Ano ang isang transistor at para saan ito ginagamit: mga uri, kasaysayan at gamit

Impormasyong Digital » Mga Mapagkukunan » Ano ang isang transistor at para saan ito ginagamit: mga uri, kasaysayan at gamit

Kung mayroon kang dalang mobile phone sa iyong bulsa ngayon, nakikinig ng musika sa isang compact stereo system, o kumukonekta sa internet mula sa isang ultra-thin computer , ito ay salamat sa isang maliit ngunit makapangyarihang imbensyon: ang transistor. Simula nang lumitaw ito noong huling bahagi ng 40s, ang semiconductor device na ito ang nagtulak sa miniaturization at kapangyarihan ng mga modernong electronics. Sa artikulong ito, ipapaliwanag namin nang detalyado kung ano ang isang transistor at kung para saan ito ginagamit , kung paano ito gumagana sa loob, ang iba't ibang uri na magagamit, kung aling mga parameter ang tunay na mahalaga, at kung bakit ang kasaysayan nito ay nagmarka ng isang mahalagang punto sa teknolohiya.

Bagama't ang pangunahing kahulugan nito ay maaaring ibuod sa isang pangungusap lamang, napakalawak ng saklaw nito: kinokontrol o binabago ng isang transistor ang daloy ng kuryente sa pagitan ng dalawang terminal bilang tugon sa isang signal na inilapat sa ikatlong terminal. Ito ang dahilan kung bakit ito nagsisilbing amplifier , switch , oscillator , o kahit rectifier , sa mga aplikasyon mula sa isang home speaker hanggang sa isang medical scanner. Ating talakayin ito nang paunti-unti.

Ano ang isang transistor?

Ang salitang transistor ay nagmula sa Ingles na ekspresyong "transfer resistor ." Sa pagsasagawa, ito ay isang bahagi ng semiconductor na may hindi bababa sa tatlong terminal na may kakayahang magpahintulot ng higit o mas kaunting kuryente na dumaloy sa pagitan ng alinman sa dalawa sa mga ito depende sa kung ano ang mangyayari sa pangatlo. Ang kontrol na ito sa kuryente o conductance ng channel ang nagpapahintulot dito na palakasin ang mahihinang signal o kumilos bilang isang napakabilis na switch.

Sa klasikong anyo nito, ang bipolar junction transistor (BJT) ay may emitter, base, at collector . Ang isang maliit na kuryenteng pumapasok sa base ay kumokontrol sa mas malaking kuryente sa pagitan ng emitter at collector. Sa kaso ng mga field-effect transistor (FET), ang kontrol ay nakakamit sa pamamagitan ng paglalapat ng boltahe sa gate, na binabago ang conductance ng isang channel sa pagitan ng source at drain na may napakataas na input impedance.

Kadalasang gawa ang mga ito mula sa silicon , bagama't mayroon din silang mga germanium, gallium arsenide (GaAs), o silicon-germanium alloys, na malawakang nakabalot sa mga integrated circuit (microchip) o nakabalot bilang mga hiwalay na bahagi. Ang kanilang mga balot ay karaniwang hermetic na selyado , na may plastik o metal na pambalot at tatlong pin, at ang mga ito ang pangunahing aktibong elemento ng halos lahat ng modernong elektroniko.

Isang kaunting mahahalagang kasaysayan

Ang pangarap na kontrolin ang mga kuryente sa mga solid-state circuit ay nauna pa sa pagsasakatuparan nito sa industriya. Noong 1925, nagparehistro si Julius Edgar Lilienfeld ng mga patente sa Canada at kalaunan sa US para sa mga aparatong umaasahan sa FET, ngunit ang mga materyales na semiconductor ay kulang sa kinakailangang kalidad para sa praktikal na aplikasyon. Noong 1934, nagpatent si Oskar Heil ng katulad na bagay sa Europa, at lumaganap ang mga eksperimento sa mga kristal. Gayunpaman, noong 1947 lamang naobserbahan nina John Bardeen at Walter Brattain, sa Bell Laboratories, ang signal gain na may dalawang gintong dulo sa isang kristal na germanium.

Sa mga sumunod na buwan, mas malalim na pinag-aralan ni William Shockley ang semiconductor physics at iminungkahi ang bipolar junction transistor , kung saan ang unang aplikasyon para sa patente ay isinampa noong 1948. Nang taon ding iyon, sa France, sina Herbert Mataré at Heinrich Welker ay malayang bumuo ng "transistron" para sa network ng telepono. Di-nagtagal pagkatapos, noong 1953, ipinakita ng Philco ang unang high-frequency transistor (hanggang 60 MHz), at noong 1954 ang unang operational silicon transistor ay nakamit sa Bell Labs (Morris Tanenbaum), kung saan ang unang komersyal na modelo ay ginawa sa Texas Instruments (Gordon Teal).

Ang susunod na malaking rebolusyon ay ang MOSFET , na itinayo noong 1960 nina Dawon Kahng at Martin Atalla, na naging susi sa pagsasama ng milyun-milyong transistor bawat sentimetro kuwadrado. Bilang pagkilala sa mahalagang pangyayaring ito, natanggap nina Shockley, Bardeen, at Brattain ang Nobel Prize sa Physics noong 1956 para sa kanilang pananaliksik at pagtuklas sa epekto ng transistor. Simula noon, ang elektronika ay nakaranas ng isang pagsabog sa timeline ng kasaysayan ng computer : mula sa mga portable na radyo hanggang sa mga computer, at sumasaklaw sa telekomunikasyon at medisina.

Istraktura, signal at kung paano gumagana ang isang BJT

Ang isang BJT ay binubuo ng tatlong rehiyon na may doping na lumilikha ng dalawang PN junctions : emitter, base, at collector. Ang mga ito ay binubuo bilang NPN o PNP (ang gitnang letra ay nagpapahiwatig ng uri ng base), at ang doping ng bawat rehiyon ay maingat na kinokontrol: kadalasan, ang emitter ay mas mabigat na nado-dop kaysa sa collector. Sa operasyon, ang collector current ay humigit-kumulang proporsyonal sa base current, na tinutukoy ng beta (β) parameter , o current gain.

Sa pagitan ng base at emitter, ito ay kumikilos na parang isang forward-biased diode , na may tipikal na boltahe na V _{_BE} na 0,6–0,8 V sa silicon at ~0,4 V sa germanium. Ang diode na ito ang gumagawa sa base bilang kontrol na nagbubukas o nagsasara ng daloy ng mga charge carrier mula sa emitter patungo sa collector. Sa konsepto, kinokontrol ng base ang isang "tap" ng mga electron o butas, upang ang isang maliit na control current ay namamahala sa isang mas malaking gripo sa output.

Mga mode ng pagpapatakbo: aktibo, cut-off, at saturation

Ang transistor ay maaaring gumana bilang isang linear amplifier sa aktibong rehiyon , kung saan pinapayagan nito ang daloy ng kuryente na proporsyonal sa base excitation. Kung ang base ay hindi tumatanggap ng sapat na excitation, ang aparato ay mapuputol at hindi magko-conduct. Kung mataas ang excitation, ito ay nagpupuno at nagbibigay-daan sa pinakamataas na current na pinahihintulutan ng circuit. Ang versatility na ito ay ginagawa itong angkop bilang isang fast switch o isang weak-signal amplifier.

NPN vs PNP sa madaling sabi

Sa isang NPN transistor, ang mga electron ay karaniwang dumadaloy mula sa collector patungo sa emitter , at ang aparato ay pinapagana sa pamamagitan ng pagpapataas ng base current na may positibong reperensya; sa isang PNP transistor, ang praktikal na direksyon ay nababaligtad (emitter patungo sa collector), at ang biasing logic ay komplementaryo, na nagpapahintulot para sa simetrikal na mga konpigurasyon sa maraming analog o switching stages.

Mga uri ng transistor na makakatagpo mo

Malawak ang pamilya, ngunit lahat sila ay may parehong pangunahing prinsipyo ng pagkontrol sa daloy ng kuryente. Ito ang mga pinakakaraniwan , kasama ang ilang makasaysayang halimbawa na dapat malaman:

• Napapanahong pakikipag-ugnayanAng pioneer (1947), na may dalawang tip sa germanium. Mahirap gumawa, marupok at maingay, ngunit ipinakita nito ang pakinabang sa unang pagkakataon. Ngayon ito ay isang piraso ng museo.
• Bipolar junction transistor (BJT)Ang klasikong NPN/PNP transistor sa iisang semiconductor na kristal, na doped na may mga donor impurities (arsenic, phosphorus) o acceptor impurities (aluminum, indium, gallium). Ito ay isang kasalukuyang kinokontrol na aparato.
• Field-effect transistors (FETs): JFET (junction gate PN), IGFET at MOSFET (pintuan na insulated ng kalawang). Sila ay kontrolado ang boltahe, na may napakataas na input impedance; pundasyon ng malakihang pagsasama.
• Phototransistor: light-sensitive, kung saan ang pag-iilaw ay nagsisilbing base current; perpekto para sa malayuang pagtuklas sa pamamagitan ng electromagnetic radiation.
• IGBT: insulated gate bipolar, malawakang ginagamit sa kapangyarihan sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga bentahe ng BJT at MOSFET.
• Mag-asawang DarlingtonDalawang cascaded BJT sa loob ng parehong pakete ay lubos na nagpapataas ng pandaigdigang pakinabang.

Mga parameter at materyales na gumagawa ng pagkakaiba

Kapag pumipili ng transistor, ang uri nito ay hindi lamang ang mahalagang salik; mahalaga rin ang mga electrical parameter nito : mga breakdown voltages (collector-emitter, base-emitter, collector-base), maximum power, heat dissipation, operating frequency , β (transform-emitter β), at internal dynamic resistances. Sa mga small-signal BJT, ang β ay karaniwang nasa hanay mula 100 hanggang 300. Ang VBE _(transform- emitter voltage) ay bumababa kasabay ng temperatura sa humigit-kumulang −2,1 mV/°C sa silicon, kaya ang ilang disenyo ay nagsasama ng mga thermal sensor o compensation mechanism.

Mahalaga rin ang materyal: ang germanium ay nag-aalok ng mas mataas na mobility kaysa sa silicon, ngunit ang leakage at pinapayagang temperatura nito ay mas malala; nangingibabaw ang silicon dahil sa tibay at kadalian ng paggawa nito; ang GaAs ay kumikinang sa matataas na frequency dahil sa electronic mobility nito. Ang mga device tulad ng HEMT , na may napakababang ingay at mataas na bilis, ay binuo sa GaAs/AlGaAs at ginagamit sa mga satellite receiver na nasa bandang 12 GHz at, kasama ang mga nitride, sa mga susunod na henerasyon ng mga aplikasyon sa kuryente.

Isa pang kapaki-pakinabang na paraan upang mailarawan ang isang BJT ay ang modelong Ebers-Moll : dalawang diode, isa ay forward-biased base-emitter at ang isa ay reverse-biased base-collector. Nakakatulong ito upang maunawaan kung bakit lumilitaw ang isang tipikal na VBE (0,6-0,8 V Si) _at kung paano ito kumikilos sa labas ng linear region. Sa mga JFET at MOSFET, ang boltahe ng gate ay nangingibabaw: ginagawa nitong mas negatibo ang gate sa isang JFET-GS na pumipigil sa channel; sa mga MOSFET, ang gate ay mainam na hindi kumukuha ng DC current, at kinokontrol ng signal ang channel conductance sa pagitan ng source at drain.

Pinakakaraniwang ginagamit na mga configuration ng amplifier

Sa mga BJT, karaniwan nang isipin ang tatlong klasikong topolohiya. Ang bawat isa ay nag-o-optimize ng iba't ibang kalidad (boltahe, kasalukuyang, o impedance), kaya naman matatagpuan pa rin ang mga ito sa lahat ng mga libro at proyekto.

• karaniwang emitterBoltahe at kasalukuyang nakuha, na may phase inversion; ito ang workhorse. Isang emitter resistor nagpapatatag At, kung bridged na may isang kapasitor, ito recovers AC gain.
• Karaniwang kolektor (tagasunod ng emitter): nakakuha ng boltahe malapit sa 1, mataas na input impedance at mababang output; perpekto bilang isang impedance adapter.
• Karaniwang base: kasalukuyang pakinabang, walang phase inversion at napakababang input impedanceIto ay kumikinang na may mababang impedance signal source, gaya ng mga dynamic na mikropono sa ilang partikular na setup.

Isang praktikal na halimbawa (polarized common emitter na may divider)

Isipin na nagdidisenyo ka ng isang entablado kasama si V_CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V at β=100. Kung itinakda mo ang boltahe ng emitter sa paligid ng 1/10 ng V_CC (2 V), nakukuha mo R_E≈200 ΩAng pagbaba sa R_C magiging V_RC=V_CC−V_CE−V_E=10 V, kasama ang I_C=10 mA, pagkatapos R_C=1 kΩAng base ay nananatili sa V_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Kung sukatin mo ang divider na may kasalukuyang humigit-kumulang sampung beses ng base current, makakakuha ka ng R₂≤ 2 kΩ at, sa proporsyon sa V_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Para sa maliliit na signal, ang dynamic resistance ng internal emitter (r _{_e}) sa 10 mA ay ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω, na nagbibigay ng tinatayang ideal na voltage gain na A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. Sa isang 5 kΩ load sa collector, ang effective output impedance ay nasa bandang 830 Ω at ang gain ay bumababa sa ≈ −319. Ang impedance na nakikita sa base ay r _{_e} · β ≈ 260 Ω, at ang kabuuang input impedance, kung isasaalang-alang ang divider at base nang magkapareho, ay ≈ 226 Ω. Ang mga coupling at emitter capacitor ay pinili upang ang kanilang reactance ay bale-wala sa operating band.

Binubuod ng halimbawang ito ang konsepto ng load line at Q-point : pipili ka ng isang quiescent point (madalas ay VCE _≈VCC / 2 nang walang RE ₎ na nagpapahintulot sa simetrikal na signal excursion. Mula doon, inaayos mo ang gain, impedance, at stability ayon sa aplikasyon_.

FET at MOSFET: kontrol ng boltahe

Sa mga FET, walang base current mismo, kundi isang gate voltage na kumokontrol sa lapad ng channel. Ang pangunahing JFET ay binubuo ng isang bar ng N-type o P-type na materyal, na may mga ohmic contact sa mga dulo nito (drain at source) at dalawang diffuse region na bumubuo sa gate. Habang ang gate voltage ay nagiging mas negatibo (sa isang N-type JFET), ang channel ay kumikipot at ang conduction ay humihinto.

Sa kabilang banda, ang MOSFET ay naghihiwalay sa gate gamit ang isang oxide dielectric at nakakamit ng napakalaking input impedance. Ito, kasama ang proseso ng pagmamanupaktura nito na tugma sa integrasyon, ay nagpapaliwanag kung bakit ito ang hari ng modernong chip at kung bakit ito nagtulak ng mga henerasyon ng mga processor : pinapayagan nito ang integrasyon ng daan-daang libo hanggang bilyun-bilyong magkakaugnay na transistor bawat sentimetro kuwadrado sa maraming layer.

Mga praktikal na aplikasyon: mula sa pang-araw-araw na buhay hanggang sa industriya

Imposibleng ilista ang lahat ng mga ito, ngunit mahalagang tandaan ang mga pinakarepresentatibo. Bilang mga amplifier , pinapalakas ng mga transistor ang mga signal sa mga radyo, telebisyon, at kagamitan sa audio. Bilang mga switch , kinokontrol nila ang mga switched-mode power supply, motor controller, at mga sistema ng pag-iilaw. Sa mga oscillator , bumubuo sila ng mga signal ng radio frequency para sa komunikasyon. At, siyempre, ang mga ito ang pangunahing bloke ng pagbuo ng mga integrated circuit sa mga computer, smartphone, at lahat ng uri ng digital device.

Sa larangan ng propesyon, mahalaga ang kanilang papel sa telekomunikasyon , elektronikong medikal, automation ng industriya, at robotika. Ang kanilang kakayahang lumikha ng mas maliliit at mas mahusay na mga circuit ay nagpabago sa disenyo at pagmamanupaktura ng produkto, na nagresulta sa mas madaling dalhin, makapangyarihan, at matipid sa enerhiya na kagamitan.

Mga kalamangan sa mga balbula ng thermidion (at kung bakit ginagamit pa rin ang mga ito minsan)

Bago pa man ang mga transistor, nangingibabaw ang mga vacuum tube. Ngunit ang mga ito ay nangangailangan ng mapanganib na mataas na boltahe , kumokonsumo ng maraming enerhiya, malaki at mabigat (chassis at transformer), mas madaling masira dahil sa sobrang pag-init, at matagal bago maabot ang temperatura ng pagpapatakbo dahil sa pag-init ng filament. Bukod pa rito, nagdusa ang mga ito mula sa mga epekto ng mikropono at gumagana sa mataas na impedances . Ang mga transistor ay nagdala ng mababang pagkonsumo ng kuryente, mababang boltahe, pagiging siksik, katatagan, at mas mababang gastos mula pa sa simula.

Isang makasaysayang katotohanan ang nagpapakita ng pagkakaiba: ang ENIAC, isa sa mga unang digital computer, ay tumimbang ng mahigit 30 tonelada at kumokonsumo ng humigit-kumulang 200 kW upang paganahin ang humigit-kumulang 18.000 vacuum tube, na may pang-araw-araw na pagkasira. Gayunpaman, ang mga vacuum tube ay nanatili sa mga partikular na nitso: ilang high-power radio o audio amplifier (dahil sa kanilang mataas na antas ng linearity at ang katangian ng kanilang harmonics), kagamitang pinatigas laban sa mga electromagnetic pulse , at matinding aplikasyon ng kuryente. Sa paglipas ng panahon, sinakop din ng solid-state electronics ang marami sa mga hangganang ito.

Mga tampok at detalye ng konstruksiyon

Bilang pangkalahatang tuntunin, ang isang discrete transistor ay isang selyadong semiconductor device na may tatlong nakikitang terminal. Maaari itong i-configure nang paunti-unti upang gumana bilang isang amplifier, switch, oscillator, o rectifier . Mas gusto ang Silicon sa maraming disenyo dahil sa mga katangian nito sa thermal at leakage, ngunit mayroon ding mga pamilya ng germanium at compound transistor para sa mga partikular na gawain, tulad ng microwave o mga aplikasyon na may napakabilis na bilis.

Sa mga BJT, habang tumataas ang temperatura, bumababa ang boltahe ng forward junction at maaaring tumaas ang mga leakage current, kaya mahalaga ang heat dissipation at ang pagpili ng maximum power rating. Sa mga power FET, ang proseso ng paggawa ay maaaring lumikha ng mga parasitic diode (tulad ng Schottky diode sa pagitan ng source at drain), isang bagay na dapat isaalang-alang sa disenyo ng circuit.

Mabilis na paghahambing ng mga materyales

Kung nagtataka ka kung bakit mas mabilis ang ilang materyales kaysa sa iba, isaalang-alang ang electron at hole mobility . Ang Ge ay may mataas na mobility ngunit mas mababang maximum temperature, mas malaking leakage, at mas mababang tolerance sa mataas na voltages ; ang Si ay nag-aalok ng mahusay na balance at karaniwang junction temperatures na 150-200 °C; ang GaAs ay nagpapataas ng bar sa mataas na frequency, bagama't mas mahirap ang paggawa nito. Kaya naman ang bawat isa ay nangingibabaw sa kani-kanilang segment.

Digital na paggamit: mula sa perpektong paglipat sa lohika

Sa digital switching, ang isang transistor ay gumagana sa pamamagitan ng pagpapalit-palit sa pagitan ng cutoff at saturation , kung saan ito ay mainam na kumikilos na parang isang bukas o saradong circuit. Ang bilis ng switching at mababang konsumo ng kuryente ay ginagawang posible ang mga logic gate at ang binary system , at, sa cascade, mga CPU at memory. Gamit ang mga MOSFET at CMOS technology, ang static power consumption ay napakababa dahil ang gate ay hindi nagko-conduct sa DC at ang kuryente ay nagagamit lamang sa panahon ng mga transition.

Mga praktikal na pakinabang sa mga pag-install at device

Para sa pang-araw-araw na paggamit, ang mga transistor ay nag-aalok ng maliit na sukat (na ginagawang mas madaling dalhin at i-integrate ang kagamitan), mahabang buhay (nangangailangan ng mas kaunting maintenance), bilis (pagpasok ng mga processor at komunikasyon), mababang gastos (pagbabawas ng mga gastos sa system), at kahusayan sa enerhiya (minimal na pagkalugi). Sa isang tahanan, ang bawat maliit na bahagi ay nakakatulong: mula sa matatag at regulated na mga power supply hanggang sa automation at pagtitipid ng enerhiya.

Mga madalas itanong na dapat sagutin

Ginagamit lamang ba ang transistor para sa amplification? Hindi. Isa rin itong ultra-tahimik at ultra-mabilis na switch , isang building block ng mga logic circuit, isang light detector (phototransistor), o bahagi ng isang oscillator . Ang versatility nito ang pinakamalaking bentahe.

Sa aling mga industriya ito mahalaga ngayon? Halos lahat ng mga ito: telekomunikasyon at network , kagamitang medikal, automotive, enerhiya, pagmamanupaktura, at mga elektronikong pangkonsumo. Ang kombinasyon ng kuryente, pagpapaliit, at kontrol ay nagparami ng epekto nito.

Bakit pinag-uusapan ng ilang tao ang "on/off"? Ito ay isang kolokyal na paraan ng pagtukoy sa mga estado ng pagiging putol (off) at pagkokondukta (aktibo man o saturated). Sa pagsasagawa, ito ang mga lohikal na posisyon na nagpapahintulot sa daloy ng kuryente na i-on o i-off .

Pitumpu't mahigit isang daang taon matapos itong ipanganak, ang transistor ay nananatiling puso ng elektronika: mula sa unang punto ng pakikipag-ugnayan sa germanium hanggang sa pinakabagong henerasyon ng mga MOSFET, mayroong libu-libong mahahalagang pangyayari, ngunit ang pangunahing ideya ay hindi nagbago: ang tumpak na kontrolin kung paano dumadaloy ang kuryente upang lumikha ng mas malakas at mas malinis na mga signal o maaasahang lohika sa loob ng mas maliliit na espasyo.

Kaugnay na artikulo:

Ano ang mga Digital System: Isang mahalagang panimula sa pag-unawa sa teknolohiya