Transistör nedir ve ne için kullanılır: türleri, tarihi ve kullanımları

Dijital Bilgi » Kaynaklar » Transistör nedir ve ne için kullanılır: türleri, tarihi ve kullanım alanları

Bugün cebinizde bir cep telefonu taşıyorsanız, kompakt bir stereo sistemde müzik dinliyorsanız veya ultra ince bir bilgisayardan internete bağlanıyorsanız , bunların hepsi küçük ama güçlü bir icat sayesinde: transistör. 40'ların sonlarında ortaya çıkışından bu yana, bu yarı iletken cihaz, modern elektroniğin minyatürleşmesini ve gücünü yönlendirdi. Bu makalede, transistörün ne olduğunu ve ne için kullanıldığını , iç işleyişini, mevcut farklı türlerini, hangi parametrelerin gerçekten önemli olduğunu ve tarihinin neden teknolojide bir dönüm noktası olduğunu ayrıntılı olarak açıklayacağız.

Temel tanımı tek bir cümleyle özetlenebilse de, kapsamı çok geniştir: Bir transistör , üçüncü bir terminale uygulanan bir sinyale yanıt olarak iki terminal arasındaki akım akışını kontrol eder veya değiştirir . Bu nedenle, ev hoparlöründen tıbbi tarayıcıya kadar çeşitli uygulamalarda amplifikatör , anahtar , osilatör veya hatta doğrultucu olarak görev yapar . Adım adım inceleyelim.

Transistör nedir?

"Transistör" kelimesi İngilizce "transfer resist " ifadesinden gelir . Pratikte, en az üç terminali olan ve üçüncü terminalde ne olduğuna bağlı olarak herhangi iki terminal arasında daha fazla veya daha az akım geçmesine izin verebilen bir yarı iletken bileşendir. Akım veya iletkenlik üzerindeki bu kontrol, zayıf sinyalleri yükseltmesine veya çok hızlı bir anahtar görevi görmesine olanak tanır.

Klasik formunda, bipolar bağlantı transistörünün (BJT) bir emitörü, tabanı ve kollektörü vardır. Taban üzerinden giren küçük bir akım, emitör ve kollektör arasındaki çok daha büyük bir akımı kontrol eder. Alan etkili transistörlerde (FET'ler) ise kontrol, kapıya voltaj uygulanarak, çok yüksek giriş empedansına sahip kaynak ve drenaj arasındaki bir kanalın iletkenliğinin modüle edilmesiyle sağlanır.

Çoğunlukla silikondan üretilirler , ancak germanyum, galyum arsenit (GaAs) veya silikon-germanyum alaşımlarından da üretilirler ve entegre devrelerde (mikroçipler) yaygın olarak kullanılırlar veya ayrı bileşenler olarak paketlenirler. Ambalajları genellikle plastik veya metal bir kasa ve üç pim ile hava geçirmez şekilde kapatılmıştır ve neredeyse tüm modern elektroniklerin temel aktif elemanıdırlar.

Biraz temel tarih

Katı hal devrelerinde akımları kontrol etme hayali, endüstriyel olarak gerçekleştirilmesinden çok daha öncesine dayanmaktadır. 1925'te Julius Edgar Lilienfeld, FET'i öngören cihazlar için Kanada'da ve daha sonra ABD'de patentler aldı, ancak yarı iletken malzemeler pratik uygulama için gerekli kaliteye sahip değildi . 1934'te Oskar Heil Avrupa'da benzer bir şeyin patentini aldı ve kristallerle yapılan deneyler çoğaldı. Buna rağmen, 1947'ye kadar Bell Laboratuvarları'nda John Bardeen ve Walter Brattain, germanyum kristali üzerindeki iki altın uçla sinyal kazancını gözlemlemediler.

Sonraki aylarda William Shockley, yarı iletken fiziğine daha derinlemesine daldı ve ilk patent başvurusu 1948'de yapılan bipolar bağlantılı transistörü önerdi. Aynı yıl, Fransa'da Herbert Mataré ve Heinrich Welker, telefon şebekesi için "transistron"u bağımsız olarak geliştirdiler. Kısa bir süre sonra, 1953'te Philco, ilk yüksek frekanslı transistörü (60 MHz'e kadar) tanıttı ve 1954'te Bell Labs'ta (Morris Tanenbaum) ilk çalışan silikon transistör elde edildi ve ilk ticari model Texas Instruments'ta (Gordon Teal) üretildi.

Bir sonraki büyük devrim , 1960 yılında Dawon Kahng ve Martin Atalla tarafından geliştirilen ve santimetre kare başına milyonlarca transistörü entegre etmenin anahtarı olan MOSFET oldu. Bu dönüm noktasının tanınmasıyla Shockley, Bardeen ve Brattain, araştırmaları ve transistör etkisinin keşfi nedeniyle 1956 yılında Nobel Fizik Ödülü'nü aldılar . O zamandan beri, elektronik, taşınabilir radyolardan bilgisayarlara ve telekomünikasyon ve tıbbı kapsayan bilgisayar tarihinin zaman çizelgesinde bir patlama yaşadı.

BJT'nin yapısı, sinyalleri ve çalışma şekli

Bir BJT, iki PN eklemi oluşturan üç katkılı bölgeden oluşur : emitör, baz ve kollektör. Bunlar NPN veya PNP olarak inşa edilir (ortadaki harf baz tipini gösterir) ve her bölgenin katkılaması dikkatlice kontrol edilir: tipik olarak, emitör kollektörden daha fazla katkılanır . Çalışma sırasında, kollektör akımı, beta (β) parametresi veya akım kazancı ile belirlenen baz akımına yaklaşık olarak orantılıdır.

Taban ve emitör arasında, tipik bir V _{_BE voltajı silisyumda 0,6–0,8 V ve germanyumda ~0,4 V olan} ileri yönlü polarize bir diyot gibi davranır . Bu diyot, emitörden kollektöre doğru yük taşıyıcılarının akışını açan veya kapatan kontrolü tabana verir. Kavramsal olarak, taban elektron veya deliklerin bir "musluğunu" düzenler, böylece küçük bir kontrol akımı çıkışta daha büyük bir akımı yönetir.

Çalışma modları: aktif, kesme ve doygunluk

Transistör, aktif bölgede doğrusal bir yükseltici olarak çalışabilir ve burada akımın taban uyarımına orantılı olarak akmasına izin verir. Taban yeterli uyarım almazsa, cihaz kapanır ve iletim yapmaz. Uyarım yüksekse, doyuma ulaşır ve devrenin izin verdiği maksimum akımı iletir. Bu çok yönlülük, onu hızlı bir anahtar veya zayıf sinyal yükseltici olarak uygun hale getirir.

Özetle NPN ve PNP

NPN transistörde elektronlar tipik olarak kollektörden emitöre doğru akar ve cihaz, pozitif bir referansla taban akımının artırılmasıyla etkinleştirilir; PNP transistörde ise pratik yön tersine çevrilir (emitörden kollektöre) ve önyargılama mantığı tamamlayıcıdır, bu da birçok analog veya anahtarlama aşamasında simetrik konfigürasyonlara olanak tanır.

Karşılaşacağınız transistör türleri

Bu aile geniş kapsamlıdır, ancak hepsinin ortak temel prensibi elektrik akışını kontrol etmektir. İşte en yaygın olanları ve bilinmesi gereken bazı tarihi örnekler:

• Zamanında iletişimÖncü (1947), iki germanyum uçlu. Üretimi zor, kırılgan ve gürültülü olmasına rağmen, ilk kez kazancını kanıtladı. Bugün bir müze parçası.
• Bipolar Bağlantı Transistörü (BJT)Tek bir yarı iletken kristal üzerinde bulunan ve verici safsızlıklar (arsenik, fosfor) veya alıcı safsızlıklar (alüminyum, indiyum, galyum) ile katkılanmış klasik NPN/PNP transistörü. akım kontrollü cihaz.
• Alan Etkili Transistörler (FET): JFET (kavşak kapısı PN), IGFET ve MOSFET (pasla yalıtılmış kapı). Bunlar voltaj kontrollü, çok yüksek giriş empedansına sahip; büyük ölçekli entegrasyonun temel taşı.
• Fototransistörler: ışığa duyarlı, aydınlatmanın bir temel akım görevi gördüğü; mükemmel uzaktan algılama elektromanyetik radyasyonla.
• IGBT: yalıtımlı kapılı bipolar, yaygın olarak kullanılır güç BJT ve MOSFET'in avantajlarını birleştirerek.
• Darlington çiftiAynı paket içerisinde iki kademeli BJT, güç tüketimini büyük ölçüde artırır. küresel kazanç.

Fark yaratan parametreler ve malzemeler

Bir transistör seçerken, sadece tipi önemli bir faktör değildir; elektriksel parametreleri de çok önemlidir : kırılma gerilimleri (kollektör-emiter, baz-emiter, kollektör-baz), maksimum güç, ısı dağılımı, çalışma frekansı , β (transformatör-emiter β) ve iç dinamik dirençler. Küçük sinyalli BJT'lerde β genellikle 100 ile 300 arasında değişir. VBE _{(transformatör -emiter gerilimi) silikonda yaklaşık} -2,1 mV/°C oranında sıcaklıkla azalır , bu nedenle bazı tasarımlar termal sensörler veya kompanzasyon mekanizmaları içerir.

Malzeme de önemlidir: germanyum, silisyumdan daha yüksek hareketlilik sunar, ancak sızıntı ve izin verilen sıcaklık daha kötüdür; silisyum, sağlamlığı ve kolay üretimi nedeniyle öne çıkar; GaAs, elektronik hareketliliği sayesinde yüksek frekanslarda parlar. Son derece düşük gürültü ve yüksek hıza sahip HEMT'ler gibi cihazlar GaAs /AlGaAs üzerine kuruludur ve 12 GHz civarındaki uydu alıcılarında ve nitrürlerle birlikte yeni nesil güç uygulamalarında kullanılır.

BJT'yi görselleştirmenin bir diğer kullanışlı yolu da Ebers-Moll modelidir : biri ileri kutuplu baz-emiter, diğeri ters kutuplu baz-kollektör olmak üzere iki diyot. Bu, tipik bir VBE'nin (0,6-0,8 V Si) neden ortaya çıktığını _ve doğrusal bölgenin dışında nasıl davrandığını anlamaya yardımcı olur. JFET'lerde ve MOSFET'lerde kapı voltajı baskındır: JFET-GS'de kapıyı daha negatif hale getirmek kanalı sıkıştırır; MOSFET'lerde kapı ideal olarak DC akım çekmez ve sinyal, kaynak ve drenaj arasındaki kanal iletkenliğini kontrol eder.

En sık kullanılan amplifikatör yapılandırmaları

BJT'ler söz konusu olduğunda, genellikle üç klasik topoloji üzerinden düşünmek yaygındır. Her biri farklı bir özelliği (voltaj, akım veya empedans) optimize eder; bu nedenle hala tüm kitaplarda ve projelerde yer alırlar.

• ortak yayıcıFaz ters çevirmeli voltaj ve akım kazancı; bu, iş gücüdür. Bir emitör direnci stabilize eder Ve eğer bir kondansatörle köprülenirse, AC kazancını geri kazanır.
• Ortak toplayıcı (emitter follower): voltaj kazancı 1'e yakın, yüksek giriş empedansı ve düşük çıkışlıdır; empedans adaptörü olarak idealdir.
• Ortak taban: faz ters çevirme olmadan akım kazancı ve çok düşük giriş empedansıBelirli kurulumlarda dinamik mikrofonlar gibi düşük empedanslı sinyal kaynaklarıyla parlar.

Pratik bir örnek (bölücülü polarize ortak yayıcı)

V ile bir sahne tasarladığınızı düşünün_CC=20 V, I_CQ=10 mA, V_CEQ=8 V ve β=100. Emitör voltajını V'un 1/10'u civarında ayarlarsanız_CC (2 V), şunu elde edersiniz: R_E≈200 ΩR'deki düşüş_C V olurdu_RC=V_CC-V_CE-V_E=10 V, I ile_C=10 mA ise R_C=1 kΩTaban V'de kalır_B=V_E+V_BE≈2,7 V. Bölücüyü taban akımının yaklaşık on katı bir akımla boyutlandırırsanız, şunu elde edersiniz: R₂≤ 2 kΩ ve V'ye orantılı olarak_CC, R₁≈12,8 kΩ.

Küçük sinyaller için, 10 mA'de dahili emitörün dinamik direnci (r _{_e}) ~26 mV/I ≈ 2,6 Ω'dur ve bu da yaklaşık ideal voltaj kazancı A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385 verir. Kollektörde 5 kΩ'luk bir yük ile etkin çıkış empedansı yaklaşık 830 Ω'dur ve kazanç ≈ −319'a düşer. Taban ucunda görülen empedans r _{_e} · β ≈ 260 Ω'dur ve bölücü ve taban ucu paralel olarak düşünüldüğünde toplam giriş empedansı ≈ 226 Ω'dur. Bağlantı ve emitör kapasitörleri, çalışma bandında reaktanslarının ihmal edilebilir olması için seçilmiştir .

Bu örnek , yük hattı ve Q noktası kavramını özetlemektedir : Simetrik sinyal hareketine izin veren bir durgun nokta (genellikle RE olmadan VCE _{≈ VCC} / 2 ₎ seçersiniz . Buradan itibaren, uygulamaya göre kazancı, empedansı ve kararlılığı ayarlarsınız_.

FET ve MOSFET: voltaj kontrolü

FET'lerde, doğrudan bir taban akımı yoktur; bunun yerine kanal genişliğini kontrol eden bir kapı gerilimi vardır. Temel JFET, uçlarında (drenaj ve kaynak) ohmik kontaklar bulunan ve kapıyı oluşturan iki yaygın bölgeye sahip, N tipi veya P tipi malzemeden yapılmış bir çubuktan oluşur. Kapı gerilimi daha negatif hale geldikçe (N tipi bir JFET'te), kanal daralır ve iletim durur.

Öte yandan MOSFET, kapıyı bir oksit dielektrik ile izole eder ve muazzam bir giriş empedansı elde eder. Bu, entegrasyonla uyumlu üretim süreciyle birleştiğinde, modern çiplerin kralı olmasının ve nesiller boyu işlemcileri yönlendirmesinin nedenini açıklar : birden fazla katmanda, santimetre kare başına yüz binlerce ila milyarlarca birbirine bağlı transistörün entegrasyonuna olanak tanır.

Pratik uygulamalar: günlük yaşamdan endüstriye

Hepsini listelemek imkansız, ancak en temsili olanları hatırlamakta fayda var. Transistörler , yükseltici olarak radyolarda, televizyonlarda ve ses ekipmanlarında sinyalleri güçlendirir. Anahtar olarak , anahtarlamalı güç kaynaklarını, motor kontrol cihazlarını ve aydınlatma sistemlerini kontrol ederler. Osilatörlerde , iletişim için radyo frekansı sinyalleri üretirler. Ve elbette, bilgisayarlarda, akıllı telefonlarda ve her türlü dijital cihazda entegre devrelerin temel yapı taşlarıdırlar .

Profesyonel alanda, telekomünikasyon , tıbbi elektronik, endüstriyel otomasyon ve robotikte kritik bir rolleri vardır. Daha küçük ve daha verimli devreler oluşturma yetenekleri , ürün tasarımını ve üretimini dönüştürerek daha taşınabilir, güçlü ve enerji verimli ekipmanların ortaya çıkmasına yol açmıştır.

Termidyon vanalarına göre avantajları (ve neden hala bazen kullanılıyorlar)

Transistörlerden önce vakum tüpleri en üstün teknolojiydi. Ancak tehlikeli derecede yüksek voltaj gerektiriyorlardı , çok fazla enerji tüketiyorlardı, hantal ve ağırdılar (şasi ve transformatörler), aşırı ısınma nedeniyle arızaya daha yatkındılar ve filaman ısınması nedeniyle çalışma sıcaklığına ulaşmaları uzun zaman alıyordu. Ayrıca, mikrofonik etkilerden muzdariptiler ve yüksek empedanslarda çalışıyorlardı . Transistörler ise en başından itibaren düşük güç tüketimi, düşük voltaj, kompaktlık, sağlamlık ve daha düşük maliyet getirdi.

Tarihsel bir gerçek bu farkı gösteriyor: İlk dijital bilgisayarlardan biri olan ENIAC, 30 tondan fazla ağırlığa sahipti ve yaklaşık 18.000 vakum tüpünü çalıştırmak için yaklaşık 200 kW güç tüketiyordu ve günlük arızalar yaşanıyordu. Buna rağmen, vakum tüpleri belirli alanlarda varlığını sürdürdü: bazı yüksek güçlü radyo veya ses yükselticilerinde ( yüksek doğrusallıkları ve harmoniklerinin karakteri nedeniyle), elektromanyetik darbelere karşı dayanıklı ekipmanlarda ve aşırı güç gerektiren uygulamalarda. Zamanla, katı hal elektroniği de bu alanların çoğunu ele geçirdi.

Yapı özellikleri ve detayları

Genel bir kural olarak, ayrık transistör, üç görünür terminale sahip , kapalı bir yarı iletken cihazdır . Amplifikatör, anahtar, osilatör veya doğrultucu olarak işlev görecek şekilde aşamalar halinde yapılandırılabilir . Silikon, termal ve kaçak akım özelliklerinden dolayı birçok tasarımda tercih edilir, ancak mikrodalga veya çok yüksek hızlı uygulamalar gibi belirli görevler için germanyum ve bileşik transistör aileleri de mevcuttur .

BJT'lerde sıcaklık arttıkça ileri bağlantı gerilimi azalır ve kaçak akımlar artabilir; bu nedenle ısı dağılımı ve maksimum güç değerinin seçimi çok önemlidir. Güç FET'lerinde ise üretim süreci parazitik diyotlar (kaynak ve drenaj arasına yerleştirilen Schottky diyot gibi) oluşturabilir; bu da devre tasarımında dikkate alınması gereken bir husustur.

Malzemelerin hızlı karşılaştırması

Bazı malzemelerin neden diğerlerinden daha hızlı olduğunu merak ediyorsanız, elektron ve delik hareketliliğini göz önünde bulundurun . Germanyum yüksek hareketliliğe sahip ancak daha düşük maksimum sıcaklığa, daha fazla sızıntıya ve yüksek voltajlara karşı daha düşük toleransa sahiptir; silikon mükemmel bir denge sunar ve tipik bağlantı sıcaklıkları 150-200 °C'dir; galyum selüloz (GaAs) ise yüksek frekanslarda çıtayı yükseltir, ancak üretimi daha zordur. Bu nedenle her biri kendi segmentinde en üstün konumdadır.

Dijital kullanım: Mükemmel geçişten mantığa

Dijital anahtarlamada, bir transistör kesme ve doyma durumları arasında dönüşümlü olarak çalışır ve ideal olarak açık veya kapalı bir devre gibi davranır. Bu anahtarlama hızı ve düşük güç tüketimi, mantık kapılarını ve ikili sistemi mümkün kılar ve kademeli olarak CPU'ları ve bellekleri oluşturur. MOSFET'ler ve CMOS teknolojisi ile, kapı doğru akımda iletim yapmadığı ve akım yalnızca geçişler sırasında tüketildiği için statik güç tüketimi son derece düşüktür.

Kurulum ve cihazlarda pratik avantajlar

Günlük kullanımda transistörler, küçük boyutları (ekipmanların taşınmasını ve entegre edilmesini kolaylaştırır), uzun ömürleri (daha az bakım gerektirir), hızları (işlemcilerde ve iletişimde önemlidir), düşük maliyetleri (sistem maliyetlerini düşürür) ve enerji verimlilikleri (minimum kayıplar) sunar. Bir evde ise her küçük ayrıntı önemlidir: istikrarlı, regüle edilmiş güç kaynaklarından otomasyona ve enerji tasarrufuna kadar.

Cevaplanması gereken sık sorulan sorular

Transistör yalnızca yükseltme için mi kullanılır? Hayır. Aynı zamanda son derece sessiz ve ultra hızlı bir anahtar , mantık devrelerinin yapı taşı, ışık dedektörü (fototransistör) veya osilatörün bir parçasıdır . Çok yönlülüğü en büyük avantajıdır.

Günümüzde hangi sektörlerde kritik öneme sahip? Neredeyse tüm sektörlerde: telekomünikasyon ve ağlar , tıbbi ekipman, otomotiv, enerji, imalat ve tüketici elektroniği. Güç, minyatürleştirme ve kontrolün birleşimi, etkisini kat kat artırdı.

Bazı insanlar neden "açık/kapalı" diye konuşur? Bu, kesik (kapalı) ve iletken (aktif veya doymuş) olma durumlarına atıfta bulunmanın günlük dilde kullanılan bir yoludur. Pratikte, bunlar akımın açılıp kapatılmasını sağlayan mantıksal pozisyonlardır .

Doğuşundan yetmiş yılı aşkın bir süre sonra, transistör elektronik dünyasının kalbi olmaya devam ediyor: germanyum üzerindeki ilk nokta temasından en yeni nesil MOSFET'lere kadar binlerce dönüm noktası yaşandı, ancak temel fikir değişmedi: daha güçlü, daha temiz sinyaller veya giderek küçülen alanlarda güvenilir mantık oluşturmak için elektriğin akışını hassas bir şekilde kontrol etmek.