider, i nästa generations kraftapplikationer.

Ett annat användbart sätt att visualisera en BJT är Ebers-Moll -modellen : två dioder, en framåtriktad bas-emitter och en bakåtriktad bas-kollektor. Detta hjälper till att förstå varför en typisk VBE (0,6-0,8 V Si) uppträder _och hur den beter sig utanför det linjära området. I JFET:er och MOSFET:er är gatespänningen dominerande: vilket gör gate mer negativ i en JFET-krets - GS klämmer av kanalen; i MOSFET:er drar gate idealiskt sett ingen likström, och signalen styr kanalens konduktans mellan source och drain.

Vanligaste förstärkarkonfigurationer

Med BJT:er är det vanligt att tänka i termer av tre klassiska topologier. Var och en optimerar en annan kvalitet (spänning, ström eller impedans), vilket är anledningen till att de fortfarande finns i alla böcker och projekt.

• gemensam emitterSpänning- och strömförstärkning, med fasinvertering; det är arbetshästen. Ett emittermotstånd stabiliserar sig Och om den bryggas med en kondensator återställer den växelströmsförstärkningen.
• Vanlig samlare (emitterföljare): spänningsförstärkning nära 1, hög ingångsimpedans och låg uteffekt; idealisk som impedansadapter.
• Gemensam bas: strömförstärkning, utan fasinversion och mycket låg ingångsimpedansDen lyser med lågimpedanssignalkällor, såsom dynamiska mikrofoner i vissa uppsättningar.

Ett praktiskt exempel (polariserad gemensam emitter med delare)

Tänk dig att du designar en scen med V_CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V och β=100. Om du ställer in emitterspänningen runt 1/10 av V_CC (2 V), du får R_E≈200 ΩFallet i R_C skulle vara V_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, med I_C=10 mA, då R_C=1 kΩBasen ligger kvar vid V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Om du dimensionerar delaren med en ström ungefär tio gånger basströmmen får du R₂≤ 2 kΩ och, i proportion till V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

För små signaler är den dynamiska resistansen hos den interna emittern (r _{_e}) vid 10 mA ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, vilket ger en ungefärlig ideal spänningsförstärkning A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Med en belastning på 5 kΩ på kollektorn är den effektiva utgångsimpedansen runt 830 Ω och förstärkningen sjunker till ≈ −319. Impedansen som ses vid basen är r _{_e} · β ≈ 260 Ω, och den totala ingångsimpedansen, med hänsyn till delaren och basen parallellt, är ≈ 226 Ω. Kopplings- och emitterkondensatorerna är valda så att deras reaktans är försumbar i driftsbandet.

Detta exempel sammanfattar konceptet lastlinje och Q-punkt : du väljer en vilopunkt (ofta VCE _≈VCC / 2 utan RE ₎ som tillåter symmetrisk signalavvikelse. Därifrån justerar du förstärkning, impedans och stabilitet enligt applikationen_.

FET och MOSFET: spänningsreglering

I FET:er finns det ingen basström i sig, utan snarare en gatespänning som styr kanalbredden. Den grundläggande JFET:en består av en stång av N-typ eller P-typ material, med ohmska kontakter i ändarna (drain och source) och två diffusa områden som bildar gate. När gatespänningen blir mer negativ (i en N-typ JFET), smalnar kanalen av och ledningen upphör.

MOSFET, å andra sidan, isolerar grinden med ett oxiddielektrikum och uppnår en enorm ingångsimpedans. Detta, i kombination med att dess tillverkningsprocess är kompatibel med integration, förklarar varför den är kungen av det moderna chipet och varför den drev generationer av processorer : den möjliggör integration av hundratusentals till miljarder sammankopplade transistorer per kvadratcentimeter i flera lager.

Praktiska tillämpningar: från vardag till industri

Att lista dem alla är omöjligt, men det är värt att komma ihåg de mest representativa. Som förstärkare förstärker transistorer signaler i radioapparater, tv-apparater och ljudutrustning. Som brytare styr de switchade nätaggregat, motorstyrenheter och belysningssystem. I oscillatorer genererar de radiofrekvenssignaler för kommunikation. Och de är naturligtvis den grundläggande byggstenen i integrerade kretsar i datorer, smartphones och alla typer av digitala enheter.

Inom den professionella sfären är deras roll avgörande inom telekommunikation , medicinsk elektronik, industriell automation och robotik. Deras förmåga att skapa mindre, effektivare kretsar har förändrat produktdesign och tillverkning, vilket resulterat i mer portabel, kraftfull och energieffektiv utrustning.

Fördelar jämfört med termidionventiler (och varför de fortfarande används ibland)

Innan transistorer fanns var vakuumrör det allra bästa. Men de krävde farligt höga spänningar , förbrukade mycket energi, var skrymmande och tunga (chassi och transformatorer), var mer benägna att haverera på grund av överhettning och tog lång tid att nå driftstemperatur på grund av uppvärmning av glödtrådarna. Dessutom led de av mikrofoniska effekter och arbetade med höga impedanser . Transistorer gav låg strömförbrukning, låg spänning, kompakthet, robusthet och lägre kostnad från början.

Ett historiskt faktum illustrerar skillnaden: ENIAC, en av de första digitala datorerna, vägde över 30 ton och förbrukade cirka 200 kW för att driva cirka 18 000 vakuumrör, med dagliga haverier. Trots detta överlevde vakuumrör i specifika nischer: vissa högeffektsradio- eller ljudförstärkare (på grund av deras höga linjäritet och karaktären hos deras övertoner), utrustning härdad mot elektromagnetiska pulser och extrema effektapplikationer. Med tiden erövrade även fasta tillståndselektronik många av dessa gränser.

Konstruktionsfunktioner och detaljer

Som en allmän regel är en diskret transistor en sluten halvledarkomponent med tre synliga terminaler. Den kan konfigureras i steg för att fungera som en förstärkare, omkopplare, oscillator eller likriktare . Kisel föredras i många utföranden på grund av dess termiska egenskaper och läckageegenskaper, men det finns också germanium- och sammansatta transistorfamiljer för specifika uppgifter, såsom mikrovågs- ​​eller mycket höghastighetstillämpningar.

I BJT:er, när temperaturen ökar, minskar framåtspänningen och läckströmmarna kan öka, så värmeavledning och valet av maximal effektklassning är avgörande. I effekt-FET:er kan tillverkningsprocessen skapa parasitdioder (som Schottky-dioden mellan source och drain), något att beakta i kretsdesignen.

Snabb jämförelse av material

Om du undrar varför vissa material är snabbare än andra, tänk på elektron- och hålmobilitet . Ge har hög mobilitet men en lägre maximal temperatur, större läckage och lägre tolerans mot höga spänningar ; Si erbjuder en utmärkt balans och typiska övergångstemperaturer på 150-200 °C; GaAs höjer ribban vid höga frekvenser, även om tillverkningen är mer krävande. Det är därför var och en av dem är överlägsen i sitt respektive segment.

Digital användning: från den perfekta växlingen till logik

Vid digital switching fungerar en transistor genom att växla mellan cutoff och saturation , där den idealiskt beter sig som en öppen eller sluten krets. Denna switchhastighet och låga strömförbrukning gör logiska grindar och det binära systemet möjligt , och i kaskad, processorer och minnen. Med MOSFET- och CMOS-teknik är den statiska strömförbrukningen extremt låg eftersom grinden inte leder i likström och ström endast förbrukas under övergångar.

Praktiska fördelar i installationer och apparater

För vardagsbruk erbjuder transistorer liten storlek (vilket gör utrustning enklare att transportera och integrera), lång livslängd (vilket kräver mindre underhåll), hastighet (viktigt i processorer och kommunikation), låg kostnad (minskar systemkostnader) och energieffektivitet (minimala förluster). I ett hem hjälper varje liten krona: från stabila, reglerade strömförsörjningar till automatisering och energibesparingar.

Vanliga frågor som bör besvaras

Används en transistor bara för förstärkning? Nej. Den är också en ultratyst och ultrasnabb brytare , en byggsten i logikkretsar, en ljusdetektor (fototransistor) eller en del av en oscillator . Dess mångsidighet är dess största fördel.

Inom vilka branscher är det avgörande idag? Praktiskt taget alla: telekommunikation och nätverk , medicinsk utrustning, fordonsindustrin, energi, tillverkning och konsumentelektronik. Kombinationen av kraft, miniatyrisering och styrning har mångdubblat dess inverkan.

Varför talar vissa om "på/av"? Det är ett vardagligt sätt att hänvisa till tillstånd av att vara avstängd (av) och ledande (antingen aktiv eller mättad). I praktiken är det dessa de logiska positionerna som gör att strömmen kan slås på eller av .

Sjuttio år efter sin födelse är transistorn fortfarande elektronikens hjärta: från den första punktkontakten på germanium till den senaste generationen MOSFET-transistorer har det skett tusentals milstolpar, men den centrala idén har inte förändrats: att exakt kontrollera hur elektricitet flyter för att skapa starkare, renare signaler eller tillförlitlig logik inom allt mindre utrymmen.

Relaterad artikel:

Vad är digitala system: En viktig introduktion till att förstå teknik