Wie funktioniert ein Transistor und wo wird er verwendet?

Ein funkelektronisches Element aus Halbleitermaterial erzeugt, verstärkt und modifiziert Impulse in integrierten Schaltungen und Systemen zur Speicherung, Verarbeitung und Übertragung von Informationen anhand eines Eingangssignals. Ein Transistor ist ein Widerstand, dessen Funktion durch die Spannung zwischen Emitter und Basis oder Source und Gate, je nach Modultyp, geregelt wird.

Typen von Transistoren

Transistoren werden häufig bei der Herstellung von digitalen und analogen Schaltungen verwendet, um den statischen Verbraucherstrom auf Null zu setzen und eine bessere Linearität zu erreichen. Die Transistortypen unterscheiden sich dadurch, dass einige durch eine Spannungsänderung gesteuert werden, während andere durch eine Stromänderung gesteuert werden.

Feldeffekttransistoren arbeiten mit einem höheren Gleichstromwiderstand, die Umwandlung bei einer hohen Frequenz erhöht nicht die Energiekosten. Einfach ausgedrückt ist ein Transistor ein Modul mit einer hohen Verstärkungsflanke. Diese Eigenschaft ist bei Feldtypen stärker ausgeprägt als bei bipolaren Typen. Erstere haben keine Ladungsträgerverluste, was den Betrieb beschleunigt.

Feldhalbleiter werden wegen ihrer Vorteile gegenüber den bipolaren Typen immer häufiger eingesetzt:

• Starke Eingangsimpedanz bei Gleichstrom und hoher Frequenz, dadurch geringere Verlustleistung bei der Steuerung;
• Keine Anhäufung von nicht benötigten Elektronen, was den Transistorbetrieb beschleunigt;
• Transport von beweglichen Partikeln;
• Stabilität bei Temperaturschwankungen;
• Geräuscharm, da keine Einspritzung;
• Geringer Stromverbrauch während des Betriebs.

Die Arten von Transistoren und ihre Eigenschaften bestimmen den Zweck. Die Erwärmung eines bipolaren Transistors erhöht den Strom auf dem Weg vom Kollektor zum Emitter. Sie haben einen negativen Widerstandskoeffizienten und die Ladungsträger fließen vom Emitter zum Kollektor. Die dünne Basis ist durch p-n-Übergänge getrennt, und Strom entsteht nur, wenn sich bewegte Teilchen ansammeln und in die Basis injiziert werden. Ein Teil der Ladungsträger wird vom benachbarten p-n-Übergang eingefangen und beschleunigt, so sind die Transistoren aufgebaut.

Feldeffekttransistoren haben einen weiteren Vorteil, der für Dummies erwähnt werden muss. Sie sind parallel geschaltet, ohne dass ein Widerstandsausgleich erfolgt. Widerstände werden zu diesem Zweck nicht verwendet, da sich der Wert automatisch erhöht, wenn sich die Last ändert. Um einen hohen Schaltstromwert zu erreichen, wird ein Komplex von Modulen rekrutiert, der in Wechselrichtern oder anderen Geräten eingesetzt wird.

Ein Bipolartransistor darf nicht parallel geschaltet werden, die Bestimmung der Funktionsparameter führt zum Nachweis eines thermischen Durchschlags irreversibler Natur. Diese Eigenschaften hängen mit den technischen Qualitäten einfacher p-n-Kanäle zusammen. Die Module werden mit Widerständen parallel geschaltet, um den Strom in den Emitterkreisen auszugleichen. Je nach Funktionsmerkmalen und individuellen Besonderheiten werden Transistoren in Bipolar- und Feldeffekt-Typen unterschieden.

Bipolare Transistoren

Bipolare Designs werden als Halbleiterbauelemente mit drei Leitern hergestellt. In jeder der Elektroden befinden sich Schichten mit p-Loch-Leitfähigkeit oder n-Leitfähigkeit von Verunreinigungen. Die Wahl der Schichtanordnung entscheidet über die Freigabe von p-n-p- oder n-p-n-Bauelementen. Wenn das Gerät eingeschaltet wird, werden verschiedene Arten von Ladungen von Löchern und Elektronen gleichzeitig getragen, es handelt sich um 2 Arten von Teilchen.

Der Transport von Trägern erfolgt durch einen Diffusionsmechanismus. Die Atome und Moleküle eines Stoffes durchdringen das intermolekulare Gitter des angrenzenden Materials und ihre Konzentration gleicht sich im gesamten Volumen aus. Der Transfer findet von Gebieten mit hoher Dichte zu Gebieten mit geringer Dichte statt.

Auch wenn die Legierungszusätze ungleichmäßig in die Grundmasse eingearbeitet sind, breiten sich die Elektronen unter der Wirkung des Kraftfeldes um die Teilchen aus. Um die Wirkung des Geräts zu beschleunigen, wird die mit der mittleren Schicht verbundene Elektrode dünn ausgeführt. Die Kantenleiter werden als Emitter und Kollektor bezeichnet. Die Sperrspannungscharakteristik der Sperrschicht ist unerheblich.

Feldeffekttransistoren

Ein Feldeffekttransistor steuert einen Widerstand mit Hilfe eines elektrischen Querfeldes, das durch eine angelegte Spannung entsteht. Der Ort, von dem aus die Elektronen in den Kanal eindringen, wird als Quelle bezeichnet, und der Drain ist der endgültige Eintrittspunkt der Ladungen. Die Steuerspannung fließt durch einen Leiter, der Gate genannt wird. Die Geräte werden in 2 Typen unterteilt:

• p-n-Übergang;
• TIR-Transistoren mit isoliertem Gate.

Der erste Typ enthält ein Halbleiterplättchen, das über Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten (Drain und Source) mit dem gesteuerten Stromkreis verbunden ist. Eine andere Art der Leitfähigkeit tritt auf, nachdem die Platte mit dem Gate verbunden ist. Eine in den Eingangskreis eingefügte Gleichspannungsquelle erzeugt eine Sperrspannung an der Sperrschicht.

Die Quelle des verstärkten Impulses befindet sich ebenfalls in der Eingangsschaltung. Wenn sich die Eingangsspannung ändert, wird der entsprechende Wert am p-n-Übergang umgewandelt. Die Schichtdicke und die Querschnittsfläche des Kanalübergangs im Kristall, der den Fluss der geladenen Elektronen ermöglicht, werden verändert. Die Kanalbreite hängt von dem Abstand zwischen dem Verarmungsgebiet (unter dem Gate) und dem Substrat ab. Der Steuerstrom am Anfangs- und Endpunkt wird durch Änderung der Breite des Verarmungsbereichs gesteuert.

Der TIR-Transistor ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gate durch einen Isolator von der Kanalschicht getrennt ist. In dem Halbleiterkristall, dem so genannten Substrat, werden dotierte Stellen mit entgegengesetztem Vorzeichen geschaffen. Die Leiter - der Drain und die Source - sind darauf montiert, mit einem Dielektrikum dazwischen in einem Abstand von weniger als einem Mikrometer. Eine Metallelektrode - das Gate - befindet sich auf dem Isolator. Aufgrund der daraus resultierenden Struktur aus Metall, dielektrischer Schicht und Halbleiter werden Transistoren mit der Abkürzung TIR bezeichnet.

Aufbau und Bedienung für Einsteiger

Die Technik arbeitet nicht nur mit einer elektrischen Ladung, sondern auch mit einem Magnetfeld, Lichtquanten und Photonen. Das Funktionsprinzip eines Transistors liegt in den Zuständen, zwischen denen das Gerät umschaltet. Gegensätzliches kleines und großes Signal, offener und geschlossener Zustand - das ist der doppelte Betrieb der Geräte.

Zusammen mit dem Halbleitermaterial in seiner Zusammensetzung, das in Form eines an einigen Stellen dotierten Einkristalls verwendet wird, hat der Transistor in seinem Design:

• Metallleitungen;
• dielektrische Isolierstoffe;
• Transistorgehäuse aus Glas, Metall, Kunststoff, Metallkeramik.

Vor der Erfindung der bipolaren oder polaren Geräte wurden elektronische Vakuumröhren als aktive Elemente verwendet. Die für sie entwickelten Schaltkreise werden nach Modifikation bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet. Sie könnten wie ein Transistor angeschlossen und verwendet werden, da viele funktionelle Eigenschaften von Vakuumröhren für die Beschreibung des Betriebs von Feldgeräten geeignet sind.

Vor- und Nachteile des Ersatzes von Röhren durch Transistoren

Die Erfindung des Transistors ist die treibende Kraft bei der Einführung innovativer Technologien in der Elektronik. In dem Netz werden moderne Halbleiterelemente verwendet, die gegenüber älteren Röhrenschaltungen Vorteile haben:

• Geringe Größe und geringes Gewicht, was für Miniaturelektronik wichtig ist;
• die Möglichkeit, bei der Herstellung von Geräten automatisierte Verfahren anzuwenden und die Arbeitsschritte zu bündeln, was die Produktionskosten senkt;
• Verwendung von kleinen Stromquellen aufgrund des geringen Spannungsbedarfs;
• sofortige Aktivierung, kein Aufheizen der Kathode erforderlich;
• Erhöhte Energieeffizienz durch geringere Verlustleistung;
• Robustheit und Zuverlässigkeit;
• reibungslose Interaktion mit weiteren Elementen des Netzes;
• Vibrations- und Stoßfestigkeit.

Die Nachteile kommen in den folgenden Bestimmungen zum Ausdruck:

• Siliziumtransistoren funktionieren nicht bei Spannungen über 1 kW; Lampen sind bei Spannungen über 1 bis 2 kW wirksam;
• Bei der Verwendung von Transistoren in Hochleistungs-Rundfunk- oder UHF-Sendern müssen parallel geschaltete Verstärker niedriger Leistung aufeinander abgestimmt werden;
• Anfälligkeit von Halbleiterelementen für elektromagnetische Signale;
• empfindlich auf kosmische Strahlung reagieren, was die Entwicklung von strahlungsresistenten Mikroschaltungen erfordert.

Schaltdiagramme

Um in einem einzigen Schaltkreis arbeiten zu können, benötigt ein Transistor 2 Eingangs- und Ausgangsstifte. Fast alle Halbleitergeräte haben nur 3 Anschlusspunkte. Um aus diesem Dilemma herauszukommen, wird eines der Enden als gemeinsam bezeichnet. Daher gibt es 3 gemeinsame Anschlusspläne:

• für einen Bipolartransistor;
• polares Gerät;
• mit offenem Drain (Kollektor).

Eine bipolare Einheit ist mit einem gemeinsamen Emitter zur Spannungs- und Stromverstärkung verbunden (OE). In anderen Fällen passt es zu den Pins eines digitalen Chips, wenn eine hohe Spannung zwischen der externen Schaltung und dem internen Anschlussplan anliegt. So funktioniert der gemeinsame Kollektoranschluss, und es kommt nur zu einer Stromerhöhung (OK). Wenn eine Spannungserhöhung erforderlich ist, wird das Element mit einer gemeinsamen Basis (CB) eingeführt. Diese Option eignet sich gut für zusammengesetzte Kaskadenschaltungen, wird aber bei Einzeltransistorentwürfen selten verwendet.

Die Schaltung enthält Feldhalbleiter der Typen TIR und p-n-Übergang:

• gemeinsamer Emitter (JE) - ein Anschluss, der dem JE eines bipolaren Moduls ähnelt
• mit gemeinsamem Ausgang (OC) - eine Verbindung ähnlich dem OC-Typ
• mit gemeinsamem Tor (SW) - ähnlich wie bei OE.

Bei Open-Drain-Plänen ist der Transistor mit einem gemeinsamen Emitter als Teil des Chips enthalten. Der Kollektorstift ist nicht mit anderen Teilen des Moduls verbunden, und die Last geht an den äußeren Anschluss. Die Wahl der Spannungen und Kollektorströme erfolgt nach dem Zusammenbau des Projekts. Open-Drain-Bausteine arbeiten in Schaltungen mit leistungsstarken Ausgangsstufen, Bustreibern und TTL-Logikschaltungen.

Wozu sind Transistoren da?

Die Anwendung wird danach unterschieden, ob es sich bei dem Gerät um ein bipolares Modul oder ein Feldgerät handelt. Warum werden Transistoren benötigt? Wenn niedrige Ströme erforderlich sind, z. B. in digitalen Plänen, werden die Feldtypen verwendet. Analoge Schaltungen erreichen eine hohe Verstärkungslinearität über einen breiten Bereich von Versorgungsspannungen und Ausgangsparametern.

Zu den Anwendungen für Bipolartransistoren gehören Verstärker, Kombinationen, Detektoren, Modulatoren, Transistorlogikschaltungen und logische Inverter.

Die Anwendungsbereiche von Transistoren hängen von ihren Eigenschaften ab. Sie arbeiten in 2 Modi:

• Bei der Verstärkerregelung, Änderung des Ausgangsimpulses bei kleinen Abweichungen im Steuersignal;
• In der Reihenfolge der Tastung, die die Stromzufuhr zu den Lasten steuert, wenn der Eingangsstrom niedrig ist, ist der Transistor vollständig geschlossen oder vollständig geöffnet.

Der Typ des Halbleitermoduls ändert nichts an seinen Betriebsbedingungen. Die Quelle ist mit einer Last verbunden, z. B. einem Schalter, einem Tonverstärker, einer Beleuchtungseinrichtung, einem elektronischen Sensor oder einem leistungsstarken Nachbartransistor. Der Strom setzt die Lasteinheit in Betrieb, und der Transistor ist in den Stromkreis zwischen der Einheit und der Quelle geschaltet. Das Halbleitermodul begrenzt die Leistungsaufnahme des Geräts.

Der Widerstand am Ausgang des Transistors wird in Abhängigkeit von den Spannungen am Steuerleiter transformiert. Der Strom und die Spannung am Anfang und am Ende des Stromkreises ändern sich und nehmen zu oder ab, je nach Art des Transistors und der Art seines Anschlusses. Die Steuerung der geregelten Stromversorgung führt zu einer Erhöhung des Stroms, eines Leistungsimpulses oder einer Erhöhung der Spannung.

Beide Arten von Transistoren werden in den folgenden Anwendungen eingesetzt:

1. In der digitalen Regulierung. Es wurden experimentelle Entwürfe für digitale Verstärkerschaltungen auf der Grundlage von Digital-Analog-Wandlern (DACs) entwickelt.
2. In Impulsgebern. Je nach Gerätetyp arbeitet der Transistor getastet oder linear, um rechteckige bzw. beliebige Signale zu reproduzieren.
3. In elektronischen Hardware-Geräten. Schutz von Informationen und Programmen vor Diebstahl, illegalen Manipulationen und Missbrauch. Der Betrieb erfolgt im Tastbetrieb, der Strom wird analog gesteuert und über die Pulsbreite geregelt. Transistoren werden in Elektromotorantrieben und Impulsspannungsreglern eingesetzt.

Monokristalline Halbleiter und Module zum Öffnen und Schließen von Schaltkreisen erhöhen die Leistung, funktionieren aber nur als Schalter. Feldeffekttransistoren werden in digitalen Geräten als kostengünstige Module eingesetzt. Bei den Fertigungstechniken im Rahmen des Konzepts der integrierten Experimente werden die Transistoren auf einem einzigen Siliziumchip hergestellt.

Die Miniaturisierung von Kristallen führt zu schnelleren Computern, weniger Energie und geringerer Wärmeentwicklung.

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