Hur fungerar en transistor och var används den?

Ett radio-elektroniskt element av halvledarmaterial skapar, förstärker och modifierar pulser i integrerade kretsar och system för lagring, bearbetning och överföring av information med hjälp av en insignal. En transistor är ett motstånd vars funktion regleras av spänningen mellan emitter och bas eller källa och grind, beroende på modultyp.

Typer av transistorer

Transistorer används i stor utsträckning vid tillverkning av digitala och analoga kretsar för att nollställa den statiska konsumentströmmen och uppnå förbättrad linjäritet. Transistortyperna skiljer sig åt genom att vissa styrs av en spänningsförändring, medan andra styrs av en variation i strömmen.

Fälteffekttransistorer arbetar med ett högre likströmsmotstånd, vilket gör att omvandling vid hög frekvens inte ökar energikostnaden. Enkelt uttryckt är en transistor en modul med en hög förstärkningskant. Denna egenskap är större för fälttyper än för bipolära typer. De förstnämnda har ingen förbrukning av laddningsbärare, vilket påskyndar driften.

Fälthalvledare används oftare på grund av fördelarna jämfört med bipolära typer:

• Stark ingångsimpedans vid likström och hög frekvens, vilket minskar effektförlusten för styrning;
• Ingen ansamling av oviktiga elektroner, vilket påskyndar transistorens funktion;
• transport av rörliga partiklar;
• stabilitet vid temperaturväxlingar;
• Lågt buller på grund av avsaknad av injektion;
• Låg energiförbrukning under drift.

Transistortyper och deras egenskaper definierar syftet. Uppvärmning av en bipolär transistor ökar strömmen längs vägen från kollektor till emitter. De har en negativ motståndskoefficient och de rörliga bärarna strömmar från emittern till kollektorn. Den tunna basen är separerad av p-n-övergångar och ström uppstår endast när partiklar i rörelse samlas och sprutas in i basen. En del av laddningsbärarna fångas upp av den angränsande p-n-övergången och accelereras, vilket är så transistorerna är konstruerade.

Fälteffekttransistorer har en annan typ av fördel som måste nämnas för dummies. De är parallellkopplade utan någon motståndutjämning. Motstånd används inte för detta ändamål, eftersom värdet ökar automatiskt när belastningen ändras. För att få ett högt strömvärde för växelströmmen rekryteras ett komplex av moduler som används i växelriktare eller andra enheter.

En bipolär transistor får inte kopplas parallellt, bestämningen av de funktionella parametrarna leder till att man upptäcker en termisk nedbrytning av irreversibel karaktär. Dessa egenskaper är relaterade till de tekniska egenskaperna hos enkla p-n-kanaler. Modulerna kopplas parallellt med hjälp av motstånd för att jämna ut strömmen i emitterkretsarna. Beroende på funktionella egenskaper och individuella särdrag består en klassificering av transistorer av bipolära och fälteffekttyper.

Bipolära transistorer

Bipolära konstruktioner tillverkas som halvledarenheter med tre ledare. I var och en av elektroderna finns lager med p-ledningsförmåga för hål eller n-ledningsförmåga för föroreningar. Valet av skiktsarrangemang avgör om det är fråga om p-n-p- eller n-p-n-enheter. När apparaten slås på bärs olika typer av laddningar av hål och elektroner samtidigt, vilket innebär att två typer av partiklar är inblandade.

Bärare transporteras genom en diffusionsmekanism. Atomer och molekyler av ett ämne tränger in i det intilliggande materialets intermolekylära gitter och koncentrationen av dem jämnar ut sig i hela volymen. Överföringen sker från områden med hög täthet till områden med låg täthet.

Elektroner sprider sig också under inverkan av kraftfältet runt partiklarna när legeringstillsatserna är ojämnt inlagda i grundmassan. För att påskynda anordningens verkan görs elektroden som är ansluten till mellanskiktet tunn. Kantledarna kallas emitter och kollektor. Den omvända spänningsegenskapen för förbindelsen är oviktig.

Fälteffekttransistorer

En fälteffekttransistor reglerar ett motstånd med hjälp av ett elektriskt tvärfält som uppstår genom en påförd spänning. Den plats från vilken elektronerna rör sig in i kanalen kallas källan, och dräneringen är den sista platsen där laddningarna kommer in. Styrspänningen går genom en ledare som kallas grinden. Anordningarna är indelade i två typer:

• p-n-övergång;
• TIR-transistorer med isolerad grind.

Den första typen innehåller en halvledarplatta som är ansluten till den styrda kretsen med elektroder på motsatta sidor (drain och source). En annan typ av ledningsförmåga uppstår när plattan är ansluten till grinden. En likströmsförspänningskälla som är placerad i ingångskretsen producerar en låsningsspänning vid korsningen.

Källan till den förstärkta pulsen finns också i ingångskretsen. När ingångsspänningen ändras omvandlas motsvarande siffra i p-n-övergången. Skikttjockleken och tvärsnittsytan för den kanalövergång i kristallen som tillåter flödet av laddade elektroner ändras. Kanalbredden beror på utrymmet mellan utarmningsområdet (under grinden) och substratet. Kontrollströmmen vid start- och slutpunkterna styrs genom att ändra bredden på utarmningsområdet.

TIR-transistorn kännetecknas av att grinden är separerad från kanalskiktet av en isolator. I halvledarkristallen, som kallas substratet, skapas dopade platser med motsatt tecken. Ledarna - drain och source - är monterade på dem, med ett dielektrikum mellan dem på ett avstånd av mindre än en mikrometer. En metallelektrod - grinden - placeras på isolatorn. På grund av den resulterande strukturen med metall, dielektriskt skikt och halvledare kallas transistorer för TIR.

Design och drift för nybörjare

Tekniken fungerar inte bara med en elektrisk laddning, utan också med ett magnetfält, ljuskvanta och fotoner. Principen för en transistor ligger i de tillstånd som enheten växlar mellan. Motsatt liten och stor signal, öppet och stängt tillstånd - detta är anordningarnas dubbla funktion.

Tillsammans med det halvledarmaterial som används i form av en enkelkristall som är dopad på vissa ställen, har transistorns konstruktion en del av sin sammansättning:

• metallkablar;
• dielektriska isolatorer;
• Transistorhus av glas, metall, plast, metallkeramik.

Före uppfinningen av bipolära eller polära enheter användes elektroniska vakuumrör som aktiva element. De kretsar som utvecklas för dem används efter modifiering för att tillverka halvledarelement. De kan anslutas som en transistor och användas, eftersom många av vakuumrörens funktionella egenskaper är lämpliga när man beskriver fältutrustningens funktion.

För- och nackdelar med att ersätta rör med transistorer

Uppfinningen av transistorer har varit en drivkraft bakom införandet av innovativ teknik inom elektronik. Moderna halvledarelement används i nätverket och jämfört med äldre rörkretsar har denna utveckling fördelar:

• Liten storlek och låg vikt, vilket är viktigt för miniatyrelektronik;
• Möjligheten att tillämpa automatiserade processer vid tillverkningen av anordningar och gruppera stegen, vilket minskar produktionskostnaden;
• Användning av små strömkällor på grund av det låga spänningskravet;
• omedelbar aktivering, inget behov av att värma upp katoden;
• Ökad energieffektivitet tack vare lägre energiförbrukning;
• robusthet och tillförlitlighet;
• smidig interaktion med andra element i nätverket;
• Vibrations- och stöttålighet.

Nackdelarna visar sig i följande bestämmelser:

• Kiseltransistorer fungerar inte vid spänningar över 1 kW, medan lampor är effektiva vid spänningar över 1-2 kW;
• Vid användning av transistorer i hög effekt sändningar eller UHF-sändare måste låg effektförstärkare som är parallellt anslutna matchas;
• Halvledarelementens sårbarhet för elektromagnetiska signaler;
• känslig reaktion på kosmisk strålning och strålning, vilket kräver utveckling av strålningsbeständiga mikrokretsar i detta avseende.

Kopplingsdiagram

För att fungera i en enda krets behöver en transistor två ingångs- och utgångsstift. Nästan alla halvledarenheter har endast tre anslutningspunkter. För att komma ur detta dilemma utses en av ändarna till gemensam. Därför finns det tre vanliga anslutningsscheman:

• för en bipolär transistor;
• polär anordning;
• med öppen dränering (kollektor).

En bipolär enhet är ansluten till en gemensam emitter för både spännings- och strömförstärkning (OE). I andra fall matchar den stiften på ett digitalt chip när det finns en hög spänning mellan den externa kretsen och den interna anslutningsplanen. Det är så här den gemensamma kollektorförbindelsen fungerar, och det finns bara en ökning av strömmen (OK). Om det krävs en spänningsökning införs elementet med en gemensam bas (CB). Alternativet fungerar bra i sammansatta kaskadkretsar, men används sällan i konstruktioner med en enda transistor.

Fälthalvledarenheter av TIR- och p-n-övergångstyp ingår i kretsen:

• gemensam emitter (JE) - en anslutning som liknar JE i en bipolär modul.
• med gemensam utgång (OC) - en anslutning som liknar OC-typ
• med delad grind (SW) - liknar OE.

I open-drain planer ingår transistorn med en gemensam emitter som en del av chipet. Kollektorstiftet är inte anslutet till några andra delar av modulen och belastningen går till den yttre kontakten. Valet av spänningar och kollektorströmmar görs efter att projektet har monterats. Open drain-enheter fungerar i kretsar med kraftfulla utgångssteg, bussdrivare och TTL-logikkretsar.

Vad är transistorer till för?

Tillämpningen skiljer sig åt beroende på om enheten är en bipolär modul eller en fälteffekttransistor. Varför behövs transistorer? Om det krävs låga strömmar, t.ex. i digitala planer, används fälttyperna. Analoga kretsar uppnår hög förstärkningslinjäritet över ett brett spektrum av matningsspänningar och utgångsparametrar.

Tillämpningar för bipolära transistorer är bland annat förstärkare, kombinationer, detektorer, modulatorer, transistorlogiska kretsar och logiska inverterare.

Transistorernas användningsområden beror på deras egenskaper. De fungerar i två lägen:

• Vid förstärkarreglering ändras utgångspulsen med små avvikelser i styrsignalen;
• I nyckelordning styrs strömmen till belastningarna när ingångsströmmen är låg och transistorn är helt stängd eller helt öppen.

Typen av halvledarmodul ändrar inte dess driftsförhållanden. Källan är ansluten till en belastning, t.ex. en strömbrytare, en ljudförstärkare, en belysningsarmatur, detta kan vara en elektronisk sensor eller en kraftfull närliggande transistor. Strömmen startar laddningsenhetens drift och transistorn är ansluten i kretsen mellan enheten och källan. Halvledarmodulen begränsar den tillförda effekten till enheten.

Motståndet vid transistorens utgång omvandlas i enlighet med spänningarna på styrledaren. Strömmen och spänningen i början och slutet av kretsen förändras och ökar eller minskar och beror på transistortypen och hur den är ansluten. Styrning av den styrda strömförsörjningen leder till en ökning av strömmen, en strömimpuls eller en ökning av spänningen.

Båda typerna av transistorer används i följande tillämpningar:

1. I den digitala regleringen. Experimentella konstruktioner av digitala förstärkarkretsar baserade på digital-analogomvandlare (DAC) har utvecklats.
2. I pulsgeneratorer. Beroende på typ av enhet arbetar transistorn i nyckel- eller linjär ordning för att återge rektangulära eller godtyckliga signaler.
3. I elektronisk hårdvara. För att skydda information och program från stöld, olaglig manipulering och användning. Driften sker i tangentläge, strömmen styrs analogt och regleras av pulsbredden. Transistorer används i elektriska motordrifter, pulsspänningsregulatorer.

Monokristallina halvledare och moduler för att öppna och stänga kretsar ökar effekten, men fungerar endast som brytare. Fälteffekttransistorer används i digitala enheter som kostnadseffektiva moduler. Tillverkningsmetoderna för integrerade experiment innebär att transistorer tillverkas på ett enda kiselchip.

Miniatyrisering av kristaller leder till snabbare datorer, mindre energi och mindre värmeutveckling.

Relaterade artiklar: