Ένα ραδιοηλεκτρονικό στοιχείο κατασκευασμένο από ημιαγωγό υλικό δημιουργεί, ενισχύει και τροποποιεί παλμούς σε ολοκληρωμένα κυκλώματα και συστήματα για την αποθήκευση, επεξεργασία και μετάδοση πληροφοριών με τη χρήση ενός σήματος εισόδου. Ένα τρανζίστορ είναι μια αντίσταση της οποίας η λειτουργία ρυθμίζεται από την τάση μεταξύ εκπομπού και βάσης ή πηγής και πύλης, ανάλογα με τον τύπο της μονάδας.
Περιεχόμενα
Τύποι τρανζίστορ
Τα τρανζίστορ χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή ψηφιακών και αναλογικών κυκλωμάτων για τον μηδενισμό του στατικού ρεύματος κατανάλωσης και τη βελτίωση της γραμμικότητας. Οι τύποι των τρανζίστορ διαφέρουν ως προς το ότι ορισμένα ελέγχονται από μια μεταβολή της τάσης, ενώ άλλα ελέγχονται από μια μεταβολή του ρεύματος.
Τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου λειτουργούν με υψηλότερη αντίσταση DC, ο μετασχηματισμός σε υψηλή συχνότητα δεν αυξάνει το ενεργειακό κόστος. Με απλά λόγια, αυτό που είναι ένα τρανζίστορ, είναι μια μονάδα με άκρο υψηλού κέρδους. Το χαρακτηριστικό αυτό είναι μεγαλύτερο για τους τύπους πεδίου από ό,τι για τους διπολικούς τύπους. Οι πρώτοι δεν έχουν διάχυση φορέων φορτίου, γεγονός που επιταχύνει τη λειτουργία.
Οι ημιαγωγοί πεδίου χρησιμοποιούνται συχνότερα λόγω των πλεονεκτημάτων τους έναντι των διπολικών τύπων:
- Ισχυρή αντίσταση εισόδου σε ρεύμα συνεχούς ρεύματος και υψηλή συχνότητα, αυτό μειώνει την απώλεια ισχύος για τον έλεγχο,
- Δεν συσσωρεύονται μη απαραίτητα ηλεκτρόνια, γεγονός που επιταχύνει τη λειτουργία του τρανζίστορ,
- μεταφορά κινητών σωματιδίων,
- σταθερότητα κατά τη διάρκεια διακυμάνσεων της θερμοκρασίας,
- Χαμηλός θόρυβος λόγω έλλειψης έγχυσης,
- Χαμηλή κατανάλωση ενέργειας κατά τη λειτουργία.
Τα είδη των τρανζίστορ και οι ιδιότητές τους καθορίζουν τον σκοπό. Η θέρμανση ενός τρανζίστορ διπολικού τύπου αυξάνει το ρεύμα στη διαδρομή από τον συλλέκτη στον εκπομπό. Έχουν αρνητικό συντελεστή αντίστασης και οι κινούμενοι φορείς ρέουν προς τον συλλέκτη από τον εκπομπό. Η λεπτή βάση διαχωρίζεται από επαφές p-n και το ρεύμα εμφανίζεται μόνο όταν τα κινούμενα σωματίδια συσσωρεύονται και εγχέονται στη βάση. Ορισμένοι από τους φορείς φορτίου συλλαμβάνονται από τη γειτονική επαφή p-n και επιταχύνονται, με τον τρόπο αυτό σχεδιάζονται τα τρανζίστορ.
Τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου έχουν ένα άλλο είδος πλεονεκτήματος που πρέπει να αναφερθεί για τους χαζούς. Συνδέονται παράλληλα χωρίς εξισορρόπηση αντίστασης. Οι αντιστάσεις δεν χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό, καθώς η τιμή τους αυξάνεται αυτόματα καθώς αλλάζει το φορτίο. Για να επιτευχθεί υψηλή τιμή ρεύματος μεταγωγής, προσλαμβάνεται ένα σύμπλεγμα μονάδων, το οποίο χρησιμοποιείται σε μετατροπείς ή άλλες συσκευές.
Ένα διπολικό τρανζίστορ δεν πρέπει να συνδεθεί παράλληλα, ο προσδιορισμός των λειτουργικών παραμέτρων οδηγεί στην ανίχνευση μιας θερμικής διάσπασης μη αναστρέψιμης φύσης. Οι ιδιότητες αυτές σχετίζονται με τις τεχνικές ιδιότητες των απλών καναλιών p-n. Οι μονάδες συνδέονται παράλληλα χρησιμοποιώντας αντιστάσεις για την εξίσωση του ρεύματος στα κυκλώματα εκπομπού. Ανάλογα με τα λειτουργικά χαρακτηριστικά και τις επιμέρους ιδιαιτερότητες, η ταξινόμηση των τρανζίστορ γίνεται σε διπολικούς τύπους και σε τύπους επίδρασης πεδίου.
Διπολικά τρανζίστορ
Τα διπολικά σχέδια κατασκευάζονται ως διατάξεις ημιαγωγών με τρεις αγωγούς. Σε καθένα από τα ηλεκτρόδια υπάρχουν στρώματα με αγωγιμότητα p-οπής ή αγωγιμότητα n-πρόσμιξης. Η επιλογή της διάταξης των στρωμάτων καθορίζει την απελευθέρωση των διατάξεων τύπου p-n-p ή n-p-n. Όταν η συσκευή είναι ενεργοποιημένη, διαφορετικοί τύποι φορτίων μεταφέρονται από οπές και ηλεκτρόνια ταυτόχρονα, εμπλέκονται 2 τύποι σωματιδίων.
Οι φορείς μεταφέρονται με μηχανισμό διάχυσης. Τα άτομα και τα μόρια μιας ουσίας διαπερνούν το διαμοριακό πλέγμα του γειτονικού υλικού και η συγκέντρωσή τους εξισώνεται σε όλο τον όγκο. Η μεταφορά πραγματοποιείται από περιοχές υψηλής πυκνότητας σε περιοχές χαμηλής πυκνότητας.
Τα ηλεκτρόνια διαδίδονται επίσης υπό τη δράση του δυναμικού πεδίου γύρω από τα σωματίδια όταν τα πρόσθετα κράματος ενσωματώνονται ανομοιόμορφα στη βασική μάζα. Για να επιταχυνθεί η δράση της συσκευής, το ηλεκτρόδιο που συνδέεται με το μεσαίο στρώμα είναι λεπτό. Οι ακραίοι αγωγοί ονομάζονται εκπομπός και συλλέκτης. Η χαρακτηριστική αντίστροφης τάσης της σύνδεσης είναι ασήμαντη.
Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου
Ένα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου ελέγχει μια αντίσταση μέσω ενός ηλεκτρικού εγκάρσιου πεδίου που προκύπτει από μια εφαρμοζόμενη τάση. Το σημείο από το οποίο τα ηλεκτρόνια μετακινούνται στο κανάλι ονομάζεται πηγή και η αποστράγγιση μοιάζει με το τελικό σημείο εισόδου των φορτίων. Η τάση ελέγχου ρέει μέσω ενός αγωγού που ονομάζεται πύλη. Οι συσκευές χωρίζονται σε 2 τύπους:
- επαφή p-n,
- Τρανζίστορ TIR με μονωμένη πύλη.
Ο πρώτος τύπος περιέχει ένα πλακίδιο ημιαγωγού το οποίο συνδέεται με το ελεγχόμενο κύκλωμα με ηλεκτρόδια στις αντίθετες πλευρές (drain και source). Ένα διαφορετικό είδος αγωγιμότητας εμφανίζεται μετά τη σύνδεση της πλάκας με την πύλη. Μια πηγή πόλωσης συνεχούς ρεύματος που εισάγεται στο κύκλωμα εισόδου παράγει μια τάση ασφάλισης στη σύνδεση.
Η πηγή του ενισχυμένου παλμού βρίσκεται επίσης στο κύκλωμα εισόδου. Μετά την αλλαγή της τάσης εισόδου, το αντίστοιχο σχήμα στην επαφή p-n μετασχηματίζεται. Τροποποιείται το πάχος του στρώματος και η επιφάνεια διατομής της διακλάδωσης καναλιού στον κρύσταλλο που επιτρέπει τη ροή φορτισμένων ηλεκτρονίων. Το πλάτος του καναλιού εξαρτάται από τον χώρο μεταξύ της περιοχής εξάντλησης (κάτω από την πύλη) και του υποστρώματος. Το ρεύμα ελέγχου στα σημεία αρχής και τέλους ελέγχεται με την αλλαγή του πλάτους της περιοχής εξάντλησης.
Το τρανζίστορ TIR χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι η πύλη του διαχωρίζεται από το στρώμα καναλιού με έναν μονωτή. Στον κρύσταλλο του ημιαγωγού, που ονομάζεται υπόστρωμα, δημιουργούνται ντοπαρισμένες θέσεις με αντίθετο πρόσημο. Οι αγωγοί - η αποστράγγιση και η πηγή - είναι τοποθετημένοι πάνω τους, με ένα διηλεκτρικό ανάμεσά τους σε απόσταση μικρότερη από ένα μικρόμετρο. Ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο - η πύλη - τοποθετείται στον μονωτή. Λόγω της προκύπτουσας δομής που περιέχει μέταλλο, διηλεκτρικό στρώμα και ημιαγωγό, τα τρανζίστορ λαμβάνουν τη συντομογραφία TIR.
Σχεδιασμός και λειτουργία για αρχάριους
Η τεχνολογία δεν λειτουργεί μόνο με ηλεκτρικό φορτίο, αλλά και με μαγνητικό πεδίο, κβάντα φωτός και φωτόνια. Η αρχή λειτουργίας ενός τρανζίστορ έγκειται στις καταστάσεις μεταξύ των οποίων η διάταξη μεταβαίνει. Αντίθετο μικρό και μεγάλο σήμα, ανοικτή και κλειστή κατάσταση - αυτή είναι η διπλή λειτουργία των συσκευών.
Μαζί με το ημιαγωγικό υλικό στη σύνθεσή του, που χρησιμοποιείται με τη μορφή μονοκρυστάλλου, προσμίξεων σε ορισμένα σημεία, το τρανζίστορ έχει στην κατασκευή του
- μεταλλικά καλώδια,
- διηλεκτρικοί μονωτές,
- Περίβλημα τρανζίστορ από γυαλί, μέταλλο, πλαστικό, μεταλλικά κεραμικά.
Πριν από την εφεύρεση των διπολικών ή πολικών διατάξεων, οι ηλεκτρονικοί σωλήνες κενού χρησιμοποιούνταν ως ενεργά στοιχεία. Τα κυκλώματα που αναπτύσσονται γι' αυτά χρησιμοποιούνται, μετά από τροποποίηση, στην κατασκευή διατάξεων ημιαγωγών. Θα μπορούσαν να συνδεθούν ως τρανζίστορ και να εφαρμοστούν, επειδή πολλά λειτουργικά χαρακτηριστικά των λυχνιών κενού είναι κατάλληλα κατά την περιγραφή της λειτουργίας των διατάξεων πεδίου.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της αντικατάστασης των λυχνιών με τρανζίστορ
Η εφεύρεση των τρανζίστορ αποτέλεσε κινητήρια δύναμη για την εισαγωγή καινοτόμων τεχνολογιών στην ηλεκτρονική. Στο δίκτυο χρησιμοποιούνται σύγχρονα στοιχεία ημιαγωγών και, σε σύγκριση με τα παλαιότερα κυκλώματα λυχνιών, οι εξελίξεις αυτές έχουν πλεονεκτήματα:
- Μικρό μέγεθος και χαμηλό βάρος, το οποίο είναι σημαντικό για μικροσκοπικά ηλεκτρονικά συστήματα,
- τη δυνατότητα εφαρμογής αυτοματοποιημένων διαδικασιών στην παραγωγή των συσκευών και την ομαδοποίηση των βημάτων, γεγονός που μειώνει το κόστος παραγωγής,
- Χρήση μικρών πηγών ρεύματος λόγω της απαίτησης χαμηλής τάσης,
- ακαριαία ενεργοποίηση, χωρίς να χρειάζεται να θερμανθεί η κάθοδος,
- Αυξημένη ενεργειακή απόδοση λόγω χαμηλότερης διάχυσης ισχύος,
- ευρωστία και αξιοπιστία,
- ομαλή αλληλεπίδραση με πρόσθετα στοιχεία του δικτύου,
- αντοχή σε κραδασμούς και κρούσεις.
Τα μειονεκτήματα εκδηλώνονται στις ακόλουθες διατάξεις:
- Τα τρανζίστορ πυριτίου δεν λειτουργούν σε τάσεις άνω του 1 kW- οι λαμπτήρες είναι αποτελεσματικοί σε τάσεις άνω του 1 έως 2 kW,
- Κατά τη χρήση τρανζίστορ σε πομπούς εκπομπής υψηλής ισχύος ή σε πομπούς UHF, οι ενισχυτές χαμηλής ισχύος που συνδέονται παράλληλα πρέπει να προσαρμόζονται,
- Ευπάθεια των στοιχείων ημιαγωγών σε ηλεκτρομαγνητικό σήμα,
- Ευαίσθητη απόκριση στις κοσμικές ακτίνες και την ακτινοβολία, γεγονός που απαιτεί την ανάπτυξη μικροκυκλωμάτων ανθεκτικών στην ακτινοβολία.
Διαγράμματα μεταγωγής
Για να λειτουργήσει σε ένα ενιαίο κύκλωμα, ένα τρανζίστορ απαιτεί 2 συνδέσεις εισόδου και εξόδου. Σχεδόν όλες οι συσκευές ημιαγωγών έχουν μόνο 3 σημεία σύνδεσης. Για να βγούμε από τη δύσκολη θέση, ένα από τα άκρα ορίζεται ως κοινό. Ως εκ τούτου, υπάρχουν 3 κοινά διαγράμματα σύνδεσης:
- για ένα διπολικό τρανζίστορ,
- πολική συσκευή,
- με ανοικτή αποστράγγιση (συλλέκτης).
Μια διπολική μονάδα συνδέεται με κοινό εκπομπό τόσο για ενίσχυση τάσης όσο και για ενίσχυση ρεύματος (OE). Σε άλλες περιπτώσεις ταιριάζει με τις ακίδες ενός ψηφιακού τσιπ όταν υπάρχει υψηλή τάση μεταξύ του εξωτερικού κυκλώματος και του εσωτερικού σχεδίου σύνδεσης. Έτσι λειτουργεί η σύνδεση του κοινού συλλέκτη και υπάρχει μόνο αύξηση του ρεύματος (ΟΚ). Εάν απαιτείται αύξηση της τάσης, το στοιχείο εισάγεται με κοινή βάση (CB). Η επιλογή αυτή λειτουργεί καλά σε σύνθετα κυκλώματα καταρράκτη, αλλά σπάνια χρησιμοποιείται σε σχέδια με ένα τρανζίστορ.
Στο κύκλωμα περιλαμβάνονται διατάξεις ημιαγωγών πεδίου των ποικιλιών TIR και p-n junction:
- κοινός εκποµπός (JE) - σύνδεση παρόµοια µε την JE µιας διπολικής µονάδας
- με κοινή έξοδο (OC) - σύνδεση παρόμοια με τον τύπο OC
- με κοινή πύλη (SW) - παρόμοια με την OE.
Στα σχέδια ανοικτής απαγωγής, το τρανζίστορ περιλαμβάνεται με κοινό εκπομπό ως μέρος του chip. Ο ακροδέκτης συλλέκτη δεν συνδέεται με άλλα μέρη της μονάδας και το φορτίο πηγαίνει στον εξωτερικό σύνδεσμο. Η επιλογή των τάσεων και των ρευμάτων συλλέκτη γίνεται μετά τη συναρμολόγηση του έργου. Οι διατάξεις ανοικτής αποστράγγισης λειτουργούν σε κυκλώματα με ισχυρά στάδια εξόδου, οδηγούς διαύλου και λογικά κυκλώματα TTL.
Για ποιο λόγο υπάρχουν τα τρανζίστορ;
Η εφαρμογή διαφοροποιείται ανάλογα με το αν η συσκευή είναι διπολική μονάδα ή συσκευή πεδίου. Γιατί χρειάζονται τρανζίστορ; Εάν απαιτούνται χαμηλά ρεύματα, π.χ. σε ψηφιακά σχέδια, χρησιμοποιούνται οι τύποι πεδίου. Τα αναλογικά κυκλώματα επιτυγχάνουν υψηλή γραμμικότητα κέρδους σε ένα ευρύ φάσμα τάσεων τροφοδοσίας και παραμέτρων εξόδου.
Οι εφαρμογές των διπολικών τρανζίστορ περιλαμβάνουν ενισχυτές, συνδυασμούς, ανιχνευτές, διαμορφωτές, λογικά κυκλώματα με τρανζίστορ και λογικούς αντιστροφείς.
Οι τομείς εφαρμογής των τρανζίστορ εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά τους. Λειτουργούν με 2 τρόπους:
- Στη ρύθμιση του ενισχυτή, η αλλαγή του παλμού εξόδου με μικρές αποκλίσεις στο σήμα ελέγχου,
- Σε σειρά πληκτρολόγησης, ελέγχοντας την ισχύ στα φορτία όταν το ρεύμα εισόδου είναι χαμηλό, το τρανζίστορ είναι πλήρως κλειστό ή πλήρως ανοικτό.
Ο τύπος της μονάδας ημιαγωγών δεν αλλάζει τις συνθήκες λειτουργίας της. Η πηγή είναι συνδεδεμένη με ένα φορτίο, π.χ. έναν διακόπτη, έναν ενισχυτή ήχου, ένα φωτιστικό, αυτό μπορεί να είναι ένας ηλεκτρονικός αισθητήρας ή ένα γειτονικό τρανζίστορ υψηλής ισχύος. Το ρεύμα ξεκινά τη λειτουργία της μονάδας φορτίου και το τρανζίστορ συνδέεται στο κύκλωμα μεταξύ της μονάδας και της πηγής. Η μονάδα ημιαγωγών περιορίζει την εισερχόμενη ισχύ στη μονάδα.
Η αντίσταση στην έξοδο του τρανζίστορ μετασχηματίζεται ανάλογα με τις τάσεις στον αγωγό ελέγχου. Το ρεύμα και η τάση στην αρχή και στο τέλος του κυκλώματος αλλάζουν και αυξάνονται ή μειώνονται και εξαρτώνται από τον τύπο του τρανζίστορ και τον τρόπο σύνδεσής του. Ο έλεγχος του ελεγχόμενου τροφοδοτικού οδηγεί σε αύξηση του ρεύματος, σε παλμό ισχύος ή σε αύξηση της τάσης.
Και οι δύο τύποι τρανζίστορ χρησιμοποιούνται στις ακόλουθες εφαρμογές:
- Στην ψηφιακή ρύθμιση. Έχουν αναπτυχθεί πειραματικά σχέδια για κυκλώματα ψηφιακών ενισχυτών που βασίζονται σε μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό (DAC).
- Σε γεννήτριες παλμών. Ανάλογα με τον τύπο της μονάδας, το τρανζίστορ λειτουργεί με κλειδί ή γραμμικά για την αναπαραγωγή ορθογώνιων ή αυθαίρετων σημάτων, αντίστοιχα.
- Σε ηλεκτρονικές συσκευές υλικού. Προστασία των πληροφοριών και των προγραμμάτων από κλοπή, παράνομη παραποίηση και χρήση. Η λειτουργία είναι σε λειτουργία πλήκτρου, το ρεύμα ελέγχεται σε αναλογική μορφή και ρυθμίζεται από το πλάτος του παλμού. Τα τρανζίστορ τοποθετούνται σε ηλεκτροκινητήρες, ρυθμιστές παλμικής τάσης.
Οι μονοκρυσταλλικοί ημιαγωγοί και οι μονάδες για το άνοιγμα και το κλείσιμο των κυκλωμάτων αυξάνουν την ισχύ, αλλά λειτουργούν μόνο ως διακόπτες. Τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου χρησιμοποιούνται σε ψηφιακές συσκευές ως οικονομικά αποδοτικές μονάδες. Οι τεχνικές κατασκευής στην έννοια των ολοκληρωμένων πειραμάτων περιλαμβάνουν την παραγωγή τρανζίστορ σε ένα μόνο τσιπ πυριτίου.
Η σμίκρυνση των κρυστάλλων οδηγεί σε ταχύτερους υπολογιστές, λιγότερη ενέργεια και λιγότερη παραγωγή θερμότητας.
Σχετικά άρθρα:
