ทรานซิสเตอร์คืออะไรและมีไว้ใช้เพื่ออะไร: ประเภท ประวัติ และการใช้งาน

ข้อมูลดิจิทัล » แหล่งข้อมูล » ทรานซิสเตอร์คืออะไรและใช้ทำอะไร: ประเภท ประวัติ และการใช้งาน

หากคุณพกโทรศัพท์มือถือไว้ในกระเป๋า ฟังเพลงจากเครื่องเสียงขนาดเล็ก หรือเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตจากคอมพิวเตอร์บางเฉียบ ในปัจจุบัน ทั้งหมดนี้ก็ต้องขอบคุณสิ่งประดิษฐ์ขนาดเล็กแต่ทรงพลังอย่างทรานซิสเตอร์ นับตั้งแต่การปรากฏตัวครั้งแรกในช่วงปลายทศวรรษ 40 อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์นี้ได้ผลักดันให้เกิดการย่อขนาดและเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ในบทความนี้ เราจะอธิบายรายละเอียดว่าทรานซิสเตอร์คืออะไรและใช้ทำอะไรทำงานภายในอย่างไร มีทรานซิสเตอร์ประเภทใดบ้าง พารามิเตอร์ใดบ้างที่สำคัญ และเหตุใดประวัติศาสตร์ของมันจึงเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญในด้านเทคโนโลยี

แม้ว่าคำจำกัดความพื้นฐานของมันจะสรุปได้ในประโยคเดียว แต่ขอบเขตการใช้งานของมันนั้นกว้างขวางมาก: ทรานซิสเตอร์ควบคุมหรือปรับเปลี่ยนการไหลของกระแสไฟฟ้าระหว่างขั้วสองขั้วเพื่อตอบสนองต่อสัญญาณที่ส่งไปยังขั้วที่สาม นี่คือเหตุผลที่มันทำหน้าที่เป็นตัวขยายสัญญาณ สวิตช์ออสซิลเลเตอร์หรือแม้แต่ตัวเรียงกระแสในการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่ลำโพงในบ้านไปจนถึงเครื่องสแกนทางการแพทย์ มาดูกันทีละขั้นตอน

ทรานซิสเตอร์คืออะไร?

คำว่าทรานซิสเตอร์มาจากสำนวนภาษาอังกฤษว่า "transfer resistor " ในทางปฏิบัติ มันคือชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ที่มีขั้วต่ออย่างน้อยสามขั้วซึ่งสามารถควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าระหว่างขั้วสองขั้วใดๆ ได้มากหรือน้อยขึ้นอยู่กับสิ่งที่เกิดขึ้นที่ขั้วที่สาม การควบคุมกระแสไฟฟ้าหรือการนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณนี้เองที่ทำให้มันสามารถขยายสัญญาณอ่อนๆ หรือทำหน้าที่เป็นสวิตช์ที่ทำงานได้อย่างรวดเร็ว

ในรูปแบบคลาสสิก ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน (BJT) ประกอบด้วยตัวปล่อย (emitter), ฐาน (base) และตัวรับ (collector ) กระแสไฟฟ้าขนาดเล็กที่ไหลผ่านฐานจะควบคุมกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่กว่ามากระหว่างตัวปล่อยและตัวรับ ในกรณีของทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็ก (FET) การควบคุมทำได้โดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้าไปยังเกต ซึ่งเป็นการปรับค่าการนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณระหว่างแหล่งกำเนิด (source) และเดรน (drain) ที่มีอิมพีแดนซ์อินพุตสูงมาก

โดยส่วนใหญ่แล้ว ไอซีจะผลิตจากซิลิคอนแม้ว่าจะมีบางชนิดที่ทำจากเจอร์มาเนียม แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) หรือโลหะผสมซิลิคอน-เจอร์มาเนียม โดยจะฝังอยู่ในวงจรรวม (ไมโครชิป) หรือบรรจุเป็นชิ้นส่วนแยกต่างหาก บรรจุภัณฑ์มักจะปิดสนิทด้วยวัสดุพลาสติกหรือโลหะ และมีขาเชื่อมต่อสามขา ไอซีเป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่ใช้งานได้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่เกือบทั้งหมด

ประวัติศาสตร์ที่สำคัญเล็กน้อย

ความฝันในการควบคุมกระแสไฟฟ้าในวงจรโซลิดสเตทนั้นมีมาก่อนการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมเสียอีก ในปี 1925 จูเลียส เอ็ดการ์ ลิเลียนเฟลด์ ได้จดสิทธิบัตรในแคนาดาและต่อมาในสหรัฐอเมริกาสำหรับอุปกรณ์ที่คาดการณ์ถึง FET แต่ ในขณะ นั้นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ยังขาดคุณภาพที่จำเป็นสำหรับการใช้งานจริง ในปี 1934 ออสการ์ ไฮล์ ได้จดสิทธิบัตรสิ่งที่คล้ายกันในยุโรป และการทดลองกับผลึกก็แพร่หลายมากขึ้น ถึงกระนั้น จนกระทั่งปี 1947 จอห์น บาร์ดีน และวอลเตอร์ แบรตเทน ที่ห้องปฏิบัติการเบลล์ ได้สังเกตเห็นการขยายสัญญาณด้วยปลายทองคำสองอันบนผลึกเจอร์มาเนียม

ในอีกไม่กี่เดือนต่อมา วิลเลียม ช็อกลีย์ ได้ศึกษาฟิสิกส์ของสารกึ่งตัวนำอย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น และเสนอแนวคิดทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชันซึ่งมีการยื่นขอจดสิทธิบัตรครั้งแรกในปี 1948 ในปีเดียวกันนั้นเอง ที่ประเทศฝรั่งเศส เฮอร์เบิร์ต มาตาเร และไฮน์ริช เวลเกอร์ ได้พัฒนา "ทรานซิสเตอร์" สำหรับเครือข่ายโทรศัพท์ขึ้นโดยอิสระ ไม่นานหลังจากนั้น ในปี 1953 ฟิลโคได้นำเสนอทรานซิสเตอร์ความถี่สูงตัวแรก (สูงถึง 60 เมกะเฮิร์ตซ์) และในปี 1954 ทรานซิสเตอร์ ซิลิคอนที่ใช้งานได้จริง ตัวแรกก็เกิดขึ้น ที่เบลล์แล็บส์ (มอร์ริส ทาเนนบอม) โดยมีการผลิตรุ่นเชิงพาณิชย์รุ่นแรกที่เท็กซัสอินสตรูเมนต์ (กอร์ดอน ทีล)

การปฏิวัติครั้งสำคัญถัดมาคือMOSFETซึ่งสร้างขึ้นในปี 1960 โดย Dawon Kahng และ Martin Atalla ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการรวมทรานซิสเตอร์นับล้านตัวต่อตารางเซนติเมตร เพื่อเป็นการยกย่องความสำเร็จครั้งสำคัญนี้Shockley, Bardeen และ Brattain ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1956 จากงานวิจัยและการค้นพบปรากฏการณ์ทรานซิสเตอร์ นับตั้งแต่นั้นมา อิเล็กทรอนิกส์ก็มีการพัฒนาอย่างก้าวกระโดดในประวัติศาสตร์คอมพิวเตอร์ตั้งแต่เครื่องรับวิทยุพกพาไปจนถึงคอมพิวเตอร์ และครอบคลุมถึงโทรคมนาคมและการแพทย์

โครงสร้าง สัญญาณ และการทำงานของ BJT

ทรานซิสเตอร์แบบไบแอส ทรานซิสเตอร์ (BJT) ประกอบด้วยบริเวณที่เจือสารสามบริเวณซึ่งสร้างรอยต่อ PN สองรอยได้แก่ ตัวส่ง ตัวฐาน และตัวรับ โดยสร้างขึ้นเป็นแบบ NPN หรือ PNP (ตัวอักษรตรงกลางบ่งบอกถึงชนิดของฐาน) และการเจือสารในแต่ละบริเวณจะถูกควบคุมอย่างระมัดระวัง โดยทั่วไปแล้ว ตัวส่งจะถูกเจือสารมากกว่าตัวรับ ในการทำงาน กระแสตัวรับจะแปรผันโดยประมาณกับกระแสฐาน ซึ่งกำหนดโดยพารามิเตอร์เบต้า (β) หรืออัตราขยายกระแส

ระหว่างฐานและตัวปล่อยประจุ ไดโอดชนิดนี้ทำงานคล้ายกับไดโอดที่ได้รับไบแอสไปข้างหน้าโดยมีแรงดัน V _{_BE} ทั่วไป อยู่ที่ 0,6–0,8 V ในซิลิคอน และประมาณ 0,4 V ในเจอร์มาเนียม ไดโอดนี้ทำให้ฐานเป็นตัวควบคุมที่เปิดหรือปิดการไหลของตัวนำประจุจากตัวปล่อยประจุไปยังตัวรับประจุ ในทางทฤษฎี ฐานจะควบคุม "จุดเชื่อมต่อ" ของอิเล็กตรอนหรือโฮล เพื่อให้กระแสควบคุมขนาดเล็กสามารถควบคุมกระแสขนาดใหญ่ที่เอาต์พุตได้

โหมดการทำงาน: แอคทีฟ, ตัดไฟ และอิ่มตัว

ทรานซิสเตอร์สามารถทำงานเป็นตัวขยายสัญญาณเชิงเส้นในย่านการทำงาน แบบแอคทีฟ ซึ่งจะทำให้กระแสไหลตามสัดส่วนของการกระตุ้นที่ฐาน หากฐานไม่ได้รับการกระตุ้นที่เพียงพอ อุปกรณ์จะหยุดทำงานและไม่นำกระแส หากการกระตุ้นสูง อุปกรณ์จะอิ่มตัวและยอมให้กระแสสูงสุดที่วงจรอนุญาต ความสามารถรอบด้านนี้ทำให้เหมาะสำหรับใช้เป็นสวิตช์ความเร็วสูงหรือตัวขยายสัญญาณอ่อน

NPN กับ PNP ในแบบย่อ

ในทรานซิสเตอร์ NPN อิเล็กตรอนโดยทั่วไปจะไหลจากตัวเก็บประจุไปยังตัวปล่อยและอุปกรณ์จะทำงานโดยการเพิ่มกระแสฐานด้วยแรงดันอ้างอิงบวก ในทรานซิสเตอร์ PNP ทิศทางการไหลจะกลับกัน (ตัวปล่อยไปยังตัวเก็บประจุ) และตรรกะการไบแอสจะเป็นแบบเสริม ทำให้สามารถกำหนดค่าแบบสมมาตรได้ในวงจรอนาล็อกหรือวงจร switching หลายวงจร

ประเภทของทรานซิสเตอร์ที่คุณจะพบ

ตระกูลของอุปกรณ์นี้มีหลากหลาย แต่ทั้งหมดล้วนมีหลักการพื้นฐานเดียวกันคือการควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้า ต่อไปนี้คืออุปกรณ์ที่พบได้บ่อยที่สุดพร้อมด้วยตัวอย่างทางประวัติศาสตร์ที่น่าสนใจ:

• ติดต่อได้ทันเวลาไพโอเนียร์ (1947) ที่มีหัวเจอร์เมเนียมสองหัว ผลิตยาก เปราะบางและมีเสียงดัง แต่แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพได้เป็นครั้งแรก ปัจจุบันเป็นของสะสมในพิพิธภัณฑ์
• ทรานซิสเตอร์สองขั้วทางแยก (BJT)ทรานซิสเตอร์ NPN/PNP แบบคลาสสิกบนผลึกเซมิคอนดักเตอร์ตัวเดียว เติมสารเจือปนของสารให้ (สารหนู ฟอสฟอรัส) หรือสารเจือปนของตัวรับ (อะลูมิเนียม อินเดียม แกลเลียม) มันเป็น อุปกรณ์ควบคุมกระแสไฟฟ้า.
• ทรานซิสเตอร์สนามผล (FETs): JFET (junction gate PN), IGFET และ MOSFET (ประตูมีฉนวนกันสนิม) เป็น ควบคุมแรงดันไฟฟ้าด้วยค่าอิมพีแดนซ์อินพุตที่สูงมาก ถือเป็นรากฐานสำคัญของการบูรณาการขนาดใหญ่
• โฟโต้ทรานซิสเตอร์: ไวต่อแสง โดยที่แสงสว่างทำหน้าที่เป็นกระแสฐาน เหมาะสำหรับ การตรวจจับระยะไกล โดยการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
• IGBT: เกตฉนวนแบบไบโพลาร์ ใช้กันอย่างแพร่หลายใน อำนาจ โดยการรวมข้อดีของ BJT และ MOSFET เข้าด้วยกัน
• คู่รักดาร์ลิงตันBJT แบบเรียงซ้อนสองตัวภายในแพ็คเกจเดียวกันทำให้เพิ่มขึ้นอย่างมาก ผลประโยชน์ระดับโลก.

พารามิเตอร์และวัสดุที่สร้างความแตกต่าง

ในการเลือกทรานซิสเตอร์ ชนิดของทรานซิสเตอร์ไม่ใช่ปัจจัยสำคัญเพียงอย่างเดียวพารามิเตอร์ทางไฟฟ้า ก็มีความสำคัญเช่น กัน ได้แก่ แรงดันพังทลาย (คอลเลคเตอร์-อีมิเตอร์, เบส-อีมิเตอร์, คอลเลคเตอร์-เบส), กำลังสูงสุด, การกระจายความร้อน, ความถี่ในการทำงาน , β (แรงดันทรานฟอร์ม-อีมิเตอร์ β) และความต้านทานไดนามิกภายใน ในทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ชนิดสัญญาณขนาดเล็ก ค่า β โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 100 ถึง 300 แรงดันท _{รานฟอร์ม-อีมิเตอร์ (} VBE) จะลดลงตามอุณหภูมิประมาณ−2,1 mV/°Cในซิลิคอน ดังนั้นการออกแบบบางอย่างจึงรวมเซ็นเซอร์ความร้อนหรือกลไกการชดเชยไว้ด้วย

วัสดุก็มีความสำคัญเช่นกัน: เจอร์มาเนียมมีความคล่องตัวสูงกว่าซิลิคอน แต่มีข้อเสียคือการรั่วไหลและอุณหภูมิที่อนุญาตได้แย่กว่าซิลิคอนจึงเป็นที่นิยมเนื่องจากความทนทานและผลิตได้ง่าย ในขณะที่GaAsโดดเด่นที่ความถี่สูงเนื่องจากความคล่องตัวทางอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์อย่าง HEMT ซึ่งมีสัญญาณรบกวนต่ำมากและความเร็วสูง สร้างขึ้นจาก GaAs/AlGaAs และใช้ในเครื่องรับสัญญาณดาวเทียมที่ความถี่ประมาณ 12 GHz และเมื่อใช้ร่วมกับไนไตรด์ จะใช้ในแอปพลิเคชันด้านพลังงานรุ่นใหม่

อีกวิธีหนึ่งที่ช่วยให้เห็นภาพทรานซิสเตอร์แบบ BJT ได้ดีขึ้นคือ แบบจำลอง Ebers-Moll : ไดโอดสองตัว ตัวหนึ่งต่อไบแอสตรงระหว่างเบสกับอีมิเตอร์ และอีกตัวต่อไบแอสย้อนกลับระหว่างเบสกับคอลเลคเตอร์ วิธีนี้ช่วยให้เข้าใจว่าทำไมค่า VBE ทั่วไป (0,6-0,8 V Si) จึงปรากฏขึ้น_และมีพฤติกรรมอย่างไรเมื่ออยู่นอกช่วงเชิงเส้น ในทรานซิสเตอร์แบบ JFET และ MOSFET แรงดันเกตเป็นตัวกำหนดหลัก: การทำให้แรงดันเกตเป็นลบมากขึ้นใน JFET-GS จะทำให้ช่องสัญญาณแคบลง ส่วนใน MOSFET นั้น โดยหลักการแล้วเกตจะไม่ดึงกระแส DC และสัญญาณจะเป็นตัวควบคุมค่าการนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณระหว่างแหล่งกำเนิดและเดรน

การกำหนดค่าเครื่องขยายเสียงที่ใช้กันทั่วไปที่สุด

โดยทั่วไปแล้ว ทรานซิสเตอร์แบบ BJT มักถูกนึกถึงในแง่ของโครงสร้างแบบคลาสสิกสามแบบ แต่ละแบบจะปรับให้เหมาะสมกับคุณสมบัติที่แตกต่างกัน (แรงดัน กระแส หรือความต้านทาน) ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงยังคงพบเห็นได้ในตำราและโครงงานต่างๆ อยู่เสมอ

• ตัวปล่อยสัญญาณทั่วไปเกนแรงดันและกระแสพร้อมการกลับเฟส ถือเป็นเครื่องมือสำคัญ ตัวต้านทานตัวปล่อย เสถียร และหากเชื่อมต่อด้วยตัวเก็บประจุ ก็จะสามารถกู้คืนค่าเกน AC ได้
• นักสะสมทั่วไป (ตัวติดตามตัวปล่อย): แรงดันไฟฟ้าเกนใกล้ 1 อิมพีแดนซ์อินพุตสูง และเอาท์พุตต่ำ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับใช้เป็นอะแดปเตอร์ค่าอิมพีแดนซ์
• ฐานร่วม: อัตราขยายกระแส โดยไม่มีการกลับเฟสและ อิมพีแดนซ์อินพุตต่ำมากเปล่งประกายด้วยแหล่งสัญญาณที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำ เช่น ไมโครโฟนไดนามิกในการตั้งค่าบางประเภท

ตัวอย่างการใช้งานจริง (ตัวปล่อยแสงแบบโพลาไรซ์ทั่วไปพร้อมตัวแบ่ง)

ลองนึกภาพว่าคุณออกแบบเวทีด้วย V_CC=20 โวลต์, ไอ_CQ=10 มิลลิแอมป์, โวลต์_{ซีคิว}=8 V และ β=100 หากคุณตั้งค่าแรงดันตัวปล่อยไว้ที่ประมาณ 1/10 ของ V_CC (2 V) คุณจะได้รับ R_E≈200 โอห์มการลดลงของ R_C จะเป็นวี_RC=V_CC-V_CE-V_E=10 V โดยมี I_C=10 mA จากนั้น R_C=1 กิโลโอห์มฐานยังคงอยู่ที่ V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. หากคุณปรับขนาดตัวแบ่งด้วยกระแสไฟฟ้าประมาณสิบเท่าของกระแสไฟฟ้าฐาน คุณจะได้ R₂≤ 2 กิโลโอห์ม และตามสัดส่วนของ V_CC, R₁≈12,8 กิโลโอห์ม.

สำหรับสัญญาณขนาดเล็ก ความต้านทานไดนามิกของตัวส่งสัญญาณภายใน (r _{_e}) ที่ 10 mA คือ ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω ทำให้ได้อัตราขยายแรงดันในอุดมคติโดยประมาณ A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385 เมื่อมีโหลด 5 kΩ ที่ตัวเก็บประจุ ความต้านทานเอาต์พุตที่มีประสิทธิภาพจะอยู่ที่ประมาณ 830 Ω และอัตราขยายจะลดลงเหลือ ≈ −319 ความต้านทานที่เห็นที่ฐานคือ r _{_e} · β ≈ 260 Ω และความต้านทานอินพุตทั้งหมด เมื่อพิจารณาตัวแบ่งและฐานที่ต่อขนานกัน จะอยู่ที่ประมาณ 226 Ω ตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้งและแบบส่งสัญญาณถูกเลือกเพื่อให้ค่ารีแอกแทนซ์ของพวกมันมีค่าน้อยมากในช่วงการทำงาน

ตัวอย่างนี้สรุปแนวคิดของเส้นโหลดและจุด Q ได้ดังนี้ : คุณเลือกจุดที่เสถียร (โดยทั่วไปคือ VCE _{≈ VCC} / 2 โดยไม่มี RE ₎ที่ช่วยให้การเปลี่ยนแปลงสัญญาณมีความสมมาตร จากนั้น คุณปรับอัตราขยาย อิมพีแดนซ์ และความเสถียรตามการใช้_งาน

FET และ MOSFET: การควบคุมแรงดันไฟฟ้า

ใน FET นั้น ไม่มีกระแสเบสโดยตรง แต่จะมีแรงดันเกตที่ควบคุมความกว้างของช่องสัญญาณ JFET พื้นฐานประกอบด้วยแท่งวัสดุชนิด N หรือชนิด P ที่มีหน้าสัมผัสโอห์มิกที่ปลายทั้งสองข้าง (เดรนและซอร์ส) และบริเวณกระจายตัวสองบริเวณที่ประกอบเป็นเกต เมื่อแรงดันเกตมีค่าเป็นลบมากขึ้น (ใน JFET ชนิด N) ช่องสัญญาณจะแคบลงและการนำไฟฟ้าจะหยุดลง

ในทางกลับกัน MOSFET แยกเกตด้วยฉนวนไดอิเล็กทริกออกไซด์และมีความต้านทานอินพุตสูงมาก คุณสมบัตินี้ เมื่อรวมกับกระบวนการผลิตที่เข้ากันได้กับการรวมวงจร จึงอธิบายได้ว่าทำไมมันถึงเป็นราชาแห่งชิปสมัยใหม่และเป็นตัวขับเคลื่อนโปรเซสเซอร์หลายรุ่น : มันช่วยให้สามารถรวมทรานซิสเตอร์ที่เชื่อมต่อกันหลายแสนถึงหลายพันล้านตัวต่อตารางเซนติเมตรในหลายชั้นได้

การประยุกต์ใช้จริง: จากชีวิตประจำวันสู่ภาคอุตสาหกรรม

การระบุหน้าที่ทั้งหมดของทรานซิสเตอร์นั้นเป็นไปไม่ได้ แต่ก็คุ้มค่าที่จะจดจำหน้าที่ที่สำคัญที่สุดไว้ทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เป็นตัวขยายสัญญาณในวิทยุ โทรทัศน์ และอุปกรณ์เครื่องเสียง ในฐานะสวิตช์พวกมันควบคุมแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด ตัวควบคุมมอเตอร์ และระบบไฟส่องสว่าง ในวงจร oscillatorsพวกมันสร้างสัญญาณความถี่วิทยุสำหรับการสื่อสาร และแน่นอนว่าพวกมันเป็นส่วนประกอบพื้นฐานของวงจรรวมในคอมพิวเตอร์ สมาร์ทโฟน และอุปกรณ์ดิจิทัลทุกชนิด

ในแวดวงวิชาชีพ บทบาทของชิปอิเล็กทรอนิกส์มีความสำคัญอย่างยิ่งในด้านโทรคมนาคมอิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์ ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม และหุ่นยนต์ ความสามารถในการสร้างวงจรที่มีขนาดเล็กลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้นได้เปลี่ยนแปลงการออกแบบและการผลิตผลิตภัณฑ์ ส่งผลให้ได้อุปกรณ์ที่มีขนาดกะทัดรัด ทรงพลัง และประหยัดพลังงานมากขึ้น

ข้อดีเหนือวาล์วเทอร์มิเดียน (และเหตุใดจึงยังคงใช้อยู่บ้าง)

ก่อนการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ หลอดสุญญากาศครองความเป็นใหญ่ แต่หลอดสุญญากาศต้องการแรงดันไฟฟ้าสูง ที่เป็นอันตราย กินพลังงานมาก มีขนาดใหญ่และหนัก (ตัวเครื่องและหม้อแปลง) มีโอกาสเสียหายได้ง่ายเนื่องจากความร้อนสูงเกินไป และใช้เวลานานในการถึงอุณหภูมิใช้งานเนื่องจากความร้อนของไส้หลอด นอกจากนี้ยังประสบปัญหาเรื่องไมโครโฟนิกส์และทำงานที่ความต้านทานสูงทรานซิสเตอร์นำมาซึ่งการใช้พลังงานต่ำ แรงดันไฟฟ้าต่ำ ขนาดกะทัดรัด ทนทาน และต้นทุนที่ต่ำกว่าตั้งแต่เริ่มต้น

ข้อเท็จจริงทางประวัติศาสตร์แสดงให้เห็นถึงความแตกต่าง: ENIAC ซึ่งเป็นหนึ่งในคอมพิวเตอร์ดิจิทัลเครื่องแรก มีน้ำหนักมากกว่า30 ตันและใช้พลังงานประมาณ 200 กิโลวัตต์ในการขับเคลื่อนหลอดสุญญากาศประมาณ 18.000 หลอด โดยมีการชำรุดเสียหายเป็นประจำทุกวัน ถึงกระนั้น หลอดสุญญากาศก็ยังคงอยู่รอดในบางกลุ่มเฉพาะ เช่น วิทยุหรือเครื่องขยายเสียงกำลังสูงบางรุ่น (เนื่องจากมีความเที่ยงตรงสูงและลักษณะเฉพาะของฮาร์โมนิก) อุปกรณ์ที่ทนทานต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและการใช้งานที่ต้องการกำลังสูงมาก เมื่อเวลาผ่านไป อิเล็กทรอนิกส์แบบโซลิดสเตทก็เข้ามาพิชิตขอบเขตเหล่านี้ในหลายๆ ด้านเช่นกัน

ลักษณะและรายละเอียดการก่อสร้าง

โดยทั่วไปแล้ว ทรานซิสเตอร์แบบแยกชิ้นเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบปิดผนึกที่มีขั้วต่อที่มองเห็นได้สามขั้ว สามารถกำหนดค่าเป็นขั้นๆ เพื่อทำหน้าที่เป็นตัวขยายสัญญาณ สวิตช์ ออสซิลเลเตอร์ หรือตัวเรียงกระแสซิลิคอนเป็นที่นิยมใช้ในการออกแบบหลายๆ แบบเนื่องจากคุณสมบัติทางความร้อนและการรั่วไหล แต่ก็ยังมีทรานซิสเตอร์ตระกูลเจอร์มาเนียมและสารประกอบสำหรับงานเฉพาะ เช่นไมโครเวฟหรือการใช้งานความเร็วสูงมาก

ในทรานซิสเตอร์แบบ BJT เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แรงดันไฟตรงรอยต่อจะลดลง และกระแสรั่วไหลอาจเพิ่มขึ้น ดังนั้นการระบายความร้อนและการเลือกพิกัดกำลังสูงสุดจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ในทรานซิสเตอร์แบบ FET กำลังสูง กระบวนการผลิตอาจก่อให้เกิดไดโอดปรสิต (เช่น ไดโอด Schottky ระหว่างแหล่งกำเนิดและขั้วระบาย) ซึ่งเป็นสิ่งที่ต้องพิจารณาในการออกแบบวงจร

การเปรียบเทียบวัสดุอย่างรวดเร็ว

หากคุณสงสัยว่าทำไมวัสดุบางชนิดจึงเร็วกว่าชนิดอื่น ลองพิจารณาเรื่องความคล่องตัวของ อิเล็กตรอนและโฮลดู เจอร์มาเนียม (Ge) มีความคล่องตัวสูง แต่มีอุณหภูมิสูงสุดต่ำกว่า มีการรั่วไหลมากกว่า และทนต่อแรงดันไฟฟ้าสูง ได้น้อยกว่า ซิลิคอน (Si) มีความสมดุลที่ดีเยี่ยมและอุณหภูมิรอยต่อโดยทั่วไปอยู่ที่ 150-200 °C ส่วนแกลเลียมอาร์เซนิก (GaAs) นั้นมีประสิทธิภาพสูงในความถี่สูง แม้ว่ากระบวนการผลิตจะซับซ้อนกว่าก็ตาม นี่คือเหตุผลว่าทำไมแต่ละชนิดจึงครองความเป็นเลิศในกลุ่มผลิตภัณฑ์ของตนเอง

การใช้งานดิจิทัล: จากสวิตช์ที่สมบูรณ์แบบสู่ตรรกะ

ในการสวิตช์แบบดิจิทัล ทรานซิสเตอร์ทำงานโดยการสลับระหว่างสถานะตัดกระแสและสถานะอิ่มตัวซึ่งในอุดมคติแล้วมันจะทำงานเหมือนวงจรเปิดหรือวงจรปิด ความเร็วในการสวิตช์และการใช้พลังงานต่ำนี้ทำให้สามารถสร้างเกตตรรกะและระบบเลขฐานสอง ได้ และเมื่อต่อกันแบบอนุกรม ก็จะสามารถสร้างซีพียูและหน่วยความจำได้ ด้วยเทคโนโลยี MOSFET และ CMOS การใช้พลังงานในสภาวะคงที่นั้นต่ำมาก เนื่องจากเกตไม่นำกระแสในกระแสตรงและกระแสจะถูกใช้เฉพาะในช่วงการเปลี่ยนสถานะเท่านั้น

ข้อดีเชิงปฏิบัติในการติดตั้งและอุปกรณ์

สำหรับการใช้งานในชีวิตประจำวัน ทรานซิสเตอร์มีข้อดีหลายประการ ได้แก่ขนาดเล็ก (ทำให้ขนส่งและติดตั้งอุปกรณ์ได้ง่ายขึ้น) อายุการใช้งานยาวนาน (ต้องการการบำรุงรักษาน้อยลง) ความเร็ว (สำคัญมากในโปรเซสเซอร์และการสื่อสาร) ต้นทุนต่ำ (ลดต้นทุนระบบ) และประสิทธิภาพการใช้พลังงาน (การสูญเสียน้อยที่สุด) ในบ้าน ทุกสิ่งเล็กๆ น้อยๆ ก็ช่วยได้ ตั้งแต่แหล่งจ่ายไฟที่เสถียรและควบคุมได้ ไปจนถึงระบบอัตโนมัติและการประหยัดพลังงาน

คำถามที่พบบ่อยที่ควรได้รับคำตอบ

ทรานซิสเตอร์ใช้สำหรับการขยายสัญญาณอย่างเดียวหรือไม่? ไม่ใช่ มันยังเป็นสวิตช์ ที่เงียบและเร็วมาก เป็นส่วนประกอบพื้นฐานของวงจรลอจิก เป็นตัวตรวจจับแสง (โฟโตทรานซิสเตอร์) หรือเป็นส่วนหนึ่งของออสซิลเลเตอร์ความอเนกประสงค์ของมันคือข้อได้เปรียบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของมัน

ปัจจุบันเทคโนโลยีนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมใดบ้าง? แทบทุกอุตสาหกรรมเลยก็ว่าได้ ไม่ว่าจะเป็นโทรคมนาคมและเครือข่ายอุปกรณ์ทางการแพทย์ ยานยนต์ พลังงาน การผลิต และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค การผสมผสานระหว่างพลังงาน การย่อส่วน และการควบคุมได้เพิ่มผลกระทบของเทคโนโลยีนี้อย่างทวีคูณ

ทำไมบางคนถึงพูดถึง "เปิด/ปิด"? มันเป็นวิธีพูดแบบไม่เป็นทางการที่หมายถึงสถานะของการตัดการเชื่อมต่อ (ปิด) และการนำไฟฟ้า (ทำงานหรืออิ่มตัว) ในทางปฏิบัติ นี่คือตำแหน่งเชิงตรรกะที่อนุญาตให้เปิดหรือปิดการไหลของกระแสไฟฟ้า ได้

กว่าเจ็ดสิบปีหลังจากกำเนิดขึ้น ทรานซิสเตอร์ยังคงเป็นหัวใจสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์: ตั้งแต่จุดสัมผัสแรกบนเจอร์มาเนียมไปจนถึง MOSFET รุ่นล่าสุด มีความก้าวหน้านับพันครั้ง แต่แนวคิดหลักยังคงไม่เปลี่ยนแปลง: คือการควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าอย่างแม่นยำเพื่อสร้างสัญญาณที่แรงและสะอาดกว่า หรือตรรกะที่เชื่อถือได้ภายในพื้นที่ที่เล็กลงเรื่อยๆ