Що таке транзистор і для чого він використовується: типи, історія та застосування

Інформатек Діджитал » Ресурси » Що таке транзистор і для чого він використовується: типи, історія та застосування

Якщо ви сьогодні носите мобільний телефон у кишені, слухаєте музику на компактній стереосистемі або підключаєтеся до Інтернету з надтонкого комп'ютера , то це завдяки невеликому, але потужному винаходу: транзистору. З моменту своєї появи наприкінці 40-х років цей напівпровідниковий прилад сприяв мініатюризації та розвитку потужності сучасної електроніки. У цій статті ми детально пояснимо, що таке транзистор і для чого він використовується , як він працює всередині, які різні типи доступні, які параметри дійсно мають значення та чому його історія стала поворотним моментом у розвитку технологій.

Хоча його основне визначення можна підсумувати одним реченням, сфера його застосування величезна: транзистор контролює або змінює потік струму між двома виводами у відповідь на сигнал, поданий на третій вивід. Саме тому він служить підсилювачем , перемикачем , генератором або навіть випрямлячем у різних сферах застосування, від домашньої колонки до медичного сканера. Давайте розглянемо це крок за кроком.

Що таке транзистор?

Слово «транзистор» походить від англійського виразу «transfer resistor» (перехідний резистор ). На практиці це напівпровідниковий компонент щонайменше з трьома виводами, здатний пропускати більший або менший струм між будь-якими двома з них залежно від того, що відбувається на третьому. Цей контроль над струмом або провідністю каналу дозволяє йому підсилювати слабкі сигнали або діяти як дуже швидкий перемикач.

У своєму класичному вигляді біполярний транзистор (БПТ) має емітер, базу та колектор . Невеликий струм, що проходить через базу, керує набагато більшим струмом між емітером та колектором. У випадку польових транзисторів (ПТ) керування досягається шляхом подачі напруги на затвор, модулюючи провідність каналу між витоком та стоком з дуже високим вхідним імпедансом.

Вони здебільшого виготовляються з кремнію , хоча також існують з германію, арсеніду галію (GaAs) або кремній-германієвих сплавів, масово вбудовані в інтегральні схеми (мікрочіпи) або упаковані як дискретні компоненти. Їхня упаковка зазвичай герметична , з пластиковим або металевим корпусом та трьома контактами, і вони є основним активним елементом майже всієї сучасної електроніки.

Трохи важливої ​​історії

Мрія про керування струмами в твердотільних схемах передувала її промисловій реалізації. У 1925 році Юліус Едгар Лілієнфельд зареєстрував патенти в Канаді, а пізніше в США на пристрої, які передбачали польові транзистори, але напівпровідникові матеріали не мали необхідної якості для практичного застосування. У 1934 році Оскар Гайль запатентував щось подібне в Європі, і експерименти з кристалами поширилися. Незважаючи на це, лише в 1947 році Джон Бардін і Волтер Браттейн з Bell Laboratories спостерігали посилення сигналу за допомогою двох золотих наконечників на кристалі германію.

У наступні місяці Вільям Шоклі глибше занурився у фізику напівпровідників і запропонував біполярний транзистор , на який перша патентна заявка була подана в 1948 році. Того ж року у Франції Герберт Матаре та Генріх Велкер незалежно розробили «транзистрон» для телефонної мережі. Невдовзі після цього, в 1953 році, Philco представила перший високочастотний транзистор (до 60 МГц), а в 1954 році в Bell Labs (Морріс Таненбаум) було створено перший робочий кремнієвий транзистор , а перша комерційна модель була виготовлена ​​в Texas Instruments (Гордон Тіл).

Наступною великою революцією став MOSFET , створений у 1960 році Давоном Кангом та Мартіном Аталлою, який став ключем до інтеграції мільйонів транзисторів на квадратний сантиметр. На знак визнання цієї віхи Шоклі, Бардін та Браттейн отримали Нобелівську премію з фізики в 1956 році за свої дослідження та відкриття транзисторного ефекту. Відтоді електроніка пережила вибуховий розвиток в історії комп'ютерів : від портативних радіоприймачів до комп'ютерів, охоплюючи телекомунікації та медицину.

Структура, сигнали та принцип роботи біполярного транзистора

Біполярний транзистор (БДТ) складається з трьох легованих областей, які створюють два PN-переходи : емітер, база та колектор. Вони конструюються як NPN або PNP (середня літера вказує на тип бази), і легування кожної області ретельно контролюється: зазвичай емітер легований сильніше, ніж колектор. Під час роботи струм колектора приблизно пропорційний струму бази, що визначається параметром бета (β) або коефіцієнтом посилення за струмом.

Між базою та емітером він поводиться як діод із прямим зміщенням , з типовою напругою V _**BE** 0,6–0,8 В у кремнії та ~0,4 В у германії. Цей діод робить базу керуючим елементом, який відкриває або закриває потік носіїв заряду від емітера до колектора. Концептуально, база регулює «відведення» електронів або дірок, так що малий керуючий струм керує більшим на виході.

Режими роботи: активний, відсікання та насичення

Транзистор може працювати як лінійний підсилювач в активній області , де він пропускає струм, пропорційний збудженню бази. Якщо база не отримує достатнього збудження, пристрій вимикається і не проводить струм. Якщо збудження високе, він насичується і пропускає максимальний струм, дозволений схемою. Ця універсальність робить його придатним як швидкий ключ або підсилювач слабкого сигналу.

NPN проти PNP в двох словах

У NPN-транзисторі електрони зазвичай рухаються від колектора до емітера , і пристрій активується збільшенням струму бази за допомогою позитивного опорного струму; у PNP-транзисторі практичний напрямок зворотний (від емітера до колектора), а логіка зміщення є комплементарною, що дозволяє створювати симетричні конфігурації в багатьох аналогових або комутаційних каскадах.

Типи транзисторів, з якими ви зіткнетеся

Сімейство є широким, але всі вони мають один і той самий базовий принцип керування електричним потоком. Ось найпоширеніші з них , а також деякі історичні приклади, про які варто знати:

• Своєчасний контактПіонер (1947), з двома германієвими наконечниками. Складний у виготовленні, крихкий та галасливий, але вперше продемонстрував перевагу. Сьогодні це музейний експонат.
• Біполярний транзистор (BJT)Класичний NPN/PNP-транзистор на одному напівпровідниковому кристалі, легований донорними домішками (миш'як, фосфор) або акцепторними домішками (алюміній, індій, галій). Це... пристрій з керуванням струмом.
• Польові транзистори (FET)JFET (перехідний затвор PN), IGFET та MOSFET (двері ізольовані від іржі). Вони є керований напругою, з дуже високим вхідним імпедансом; наріжний камінь великомасштабної інтеграції.
• Фототранзистори: світлочутливий, де освітлення діє як базовий струм; ідеально підходить для дистанційне виявлення електромагнітним випромінюванням.
• IGBTізольований затвор біполярний, широко використовується в потужність поєднуючи переваги біполярного транзистора (BJT) та поліморійного (MOSFET) транзистора (MOSFET).
• Подружжя ДарлінгтонДва каскадно з'єднані біполярні транзистори в одному корпусі значно збільшують глобальний зиск.

Параметри та матеріали, що мають вирішальне значення

При виборі транзистора його тип є не єдиним важливим фактором; вирішальні також є його електричні параметри : пробивна напруга (колектор-емітер, база-емітер, колектор-база), максимальна потужність, тепловіддача, робоча частота , β (трансформатор-емітер β) та внутрішні динамічні опори. У малосигнальних біполярних транзисторах β зазвичай коливається від 100 до 300. Напруга _{трансформатора-емітера (} VBE) зменшується з температурою приблизно до -2,1 мВ/°C у кремнії, тому деякі конструкції містять теплові датчики або механізми компенсації.

Матеріал також має значення: германій пропонує вищу рухливість, ніж кремній, але його витік та допустима температура гірші; кремній домінує завдяки своїй міцності та простоті виготовлення; GaAs випромінює високі частоти завдяки своїй електронній рухливості. Пристрої, такі як HEMT , з надзвичайно низьким рівнем шуму та високою швидкістю, побудовані на GaAs/AlGaAs та використовуються в супутникових приймачах близько 12 ГГц, а з нітридами - в енергетичних системах наступного покоління.

Ще один корисний спосіб візуалізації біполярного транзистора (БТ) – це модель Еберса-Молла : два діоди, один зміщений у прямому напрямку (база-емітер), а інший – зміщений у зворотному напрямку (база-колектор). Це допомагає зрозуміти, чому з'являється типовий VBE (0,6-0,8 В Si) _і як він поводиться поза лінійною областю. У JFET та MOSFET напруга на затворі є домінантною: збільшення негативної напруги затвора в JFET-GS призводить до зняття каналу; у MOSFET затвор в ідеалі не споживає постійний струм, а сигнал контролює провідність каналу між витоком і стоком.

Найчастіше використовувані конфігурації підсилювачів

У випадку з біполярними транзисторами (БДТ) прийнято розглядати їх з точки зору трьох класичних топологій. Кожна з них оптимізує різну якість (напругу, струм або імпеданс), тому вони досі зустрічаються в усіх книгах і проектах.

• спільний емітерКоефіцієнт посилення напруги та струму з інверсією фази; це робоча конячка. Емітерний резистор стабілізує А якщо його з'єднати конденсатором, він відновлює посилення змінного струму.
• Звичайний колектор (емітерний повторювач): коефіцієнт посилення напруги близький до 1, високий вхідний імпеданс та низький вихідний сигнал; ідеально підходить як адаптер імпедансу.
• Спільна базакоефіцієнт посилення струму без інверсії фази та дуже низький вхідний імпедансВін чудово працює з джерелами сигналу з низьким імпедансом, такими як динамічні мікрофони в певних конфігураціях.

Практичний приклад (поляризований загальний емітер з дільником)

Уявіть, що ви проєктуєте сцену за допомогою V_CC=20 В, І_CQ=10 мА, В_CEQ=8 В та β=100. Якщо встановити напругу емітера приблизно на 1/10 В_CC (2 В), ви отримуєте R_E≈200 ОмПадіння R_C було б V_RC=V_CC−В_CE−В_E=10 В, з I_C=10 мА, тоді R_C=1 кОмБаза залишається на точці V_B=V_E+V_BE≈2,7 В. Якщо ви оберете дільник зі струмом приблизно в десять разів більшим за базовий струм, ви отримаєте R₂≤ 2 кОм і пропорційно до V_CC, R₁≈12,8 кОм.

Для малих сигналів динамічний опір внутрішнього емітера (r _{_e}) при 10 мА становить ~26 мВ/I ≈ 2,6 Ом, що дає приблизний ідеальний коефіцієнт посилення за напругою A_{_v} ≈ −RC _/ r _{_e} ≈ −385. При навантаженні 5 кОм на колектор ефективний вихідний імпеданс становить близько 830 Ом, а коефіцієнт посилення падає до ≈ −319. Імпеданс на базі становить r _{_e} · β ≈ 260 Ом, а загальний вхідний імпеданс, враховуючи паралельне з'єднання дільника та бази, становить ≈ 226 Ом. Зв'язувальний та емітерний конденсатори вибрані таким чином, щоб їх реактивний опір був незначним у робочому діапазоні.

Цей приклад підсумовує концепцію лінії навантаження та точки Q : ви обираєте точку спокою (часто VCE _≈VCC / 2 без RE ₎ , яка дозволяє симетричне коливання сигналу. Звідти ви регулюєте коефіцієнт посилення, імпеданс та стабільність відповідно до застосування_.

FET та MOSFET: керування напругою

У польових транзисторах немає самого струму бази, а є напруга на затворі , яка контролює ширину каналу. Базовий польовий транзистор складається зі стрижня з матеріалу N-типу або P-типу з омічними контактами на кінцях (стік і витік) та двома дифузними областями, що утворюють затвор. Коли напруга на затворі стає більш негативною (у польовому транзистори N-типу), канал звужується , і провідність припиняється.

З іншого боку, MOSFET ізолює затвор оксидним діелектриком і досягає величезного вхідного імпедансу. Це, у поєднанні з його виробничим процесом, сумісним з інтеграцією, пояснює, чому він є королем сучасних мікросхем і чому він керував поколіннями процесорів : він дозволяє інтегрувати від сотень тисяч до мільярдів взаємопов'язаних транзисторів на квадратний сантиметр у кілька шарів.

Практичне застосування: від повсякденного життя до промисловості

Перерахувати їх усі неможливо, але варто згадати найпоказовіші. Як підсилювачі , транзистори посилюють сигнали в радіоприймачах, телевізорах та аудіообладнанні. Як перемикачі , вони керують імпульсними джерелами живлення, контролерами двигунів та системами освітлення. В осциляторах вони генерують радіочастотні сигнали для зв'язку. І, звичайно ж, вони є основним будівельним блоком інтегральних схем у комп'ютерах, смартфонах та всіляких цифрових пристроях.

У професійній сфері їхня роль є критично важливою в телекомунікаціях , медичній електроніці, промисловій автоматизації та робототехніці. Їхня здатність створювати менші та ефективніші схеми трансформувала дизайн та виробництво продукції, що призвело до появи більш портативного, потужного та енергоефективного обладнання.

Переваги над термодіоновими клапанами (і чому їх іноді досі використовують)

До появи транзисторів панували електронні лампи. Але вони вимагали небезпечно високої напруги , споживали багато енергії, були громіздкими та важкими (корпуси та трансформатори), були більш схильні до поломок через перегрів та довго досягали робочої температури через нагрівання нитки розжарення. Крім того, вони страждали від мікрофонних ефектів та працювали з високим імпедансом . Транзистори з самого початку забезпечували низьке енергоспоживання, низьку напругу, компактність, надійність та нижчу вартість.

Історичний факт ілюструє цю різницю: ENIAC, один з перших цифрових комп'ютерів, важив понад 30 тонн і споживав близько 200 кВт для живлення приблизно 18 000 електронних ламп, з щоденними поломками. Незважаючи на це, електронние лампи вижили в певних нішах: деякі потужні радіо- або аудіопідсилювачі (завдяки їх високому рівню лінійності та характеру їхніх гармонік), обладнання, стійке до електромагнітних імпульсів , та застосування в екстремальних потужностях. З часом твердотільна електроніка також підкорила багато з цих рубежів.

Особливості та деталі будівництва

Як правило, дискретний транзистор — це герметичний напівпровідниковий прилад з трьома видимими виводами. Його можна каскадно налаштувати для роботи як підсилювач, перемикач, генератор або випрямляч . Кремній є кращим у багатьох конструкціях завдяки своїм тепловим властивостям та властивостям витоку, але існують також сімейства германієвих та складних транзисторів для конкретних завдань, таких як мікрохвильові печі або дуже швидкісні застосування.

У біполярних транзисторах (БПТ) зі збільшенням температури напруга на прямому переході зменшується, а струми витоку можуть збільшуватися, тому розсіювання тепла та вибір максимальної потужності мають вирішальне значення. У потужних польових транзисторах виробничий процес може призводити до появи паразитних діодів (таких як діод Шотткі між витоком і стоком), що слід враховувати під час проектування схеми.

Швидке порівняння матеріалів

Якщо вам цікаво, чому деякі матеріали швидші за інші, розгляньте рухливість електронів та дірок . Ge має високу рухливість, але нижчу максимальну температуру, більший витік та меншу стійкість до високих напруг ; Si пропонує чудовий баланс і типові температури переходу 150-200 °C; GaAs піднімає планку на високих частотах, хоча його виготовлення є більш вимогливим. Ось чому кожен з них панує у своєму відповідному сегменті.

Цифрове використання: від ідеального перемикача до логіки

У цифровій комутації транзистор працює, чергуючи між відсіченням та насиченням , де він ідеально поводиться як розімкнутий або замкнутий контур. Така швидкість перемикання та низьке енергоспоживання роблять можливими логічні вентилі та двійкову систему , а в каскаді - процесори та пам'ять. Завдяки MOSFET та CMOS-технологіям статичне енергоспоживання надзвичайно низьке, оскільки вентиль не проводить постійний струм , а струм споживається лише під час переходів.

Практичні переваги в установках та пристроях

Для щоденного використання транзистори пропонують малі розміри (що полегшує транспортування та інтеграцію обладнання), тривалий термін служби (вимагають менше обслуговування), швидкість (ключові для процесорів та зв'язку), низьку вартість (зменшення системних витрат) та енергоефективність (мінімальні втрати). У домі кожна дрібниця допомагає: від стабільних, регульованих джерел живлення до автоматизації та енергозбереження.

Часті запитання, на які варто відповісти

Транзистор використовується лише для підсилення? Ні. Він також є надтихим і надшвидким перемикачем , структурним блоком логічних схем, детектором світла (фототранзистором) або частиною генератора . Його універсальність є його найбільшою перевагою.

У яких галузях промисловості це є критично важливим сьогодні? Практично в усіх: телекомунікації та мережі , медичне обладнання, автомобілебудування, енергетика, виробництво та побутова електроніка. Поєднання потужності, мініатюризації та контролю багаторазово посилило його вплив.

Чому деякі люди говорять про «увімкнено/вимкнено»? Це розмовний спосіб позначення станів відсікання (вимкнено) та провідності (активного або насиченого). На практиці це логічні положення, які дозволяють вмикати або вимикати потік струму .

Через сімдесят з гаком років після свого народження транзистор залишається серцем електроніки: від першого точкового контакту на германії до останнього покоління MOSFET-транзисторів відбулися тисячі етапів, але центральна ідея не змінилася: точно контролювати течію електрики для створення сильніших, чистіших сигналів або надійної логіки в дедалі менших просторах.