Hvordan virker en transistor, og hvor bruges den?

Et radio-elektronisk element fremstillet af halvledermateriale skaber, forstærker og ændrer impulser i integrerede kredsløb og systemer til lagring, behandling og overførsel af information ved hjælp af et indgangssignal. En transistor er en modstand, hvis funktion reguleres af spændingen mellem emitter og base eller kilde og gate, afhængigt af modulets type.

Typer af transistorer

Transistorer anvendes i vid udstrækning til fremstilling af digitale og analoge kredsløb for at nulstille den statiske forbrugerstrøm og opnå forbedret linearitet. Transistortyperne adskiller sig fra hinanden ved, at nogle styres af en ændring i spænding, mens andre styres af en ændring i strømmen.

Feldeffekttransistorer fungerer ved en højere DC-modstand, hvilket ikke øger energiomkostningerne ved at transformere ved en høj frekvens. En transistor er i enkle vendinger et modul med en høj forstærkningskant. Denne egenskab er større for felttyper end for bipolære typer. Førstnævnte har ingen tab af ladningsbærere, hvilket fremskynder driften.

Felthalvledere anvendes oftere på grund af fordelene i forhold til de bipolære typer:

• Stærk indgangsimpedans ved jævnstrøm og høj frekvens, hvilket reducerer effekttabet til styring;
• Ingen ophobning af ikke-væsentlige elektroner, hvilket fremskynder transistorens funktion;
• transport af mobile partikler;
• stabilitet under temperaturudsving;
• Lav støj på grund af manglende indsprøjtning;
• Lavt strømforbrug under drift.

Typer af transistorer og deres egenskaber definerer formålet. Opvarmning af en bipolær transistor øger strømmen langs vejen fra kollektor til emitter. De har en negativ modstandskoefficient, og de bevægelige ladninger strømmer fra emitteren til kollektoren. Den tynde base er adskilt af p-n-forbindelser, og der opstår kun strøm, når partikler i bevægelse ophobes og sprøjtes ind i basen. Nogle af ladningsbærerne opfanges af det tilstødende p-n-led og accelereres, og det er sådan, transistorerne er konstrueret.

Feldeffekttransistorer har en anden type fordel, som skal nævnes for dummies. De er forbundet parallelt uden nogen modstandsudligning. Modstande bruges ikke til dette formål, da værdien automatisk øges, når belastningen ændres. For at opnå en høj koblingsstrømsværdi rekrutteres et kompleks af moduler, som anvendes i invertere eller andre enheder.

En bipolær transistor må ikke være parallelforbundet, bestemmelse af de funktionelle parametre fører til påvisning af et termisk sammenbrud af irreversibel karakter. Disse egenskaber er relateret til de tekniske kvaliteter af simple p-n-kanaler. Modulerne er parallelforbundet ved hjælp af modstande for at udligne strømmen i emitterkredsene. Afhængigt af funktionelle egenskaber og individuelle specifikationer består en klassifikation af transistorer af bipolære og felteffekttyper.

Bipolære transistorer

Bipolære konstruktioner fremstilles som halvlederkomponenter med tre ledere. I hver af elektroderne er der lag med p-ledningskapacitet for huller eller n-ledningskapacitet for urenheder. Valget af lagarrangement bestemmer frigivelsen af p-n-p- eller n-p-n-typer af enheder. Når enheden tændes, bæres forskellige typer af ladninger af huller og elektroner på samme tid, der er tale om 2 typer partikler.

Bærestoffer transporteres ved hjælp af en diffusionsmekanisme. Atomer og molekyler af et stof trænger ind i det tilstødende materiales intermolekylære gitter, og deres koncentration aftager i hele volumenet. Overførslen finder sted fra områder med høj tæthed til områder med lav tæthed.

Elektroner forplanter sig også under påvirkning af kraftfeltet omkring partiklerne, når legeringstilsætningsstofferne er ujævnt indarbejdet i grundmassen. For at fremskynde apparatets virkning er elektroden, der er forbundet med det midterste lag, gjort tynd. Kantlederne kaldes emitter og kollektor. Den omvendte spændingskarakteristik for krydset er uden betydning.

Felteffekttransistorer

En felteffekttransistor styrer en modstand ved hjælp af et elektrisk tværgående felt, der opstår ved hjælp af en påført spænding. Det sted, hvorfra elektronerne bevæger sig ind i kanalen, kaldes kilden, og drænet ligner det endelige indgangspunkt for ladningerne. Styrespændingen strømmer gennem en leder, der kaldes gaten. Anordningerne er opdelt i 2 typer:

• p-n-forbindelse;
• TIR-transistorer med isoleret gate.

Den første type indeholder en halvlederplade, som er forbundet til det kontrollerede kredsløb med elektroder på modsatte sider (dræn og kilde). En anden form for ledningsevne opstår, når pladen er forbundet med gaten. En DC-forspændingskilde, der er indsat i indgangskredsløbet, producerer en låsespænding ved krydset.

Kilden til den forstærkede puls er også i indgangskredsløbet. Når indgangsspændingen ændres, transformeres det tilsvarende tal ved p-n-forbindelsen. Lagtykkelsen og tværsnitsarealet af den kanalforbindelse i krystallen, der tillader strømmen af ladede elektroner, ændres. Kanalbredden afhænger af afstanden mellem udtømningsområdet (under gaten) og substratet. Styrestrømmen ved start- og slutpunkterne styres ved at ændre bredden af udtømningsområdet.

TIR-transistoren er kendetegnet ved, at dens gate er adskilt fra kanallaget af en isolator. I halvlederkrystallen, der kaldes substratet, skabes der doterede steder med modsat fortegn. Lederne - drænet og kilden - er monteret på dem med et dielektrikum mellem dem i en afstand på mindre end en mikron. En metalelektrode - gaten - er placeret på isolatoren. På grund af den resulterende struktur, der indeholder metal, dielektrisk lag og halvleder, har transistorer fået forkortelsen TIR.

Design og drift for begyndere

Teknologien fungerer ikke kun med en elektrisk ladning, men også med et magnetfelt, lyskvanter og fotoner. Funktionsprincippet for en transistor ligger i de tilstande, som enheden skifter mellem. Modsat lille og stort signal, åben og lukket tilstand - dette er den dobbelte drift af enhederne.

Sammen med det halvledermateriale, der anvendes i form af en enkeltkrystal, som er doteret nogle steder, er transistoren designet:

• metalkabler;
• dielektriske isolatorer;
• Transistorhus af glas, metal, plast, metalkeramik.

Før opfindelsen af bipolære eller polære enheder blev elektroniske vakuumrør brugt som aktive elementer. De kredsløb, der er udviklet til dem, anvendes efter ændring til fremstilling af halvlederkomponenter. De kunne tilsluttes som en transistor og anvendes, fordi mange funktionelle egenskaber ved vakuumrør er egnede til at beskrive driften af feltenheder.

Fordele og ulemper ved at erstatte rør med transistorer

Opfindelsen af transistorer er drivkraften bag indførelsen af innovativ teknologi inden for elektronik. Der anvendes moderne halvlederelementer i netværket, og sammenlignet med ældre rørkredsløb har sådanne udviklinger fordele i forhold til ældre rørkredsløb:

• Lille størrelse og lav vægt, hvilket er vigtigt for miniatureelektronik;
• muligheden for at anvende automatiserede processer til fremstilling af udstyr og gruppering af trinene, hvilket reducerer produktionsomkostningerne;
• Brug af små strømkilder på grund af det lave spændingskrav;
• øjeblikkelig aktivering, uden at det er nødvendigt at opvarme katoden;
• Øget energieffektivitet på grund af lavere strømforbrug;
• robusthed og pålidelighed;
• smidigt samspil med andre elementer i netværket;
• vibrations- og stødmodstand.

Ulemperne kommer til udtryk i følgende bestemmelser:

• Siliciumtransistorer fungerer ikke ved spændinger på over 1 kW; lamper er effektive ved spændinger på over 1 til 2 kW;
• Ved brug af transistorer i højtydende radio- eller UHF-sendere skal lav effektforstærkere, der er tilsluttet parallelt, tilpasses;
• Halvlederelementers sårbarhed over for elektromagnetiske signaler;
• Følsom reaktion på kosmisk stråling og stråling, hvilket kræver udvikling af strålingsresistente mikrokredsløb i denne henseende.

Skifteskemaer

For at kunne fungere i et enkelt kredsløb kræver en transistor 2 ind- og udgangsforbindelser. Næsten alle halvlederkomponenter har kun 3 tilslutningspunkter. For at komme ud af denne situation betegnes en af enderne som fælles. Der er derfor 3 almindelige forbindelsesdiagrammer:

• for en bipolær transistor;
• polær enhed;
• med åbent afløb (kollektor).

En bipolær enhed er forbundet med en fælles emitter til både spændings- og strømforstærkning (OE). I andre tilfælde harmoniserer den pins på en digital chip, når der er en høj spænding mellem det eksterne kredsløb og den interne forbindelsesplan. Sådan fungerer den fælles kollektorforbindelse, og der er kun en stigning i strømmen (OK). Hvis der er behov for en spændingsforøgelse, indføres elementet med en fælles base (CB). Denne mulighed fungerer godt i sammensatte kaskade-kredsløb, men bruges sjældent i enkelttransistor-designs.

Der indgår felthalvlederkomponenter af TIR- og p-n-junction-typen i kredsløbet:

• fælles emitter (JE) - en forbindelse, der svarer til JE på et bipolært modul
• med fælles udgang (OC) - en forbindelse svarende til OC-type
• med delt gate (SW) - svarende til OE.

I open-drain-planer er transistoren inkluderet med en fælles emitter som en del af chippen. Kollektorstiften er ikke forbundet til andre dele af modulet, og belastningen går til det ydre stik. Valget af spændinger og kollektorstrømme foretages, efter at projektet er blevet samlet. Open drain-enheder fungerer i kredsløb med kraftige udgangstrin, busdrivere og TTL-logikkredsløb.

Hvad er transistorer til?

Der skelnes mellem anvendelsen, alt efter om der er tale om et bipolært modul eller en feltenhed. Hvorfor er der brug for transistorer? Hvis der kræves lave strømme, f.eks. i digitale planer, anvendes felttyperne. Analoge kredsløb opnår høj forstærkningslinearitet over et bredt spektrum af forsyningsspændinger og udgangsparametre.

Anvendelsesområder for bipolære transistorer omfatter forstærkere, kombinationer, detektorer, modulatorer, transistorlogiske kredsløb og logiske invertere.

Transistorernes anvendelsesområder afhænger af deres egenskaber. De fungerer i 2 tilstande:

• I forstærkerregulering ændres udgangspulsen med små afvigelser i styresignalet;
• I nøgleorden styres strømmen til belastningerne, når indgangsstrømmen er lav, og transistoren er helt lukket eller helt åben.

Typen af halvledermodul ændrer ikke dets driftsbetingelser. Kilden er forbundet til en belastning, f.eks. en afbryder, en lydforstærker eller et belysningsarmatur, der kan være en elektronisk sensor eller en kraftig nabotransistor. Strømmen starter belastningsenhedens drift, og transistoren er tilsluttet i kredsløbet mellem enheden og kilden. Halvledermodulet begrænser den tilførte effekt til enheden.

Modstanden ved transistorens udgang transformeres i overensstemmelse med spændingerne på styreledningen. Strømmen og spændingen i kredsløbets start og slutning ændrer sig og stiger eller falder og afhænger af transistortypen og hvordan den er tilsluttet. Styring af den kontrollerede strømforsyning fører til en stigning i strømmen, en strømimpuls eller en stigning i spændingen.

Begge typer transistorer anvendes i følgende applikationer:

1. I den digitale regulering. Der er blevet udviklet eksperimentelle konstruktioner af digitale forstærkerkredsløb baseret på digital-til-analog-konvertere (DAC'er).
2. I pulsgeneratorer. Afhængigt af enhedstypen arbejder transistoren i en tastet eller lineær rækkefølge for at gengive henholdsvis rektangulære eller vilkårlige signaler.
3. I elektroniske hardwareenheder. At beskytte oplysninger og programmer mod tyveri, ulovlig manipulation og brug. Driften er i nøgletilstand, strømmen styres analogt og reguleres af pulsbredden. Transistorer anvendes i elektriske motordrev, pulsspændingsregulatorer.

Monokrystallinske halvledere og moduler til åbning og lukning af kredsløb øger effekten, men fungerer kun som afbrydere. Feldeffekttransistorer anvendes i digitale enheder som omkostningseffektive moduler. Fremstillingsteknikkerne i konceptet integrerede eksperimenter indebærer produktion af transistorer på en enkelt siliciumchip.

Miniaturisering af krystaller fører til hurtigere computere, mindre energi og mindre varmeudvikling.

Relaterede artikler: