Miten transistori toimii ja missä sitä käytetään?

Puolijohdemateriaalista valmistettu radioelektroninen elementti luo, vahvistaa ja muokkaa pulsseja integroiduissa piireissä ja järjestelmissä, joissa tietoa tallennetaan, käsitellään ja lähetetään tulosignaalin avulla. Transistori on vastus, jonka toimintaa säädellään emitterin ja emäspisteen tai lähteen ja portin välisellä jännitteellä moduulin tyypistä riippuen.

Transistorityypit

Transistoreja käytetään laajalti digitaalisten ja analogisten piirien valmistuksessa staattisen kuluttajavirran nollaamiseksi ja paremman lineaarisuuden saavuttamiseksi. Transistorityypit eroavat toisistaan siten, että joitakin niistä ohjataan jännitteen muutoksella, kun taas toisia ohjataan virran vaihtelulla.

Kenttäefektitransistorit toimivat suuremmalla tasavirtaresistanssilla, mutta muuntaminen korkealla taajuudella ei lisää energiakustannuksia. Yksinkertaisesti sanottuna transistori on moduuli, jossa on korkea vahvistusreuna. Tämä ominaisuus on suurempi kenttätyypeille kuin kaksinapaisille tyypeille. Ensin mainituissa ei ole varauksenkuljettajan häviämistä, mikä nopeuttaa toimintaa.

Kenttäpuolijohteita käytetään useammin, koska niillä on etuja bipolaarisiin tyyppeihin verrattuna:

• Vahva tuloimpedanssi tasavirralla ja korkealla taajuudella, mikä vähentää ohjauksen tehohäviötä;
• Ei tarpeettomien elektronien kertymistä, mikä nopeuttaa transistorin toimintaa;
• liikkuvien hiukkasten kuljetus;
• vakaus lämpötilan vaihtelujen aikana;
• Vähäinen melu ruiskutuksen puuttumisen vuoksi;
• Alhainen virrankulutus käytön aikana.

Transistorityypit ja niiden ominaisuudet määrittelevät käyttötarkoituksen. Bipolaarisen transistorin lämmittäminen lisää virtaa kollektorista emitteriin kulkevalla reitillä. Niillä on negatiivinen vastuskerroin, ja liikkuvat kantajat virtaavat emitteristä kollektoriin. Ohut pohja on erotettu p-n-liitoksilla, ja virtaa syntyy vain, kun liikkuvat hiukkaset kerääntyvät ja ruiskuttavat niitä pohjaan. Osa varauksenkuljettajista jää viereisen p-n-liitoksen vangiksi ja kiihtyy, ja näin transistorit on suunniteltu.

Kenttäefektitransistoreilla on toisenlainen etu, joka on mainittava tyhmille. Ne on kytketty rinnakkain ilman vastuksen tasausta. Vastuksia ei käytetä tähän tarkoitukseen, koska arvo nousee automaattisesti kuorman muuttuessa. Suuren kytkentävirran arvon saavuttamiseksi rekrytoidaan moduuleista koostuva kokonaisuus, jota käytetään vaihtosuuntaajissa tai muissa laitteissa.

Bipolaaritransistoria ei saa kytkeä rinnakkain, toiminnallisten parametrien määrittäminen johtaa luonteeltaan palautumattoman lämpöhäiriön havaitsemiseen. Nämä ominaisuudet liittyvät yksinkertaisten p-n-kanavien teknisiin ominaisuuksiin. Moduulit kytketään rinnakkain käyttämällä vastuksia emitteripiirien virran tasaamiseksi. Toiminnallisten ominaisuuksien ja yksittäisten erityispiirteiden mukaan transistorit luokitellaan bipolaarisiin ja kenttävaikutus-tyyppeihin.

Bipolaariset transistorit

Bipolaariset mallit valmistetaan puolijohdekomponentteina, joissa on kolme johdinta. Kussakin elektrodissa on kerroksia, joilla on reikä-p-johtavuus tai epäpuhtaus-n-johtavuus. Kerrosjärjestyksen valinta määrää p-n-p- tai n-p-n-tyyppisten laitteiden vapautumisen. Kun laite kytketään päälle, reiät ja elektronit kuljettavat erityyppisiä varauksia samanaikaisesti, jolloin mukana on kahdenlaisia hiukkasia.

Kuljetusaineet kulkeutuvat diffuusiomekanismin avulla. Aineen atomit ja molekyylit tunkeutuvat viereisen materiaalin molekyylien väliseen ristikkoon, ja niiden pitoisuus tasoittuu koko tilavuudessa. Siirtyminen tapahtuu tiheästi asutuilta alueilta harvaan asutuille alueille.

Elektronit etenevät myös hiukkasia ympäröivän voimakentän vaikutuksesta, kun seostavat lisäaineet on sisällytetty epätasaisesti perusmassaan. Laitteen toiminnan nopeuttamiseksi keskikerrokseen liitetty elektrodi on tehty ohueksi. Reunajohtimia kutsutaan emitteriksi ja kollektoriksi. Liitoksen käänteisjänniteominaisuudella ei ole merkitystä.

Kenttäefektitransistorit

Kenttäefektitransistori ohjaa resistanssia jännitteestä aiheutuvan poikittaisen sähkökentän avulla. Paikkaa, josta elektronit siirtyvät kanavaan, kutsutaan lähteeksi, ja tyhjennys näyttää varausten lopulliselta sisäänmenopaikalta. Ohjausjännite kulkee portiksi kutsutun johtimen kautta. Laitteet jaetaan kahteen tyyppiin:

• p-n-liitoksessa;
• TIR-transistorit, joissa on eristetty portti.

Ensimmäisessä tyypissä on puolijohdekiekko, joka on kytketty ohjattavaan piiriin vastakkaisilla puolilla olevilla elektrodeilla (tyhjennys ja lähde). Toisenlainen johtavuus tapahtuu sen jälkeen, kun levy on liitetty porttiin. Tulopiiriin asetettu tasajännitelähde tuottaa lukitusjännitteen liitoskohtaan.

Vahvistetun pulssin lähde on myös tulopiirissä. Kun syöttöjännite muuttuu, vastaava luku p-n-liitoksessa muuttuu. Kiteessä olevan, varattujen elektronien virtauksen sallivan kanavaliitoksen kerrospaksuutta ja poikkipinta-alaa muutetaan. Kanavan leveys riippuu (portin alla olevan) tyhjentymisalueen ja substraatin välisestä tilasta. Ohjausvirtaa alku- ja loppupisteissä ohjataan muuttamalla tyhjenemisalueen leveyttä.

TIR-transistorille on ominaista, että portti on eristetty kanavakerroksesta eristeellä. Puolijohdekiteeseen, jota kutsutaan substraatiksi, luodaan vastakkaisen merkin omaavia seostettuja kohtia. Johtimet - tyhjennys ja lähde - on asennettu niiden päälle, ja niiden välissä on alle mikronin etäisyydellä dielektrinen aine. Eristimen päälle asetetaan metallielektrodi - portti. Koska transistorit koostuvat metallista, dielektrisestä kerroksesta ja puolijohteesta, niistä käytetään lyhennettä TIR.

Suunnittelu ja käyttö aloittelijoille

Teknologia ei toimi ainoastaan sähkövarauksella, vaan myös magneettikentällä, valokvantteilla ja fotoneilla. Transistorin toimintaperiaate perustuu tiloihin, joiden välillä laite kytkeytyy. Vastakkainen pieni ja suuri signaali, avoin ja suljettu tila - tämä on laitteiden kaksoistoiminta.

Yhdessä koostumukseltaan puolijohdemateriaalin kanssa, jota käytetään joissakin kohdissa seostettuna yksikiteisenä, transistorin rakenteessa on seuraavat ominaisuudet

• metallijohdot;
• dielektriset eristeet;
• Transistorin kotelo on valmistettu lasista, metallista, muovista, metallikeramiikasta.

Ennen bipolaaristen tai polaaristen laitteiden keksimistä aktiivielementteinä käytettiin elektronisia tyhjiöputkia. Niitä varten kehitettyjä piirejä käytetään muutosten jälkeen puolijohdekomponenttien valmistuksessa. Ne voitaisiin kytkeä transistoriksi ja soveltaa, koska monet tyhjiöputkien toiminnalliset ominaisuudet soveltuvat kenttälaitteiden toiminnan kuvaamiseen.

Etuja ja haittoja putkien korvaamisesta transistoreilla

Transistoreiden keksiminen on ollut liikkeellepaneva voima innovatiivisen tekniikan käyttöönotossa elektroniikassa. Verkossa käytetään nykyaikaisia puolijohde-elementtejä, ja verrattuna vanhempiin putkipiireihin tällaisella kehityksellä on etuja:

• Pieni koko ja alhainen paino, mikä on tärkeää pienoiselektroniikassa;
• mahdollisuus soveltaa laitteiden valmistuksessa automatisoituja prosesseja ja ryhmitellä vaiheita, mikä alentaa tuotantokustannuksia;
• Pienten virtalähteiden käyttö alhaisen jännitevaatimuksen vuoksi;
• välitön aktivoituminen, katodia ei tarvitse lämmittää;
• Energiatehokkuus paranee pienemmän tehohäviön ansiosta;
• kestävyys ja luotettavuus;
• sujuva vuorovaikutus verkon muiden osien kanssa;
• tärinän- ja iskunkestävyys.

Haitat ilmenevät seuraavista säännöksistä:

• Piitransistorit eivät toimi yli 1 kW:n jännitteillä; lamput toimivat yli 1-2 kW:n jännitteillä;
• Kun transistoreja käytetään suuritehoisissa yleisradio- tai UHF-lähettimissä, rinnakkain kytketyt pienitehoiset vahvistimet on sovitettava yhteen;
• Puolijohde-elementtien haavoittuvuus sähkömagneettiselle signaalille;
• Herkkä reaktio kosmisille säteille ja säteilylle, mikä edellyttää säteilynkestävien mikropiirien kehittämistä.

Kytkentäkaaviot

Toimiakseen yhdessä piirissä transistori tarvitsee 2 tulo- ja lähtöliitäntää. Lähes kaikissa puolijohdekomponenteissa on vain 3 liitäntäpistettä. Jotta tästä ongelmasta päästäisiin eroon, toinen pääty nimetään yhteiseksi. Näin ollen on olemassa 3 yhteistä liitäntäkaaviota:

• bipolaarisen transistorin osalta;
• polaarinen laite;
• jossa on avoin tyhjennys (kollektori).

Bipolaarinen yksikkö on kytketty yhteiseen emitteriin sekä jännitteen että virran vahvistusta varten (OE). Muissa tapauksissa se yhdenmukaistaa digitaalisen piirin nastat, kun ulkoisen piirin ja sisäisen kytkentäsuunnitelman välillä on korkea jännite. Näin yhteinen kollektoriliitäntä toimii, ja virta vain kasvaa (OK). Jos tarvitaan jännitteen lisäystä, elementti otetaan käyttöön yhteisellä pohjalla (CB). Vaihtoehto toimii hyvin yhdistelmäkaskadipiireissä, mutta sitä käytetään harvoin yhden transistorin piirissä.

Piirissä on TIR- ja p-n-liitäntäisiä kenttäpuolijohdekomponentteja:

• yhteinen emitteri (JE) - bipolaarisen moduulin JE:n kaltainen liitäntä.
• yhteinen ulostulo (OC) - OC-tyyppistä liitäntää vastaava liitäntä.
• jaetulla portilla (SW) - samanlainen kuin OE.

Open-drain-suunnitelmissa transistori sisältyy yhteiseen emitteriin osana piiriä. Keräimen nastaa ei ole kytketty mihinkään muuhun moduulin osaan, ja kuorma menee ulompaan liittimeen. Jännitteiden ja kollektorivirtojen valinta tehdään projektin kokoamisen jälkeen. Open drain -laitteet toimivat piireissä, joissa on tehokkaita lähtövaiheita, väyläohjaimia ja TTL-logiikkapiirejä.

Mitä varten transistorit ovat?

Sovellus erotetaan sen mukaan, onko laite bipolaarinen moduuli vai kenttäefektitransistori. Miksi transistoreja tarvitaan? Jos tarvitaan pieniä virtoja, esim. digitaalisissa suunnitelmissa, käytetään kenttätyyppejä. Analogiset piirit saavuttavat korkean vahvistuslineaarisuuden laajalla syöttöjännite- ja lähtöparametrien alueella.

Bipolaaritransistoreiden käyttökohteita ovat vahvistimet, yhdistelmät, ilmaisimet, modulaattorit, transistorilogiikkapiirit ja logiikkavaihtimet.

Transistorien käyttöalueet riippuvat niiden ominaisuuksista. Ne toimivat kahdessa tilassa:

• Vahvistimen säätelyssä lähtöpulssin muuttaminen ohjaussignaalin pienillä poikkeamilla;
• Avausjärjestyksessä, joka ohjaa tehoa kuormille, kun tulovirta on alhainen, transistori on täysin suljettu tai täysin auki.

Puolijohdemoduulin tyyppi ei muuta sen käyttöolosuhteita. Lähde on kytketty kuormaan, esim. kytkimeen, äänenvahvistimeen tai valaisimeen, joka voi olla elektroninen anturi tai tehokas naapuritransistori. Virta käynnistää kuormitusyksikön toiminnan, ja transistori on kytketty yksikön ja lähteen väliseen piiriin. Puolijohdemoduuli rajoittaa laitteeseen syötettävää tehoa.

Transistorin ulostulon vastus muuttuu ohjausjohtimen jännitteiden mukaan. Virta ja jännite virtapiirin alussa ja lopussa muuttuvat ja kasvavat tai pienenevät ja riippuvat transistorin tyypistä ja siitä, miten se on kytketty. Ohjatun virtalähteen ohjaaminen johtaa virran, tehopulssin tai jännitteen kasvuun.

Molempia transistorityyppejä käytetään seuraavissa sovelluksissa:

1. Digitaalisessa sääntelyssä. Digitaalianalogiamuuntimiin (DAC) perustuvia digitaalisia vahvistinpiirejä on kehitetty kokeellisesti.
2. Pulssigeneraattoreissa. Yksikkötyypistä riippuen transistori toimii avaimella tai lineaarisessa järjestyksessä suorakulmaisten tai mielivaltaisten signaalien toistamiseksi.
3. Elektronisissa laitteistoissa. Tietojen ja ohjelmien suojaaminen varkauksilta, laittomalta peukaloinnilta ja käytöltä. Toiminta tapahtuu näppäintilassa, virtaa ohjataan analogisesti ja sitä säädellään pulssin leveydellä. Transistorit käytetään sähkömoottorikäytöissä, pulssijännitteen säätimissä.

Yksikiteiset puolijohteet ja virtapiirien avaamiseen ja sulkemiseen tarkoitetut moduulit lisäävät tehoa, mutta toimivat vain kytkiminä. Kenttäefektitransistoreja käytetään digitaalisissa laitteissa kustannustehokkaina moduuleina. Integroitujen kokeiden käsitteeseen kuuluvissa valmistustekniikoissa transistorit valmistetaan yhdelle piisirulle.

Kiteiden pienentäminen johtaa nopeampiin tietokoneisiin, jotka kuluttavat vähemmän energiaa ja tuottavat vähemmän lämpöä.

Aiheeseen liittyvät artikkelit: