Kako deluje tranzistor in kje se uporablja?

Polprevodniški elektronski element z vhodnim signalom ustvarja, ojačuje in spreminja impulze v integriranih vezjih in sistemih za shranjevanje, obdelavo in prenos informacij. Tranzistor je upor, katerega delovanje uravnava napetost med emitorjem in bazo ali virom in vrati, odvisno od vrste modula.

Vrste tranzistorjev

Tranzistorji se pogosto uporabljajo pri izdelavi digitalnih in analognih IC za izničenje statičnega porabniškega toka in doseganje izboljšane linearnosti. Vrste tranzistorjev se razlikujejo po tem, da nekatere krmilijo spremembe napetosti, druge pa tokovno odstopanje.

Moduli fieldbus delujejo pri večji upornosti enosmernega toka, pretvorba pri visoki frekvenci ne poveča stroškov energije. Če rečemo, kaj je tranzistor z enostavnimi besedami, je to modul z visokim ojačanjem. Ta značilnost tipov polja je večja kot pri bipolarnih tipih. Prvi nimajo disipacije nosilca naboja, kar pospeši delovanje.

Polprevodniki na terenu se pogosteje uporabljajo zaradi prednosti pred bipolarnimi tipi:

• močan upor na vhodu pri konstantnem toku in visoki frekvenci, zmanjša izgubo energije za nadzor;
• Odsotnost kopičenja nebistvenih elektronov, kar pospeši delovanje tranzistorja;
• transport mobilnih delcev;
• stabilnost pri temperaturnih nihanjih;
• Nizek hrup zaradi pomanjkanja vbrizga;
• Nizka poraba energije med delovanjem.

Vrste tranzistorjev in njihove lastnosti določajo namen. Ogrevanje bipolarnega tranzistorja poveča tok na poti od kolektorja do emitorja. Imajo negativen koeficient upora in gibljivi nosilci tečejo v kolektor iz emitorja. Tanka baza je ločena s p-n spoji, tok pa nastane le, ko se premikajoči se delci kopičijo in jih vbrizgajo v bazo. Nekatere nosilce naboja ujame sosednji p-n spoj in jih pospeši, zato se izračunajo parametri tranzistorjev.

Tranzistorji z učinkom polja imajo še eno prednost, ki jo je treba omeniti za telebane. Povezani so vzporedno brez izravnave upora. Upori se v ta namen ne uporabljajo, ker vrednost samodejno raste s spremembo obremenitve. Za pridobitev visoke vrednosti preklopnega toka se nabere kompleks modulov, ki se uporablja v pretvornikih ali drugih napravah.

Bipolarnega tranzistorja ne bi smeli povezovati vzporedno, določanje funkcionalnih parametrov vodi do dejstva, da se zazna toplotna razgradnja nepopravljive narave. Te lastnosti so povezane s tehničnimi lastnostmi preprostih p-n kanalov. Moduli so povezani vzporedno z uporabo uporov za izenačitev toka v oddajnih tokokrogih. Glede na funkcionalne značilnosti in individualne posebnosti v klasifikaciji tranzistorjev ločimo bipolarne in poljske vrste.

Bipolarni tranzistorji

Bipolarne izvedbe so izdelane kot polprevodniške naprave s tremi vodniki. Vsaka od elektrod vključuje plasti z luknjasto p prevodnostjo ali nečistočo n prevodnostjo.Izbira konfiguracije plasti določa izdajo tipov naprav p-n-p ali n-p-n. Ko je naprava vklopljena, različne vrste nabojev istočasno nosijo luknje in elektroni, vključeni sta 2 vrsti delcev.

Nosilci se premikajo zaradi mehanizma difuzije. Atomi in molekule snovi prodrejo v medmolekularno mrežo sosednjega materiala, nato pa se njihova koncentracija izenači po celotnem volumnu. Prenos poteka z območij z visoko zbitostjo na mesta z nizko vsebnostjo.

Elektroni se širijo tudi pod vplivom polja sile okoli delcev, ko so legirni dodatki neenakomerno vključeni v osnovno maso. Za pospešitev delovanja naprave je elektroda, povezana s srednjo plastjo, tanka. Robna vodnika se imenujeta emiter in kolektor. Karakteristika povratne napetosti spoja ni pomembna.

Tranzistorji z učinkom polja

Tranzistor z učinkom polja nadzoruje upor s pomočjo električnega prečnega polja, ki izhaja iz uporabljene napetosti. Mesto, od koder se elektroni premikajo v kanal, se imenuje izvor, odtok pa je videti kot končna točka vstopa naboja. Krmilna napetost potuje skozi prevodnik, imenovan vrata. Naprave so razdeljene v 2 vrsti:

• s krmilnim p-n spojem;
• TIR tranzistorji z izoliranimi vrati.

Prvi tip vsebuje polprevodniško rezino, ki je na krmiljeno vezje povezana z elektrodama na nasprotnih straneh (odtok in vir). Ko je plošča priključena na vrata, se pojavi drugačna prevodnost. Vir prednapetosti enosmernega toka, vstavljen v vhodno vezje, povzroči zaklepno napetost na stičišču.

V vhodnem vezju je tudi vir ojačenega impulza. Po spremembi vhodne napetosti se ustrezen indeks na p-n spoju transformira.Spremeni se debelina plasti in površina preseka kanalskega spoja v kristalu, ki omogoča pretok nabitih elektronov. Širina kanala je odvisna od prostora med osiromašenim območjem (pod vrati) in substratom. Nadzorni tok na začetni in končni točki se nadzoruje s spreminjanjem širine območja izčrpanosti.

Za tranzistor TIR je značilno, da so njegova vrata izolirana od sloja kanala. V polprevodniškem kristalu, imenovanem substrat, se ustvarijo dopirana mesta z nasprotnim predznakom. Imajo vodnike - odtok in vir, med katerima je dielektrik na razdalji manj kot mikron. Kovinska elektroda - vrata - je nameščena na izolatorju. Zaradi nastale strukture, ki vsebuje kovino, dielektrično plast in polprevodnik, dobimo tranzistorji kratico TIR.

Zasnova in princip delovanja za začetnike

Tehnologije ne delujejo samo z električnim nabojem, ampak tudi z magnetnim poljem, svetlobnimi kvanti in fotoni. Načelo delovanja tranzistorja je v stanjih, med katerimi naprava preklaplja. Nasproti malega in velikega signala, odprtega in zaprtega stanja - to je dvojno delovanje naprav.

Poleg polprevodniškega materiala v sestavi, uporabljenega v obliki enega samega kristala, ponekod dopiranega, ima tranzistor v svoji zasnovi:

• kovinski svinci;
• dielektrični izolatorji;
• Ohišje tranzistorja iz stekla, kovine, plastike, kovinske keramike.

Pred izumom bipolarnih ali polarnih naprav so se kot aktivni elementi uporabljale elektronske vakuumske cevi. Zanje razvita vezja se po predelavi uporabljajo v proizvodnji polprevodniških naprav. Lahko bi jih povezali kot tranzistor in jih uporabili, saj so številne funkcionalne značilnosti elektronk primerne za opis delovanja tipov polja.

Prednosti in slabosti zamenjave svetilk s tranzistorji

Izum tranzistorjev je spodbuda za uvajanje inovativne tehnologije v elektroniko. V omrežju se uporabljajo sodobni polprevodniški elementi, v primerjavi s starimi cevnimi vezji ima tak razvoj prednosti:

• Majhna velikost in majhna teža, kar je pomembno za miniaturno elektroniko;
• možnost uporabe avtomatiziranih procesov v proizvodnji naprav in združevanja stopenj, kar zmanjšuje stroške;
• Uporaba tokovnih virov majhne velikosti zaradi potrebe po nizki napetosti;
• takojšnja aktivacija, ni potrebe po segrevanju katode;
• Povečana energetska učinkovitost zaradi manjše disipacije moči;
• robustnost in zanesljivost;
• gladka interakcija z dodatnimi elementi v omrežju;
• odpornost na vibracije in udarce.

Slabosti se kažejo v naslednjih določbah:

• Silicijevi tranzistorji ne delujejo pri napetostih večjih od 1 kW; sijalke so učinkovite pri vrednostih nad 1-2 kW;
• pri uporabi tranzistorjev v radijskih oddajnih omrežjih visoke moči ali UHF oddajnikih je potrebno ujemanje vzporedno povezanih ojačevalnikov nizke moči;
• ranljivost polprevodniških elementov za elektromagnetni signal;
• občutljiv odziv na kozmične žarke in sevanje, kar zahteva razvoj mikrovezij, odpornih na sevanje.

Preklopne sheme

Za delovanje v enem vezju tranzistor potrebuje 2 vhodna in izhodna zatiča. Skoraj vse vrste polprevodnikov imajo le 3 priključne točke. Za izhod iz zagate je eden od koncev označen kot skupni. Zato sledijo 3 običajne sheme ožičenja:

• Za bipolarni tranzistor;
• polarna naprava;
• z odprtim odtokom (zbiralnik).

Bipolarna enota je povezana s skupnim oddajnikom za ojačanje napetosti in toka (OE). V drugih primerih se ujema z nožicami digitalnega čipa, ko obstaja velika napetost med zunanjim vezjem in notranjim povezovalnim načrtom.Tako deluje povezava s skupnim kolektorjem in pride samo do povečanja toka (OK). Če je potrebno povečanje napetosti, se element uvede s skupno bazo (CB). Različica dobro deluje v kompozitnih kaskadnih vezjih, vendar se redko uporablja v izvedbah z enim tranzistorjem.

Polprevodniške naprave na terenu sort TIR in p-n spoja so vključene v vezje:

• s skupnim oddajnikom (SI) - povezava, podobna povezavi bipolarnega modula
• s skupnim izhodom (OC) - povezava podobna tipu OC
• s skupnimi vrati (JG) - podobno kot pri opisu OB.

Pri načrtih z odprtim odtokom je tranzistor vključen s skupnim oddajnikom kot del čipa. Kolektorski zatič ni povezan z drugimi deli modula, obremenitev pa gre na zunanji konektor. Izbira napetosti in jakosti kolektorskih tokov se opravi po projektirani montaži. Naprave z odprtim odtokom delujejo v vezjih z močnimi izhodnimi stopnjami, gonilniki vodil in logičnimi vezji TTL.

Za kaj so tranzistorji?

Aplikacija se razlikuje glede na vrsto naprave - bipolarni modul ali terenska naprava. Zakaj so potrebni tranzistorji? Če je potrebna nizka amperaža, na primer v digitalnih načrtih, se uporabljajo tipi z učinkom polja. Analogna vezja dosegajo visoko linearnost ojačenja v širokem razponu napajalnih napetosti in izhodnih parametrov.

Aplikacije za bipolarne tranzistorje vključujejo ojačevalnike, njihove kombinacije, detektorje, modulatorje, tranzistorska logična vezja in logične pretvornike.

Uporaba tranzistorjev je odvisna od njihovih značilnosti. Delujejo v 2 načinih:

• Pri ojačevalni regulaciji spreminjanje izhodnega impulza z majhnimi odstopanji krmilnega signala;
• v ključnem vrstnem redu, nadzor moči bremen, ko je vhodni tok šibek, je tranzistor popolnoma zaprt ali odprt.

Vrsta polprevodniškega modula ne spremeni pogojev delovanja.Vir je povezan z obremenitvijo, kot je stikalo, ojačevalnik zvoka, svetilka, lahko je elektronski senzor ali sosednji tranzistor visoke moči. Tok zažene delovanje bremenske naprave, tranzistor pa je povezan v tokokrogu med enoto in izvorom. Polprevodniški modul omejuje količino energije, ki gre v enoto.

Upor na izhodu tranzistorja se transformira glede na napetosti na krmilnem vodniku. Tok in napetost na začetku in koncu tokokroga se spreminjata in naraščata ali padata ter sta odvisna od vrste tranzistorja in njegove povezave. Krmiljenje nadzorovanega napajanja vodi do povečanja toka, impulza moči ali povečanja napetosti.

Obe vrsti tranzistorjev se uporabljata v naslednjih aplikacijah:

1. V digitalni regulaciji. Razviti so bili eksperimentalni načrti digitalnih ojačevalnih vezij, ki temeljijo na digitalno-analognih pretvornikih (DAC).
2. V impulznih generatorjih. Odvisno od vrste enote tranzistor deluje v ključnem ali linearnem vrstnem redu za reprodukcijo pravokotnih oziroma poljubnih signalov.
3. V elektronskih strojnih napravah. Za zaščito informacij in programov pred krajo, nezakonitimi posegi in uporabo. Delovanje poteka v ključnem načinu, tok se krmili v analogni obliki in regulira s širino impulza. Tranzistorji so vgrajeni v elektromotorne pogone, impulzne napetostne stabilizatorje.

Monokristalni polprevodniki in moduli za odpiranje in zapiranje tokokrogov povečajo moč, vendar delujejo le kot stikala. Digitalne naprave uporabljajo poljske tranzistorje kot stroškovno učinkovite module. Proizvodne tehnike v konceptu integriranih poskusov vključujejo proizvodnjo tranzistorjev na enem silicijevem čipu.

Miniaturizacija kristalov vodi do hitrejših računalnikov, manj energije in manj toplote.

Povezani članki: