Транзистор. Как работает транзистор и для чего он нужен? Виды транзисторов и принцип работы для чайников
В свое время за открытие транзистора его создатели удостоились Нобелевской премии. Этот маленький прибор изменил человечество навсегда: начиная с простых радиоприемников и заканчивая процессорами, в которых их число достигает нескольких миллиардов. Между тем, чтобы узнать, как он работает, не нужно быть золотым медалистом или лауреатом «нобелевки».
Содержание статьи
Что такое транзистор
Транзистор – это прибор, изготовленный из полупроводниковых материалов. Выглядит как маленькая металлическая пластинка с тремя контактами. Назначений у него два: усиливать поступающий сигнал и участвовать в управлении компонентами электроприборов.
Принцип действия
Полупроводники занимают промежуточное состояние между проводниками и диэлектриками. В обычном состоянии они не проводят электрический ток, но их сопротивление падает с ростом температуры.
Чем она выше, тем больше энергии, которую получает вещество.
В атомах полупроводника электроны отрываются от «родительского» атома и улетают к другому, чтобы заполнить там «дырку», которую оставил такой же электрон. Получается, что внутри такого материала одновременно происходят два процесса: полет электронов (n-проводимость, от слова negative – отрицательный), и образование «дырок» (p-проводимость от слова positive – положительный). В обычном куске кремния эти процессы уравновешены: количество дырок равно количеству свободных электронов.
Однако с помощью специальных веществ можно нарушить это равновесие, добавив «лишние» электроны (вещества – доноры) или «лишние» «дырки» (вещества акцепторы). Таким образом можно получить кристалл полупроводника с преобладающей n-проводимостью, либо p-проводимостью.
Если два таких материала приложить друг к другу, то в месте их соприкосновения образуется так называемый p-n переход. Дырки и электроны проходят через него, насыщая соседа.
То есть там, где был избыток дырок, идет их заполнение электронами и наоборот.
В какой-то момент в месте соприкосновения не останется свободных носителей заряда и наступит равновесие. Это своего рода барьер, который невозможно преодолеть, этакая пустыня. Этот слой принято называть обедненным слоем.
Теперь, если приложить к такому материалу напряжение, то оно поведет себя интересным образом: при прямой его направленности обедненный слой истончится и через него пойдет электроток, а при обратном – наоборот, расширится.
Как говорится, если для чайников, то p-n переход обладает способностью пропускать ток только в одном направлении. Это своего рода «обратный клапан» для электрической сети. На этом их свойстве основана работа всех полупроводниковых приборов.
Существует две основные разновидности транзисторов: полевые (иногда их называют униполярными) и биполярными. Различаются они по устройству и принципу действия.
Биполярный транзистор
Биполярный транзистор обладает двумя переходами: p-n-p или n-p-n.
Принципиальное различие между ними – направление течения тока.
Коллектор и эмиттер, обладающие одинаковой проводимостью (в n-p-n транзисторе n-проводимостью), разделены базой, которая обладает p-проводимостью. Если даже эмиттер подключен к источнику питания, ему не пробиться напрямую в коллектор. Для этого необходимо подать ток на базу.
В таком случае электроны из эмиттера заполняют «дырки» последней. Но так как база слабо легирована, то и дырок в ней мало. Поэтому большая часть электронов переходит в коллектор и они начинают свое движение по цепи. Ток коллектора практически равен току эмиттера, ведь на базу приходится очень маленькое его значение.
Чтобы нагляднее себе это представить, можно воспользоваться аналогией с водопроводной трубой. Для управления количеством воды нужен вентиль (транзистор). Если приложить к нему небольшое усилие, он увеличит свое проходное сечение трубы и через него начнет проходить больше воды.
Полевой транзистор
Если в биполярном транзисторе управление происходило с помощью тока, то в полевом – с помощью напряжения.
Сам канал как бы «зажат» между затвором, который обладает обратной проводимостью, то есть если канал имеет n-проводимость, то затвор – p-проводимость. Затвор электрически отделен от канала. Изменяя напряжение на затворе, можно регулировать зону p-n перехода. Чем она больше, тем меньше электрической энергии проходит через канал. Существует значение напряжения, при котором затвор полностью перекроет канал и ток между истоком и стоком прекратится.
Наиболее наглядная иллюстрация в этом случае – садовый шланг, который проходит через камеру небольшого колеса. В таком случае, даже когда в него подается небольшое давление воздуха (напряжение затвор-исток), оно значительно увеличивается в размерах и начинает пережимать шланг, перекрывается просвет шланга и прекращается подача воды (увеличивается зона p-n перехода и через канал перестает идти электроток).
Описанный выше тип полупроводникового прибора является классическим и называется транзистором с управляющим p-n переходом. Часто можно встретить аббревиатуру JFET – Junction FET, что просто перевод русского названия на английский.
Другой тип полевого триода имеет небольшое различие в конструкции затвора. На слое кремния с помощью окисления образуется слой диэлектрика оксида кремния. Уже на него методом напыления металла наносят затвор. Получаются чередующиеся слои Металл -Диэлектрик – Полупроводник или МДП-затвор.
Такой полевой транзистор с изолированным затвором обозначается латинскими буквами MOSFET.
Существует два вида МДП-затвора:
- МДП-затвор с индуцированным (или инверсным) каналом в обычном состоянии закрыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал не проходит. Для того, чтобы открыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.
- МДП-затвор со встроенным (или собственным) каналом в обычном состоянии открыт, то есть при отсутствии напряжения на затворе электроток через канал проходит.
Для того, чтобы закрыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.
Для того, чтобы закрыть его, к затвору необходимо приложить напряжение.Основные характеристики
Основная особенностью всех видов транзисторов является способность управлять мощным током с помощью небольшого по силе. Их отношение показывает насколько эффективен полупроводниковый прибор.
В биполярных транзисторах этот показатель называется статическим коэффициентом передачи тока базы. Он характеризует, во сколько раз основной коллекторный ток больше вызвавшего его тока базы. Этот параметр имеет очень широкое значение и может достигать 800.
Хотя на первый взгляд кажется, что здесь важен принцип «чем больше, тем лучше», но в действительности это не так. Скорее, тут применимо изречение «лучше меньше, да лучше». В среднем биполярные транзисторы имеют коэффициент передачи тока базы в пределах 10 – 50.
Для полевых транзисторов схожий по типу параметр называется крутизной входной характеристики или проводимостью прямой передачи тока.
Если на транзистор подать сигнал с определенной частотой, то он многократно усилит его. Это свойство полупроводниковых приборов применяется в радиоэлектронике. Однако существует предел усиления частоты, за которым триод уже не в состоянии усилить сигнал.
Поэтому оптимальным считается максимальная рабочая частота сигнала, в 10-20 раз ниже предельного усиления частоты транзистора.
Еще одной показательной характеристикой транзистора является максимальная допустимая рассеиваемая мощность. Дело в том, что при работе любого электрического прибора вырабатывается тепло. Оно тем больше, чем выше значения силы тока и напряжения в цепи.
Отводится оно несколькими способами: с помощью специальных радиаторов, принудительного обдува воздухом и другими. Таким образом, существует некий предел количества теплоты для любого триода (для каждого он разный), который он может рассеять в пространство.
Поэтому при выборе прибора исходят из характеристик электрической цепи, на который предстоит установить транзистор.
Типы подключений
Основная задача транзистора – усиливать поступающий сигнал. Проблема в том, что у любого триода имеются только три контакта, в то время как сам усилитель имеет четыре полюса – два для входящего сигнала и два для выходящего, то есть усиленного. Выход из положения – использовать один из контактов транзистора дважды: и как вход, и как выход.
По этому принципу различают три вида подключения. Стоит отметить, что не имеет принципиальной разницы, какой тип прибора используется – полевой или биполярный.
- Подключение с общим эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ). Эта схема подключения имеет наибольшие значения усиления мощности по току и напряжению. Однако из-за эффекта Миллера его частотные характеристики значительно хуже. Борются с этим негативным явлением несколькими способами: используют подключение с общей базой, применяют каскодное подключение двух транзисторов (подключённому по общему эмиттеру добавляется второй, подключенный по общей базе).
- Подключение с общей базой (ОБ) или общим затвором (ОЗ). Здесь полностью исключено влияние эффекта Миллера. Однако за это приходиться платить: в этой схеме усиления тока практически не происходит, зато имеется широкий диапазон для изменения частоты сигнала.
- Подключение с общим коллектором (ОК) или общим стоком (ОС). Такой тип подключения часто называют эмиттерным или истоковым повторителем. Это «золотая середина» между двумя предыдущими видами схем: частотные характеристики и мощность усиления по току и напряжению находятся где-то посередине между двумя первыми.
Все три описанных выше типа подключения применяются в зависимости от того, какие цели преследуют конструкторы.
Виды транзисторов
В первых транзисторах применялся германий, который работал не совсем стабильно. Со временем от него отказалось в пользу других материалов: кремния (самый распространённый) и арсенида галлия. Но все это традиционные полупроводники.
В настоящее время начинают набирать популярность триоды на основе органических материалов и даже веществ биологического происхождения: протеинов, пептидов, молекул хлорофилла и целых вирусов.
Другие классификации транзисторов:
- По мощности подразделяются на маломощные (до 0,1 Вт), средней мощности (от 0,1 до 1 Вт) и просто мощные (свыше 1 Вт).
- Также разделяются по материалу корпуса (металл или пластмасса), типу исполнения (в корпусе, бескорпусные, в составе интегральных схем).
- Нередко их объединяют друг с другом для улучшения характеристик. Такие транзисторы называются составными или комбинированными и могут состоять из двух и более полупроводниковых приборов. Строение и у них простое: эмиттер первого является базой для второго и так далее до необходимого количества триодов. Бывает нескольких типов: Дарлинга (все составляющие с одинаковым типом проводимости), Шиклаи (тип проводимости разный), каскодный усилитель (два прибора, работающие как один с подключением по схеме с общим эмиттером).
- К составным относится также и IGBT-транзистор, представляющий собой биполярный, который управляется при помощи полярного триода с изолированным затвором. Такой тип полупроводниковых приборов применяется в основном там, где нужно управлять большим током (сварочные аппараты, городские электросети) или электромеханическими приводами (электротранспорт).
- В качестве управления может применяться не ток, а другое электромагнитное воздействие. К примеру, в фототранзисторах в качестве базы используется чувствительный фотоэлемент, а в магнитотранзисторах – материал, индуцирующий ток при воздействии на него магнитного поля.
Такой тип полупроводниковых приборов применяется в основном там, где нужно управлять большим током (сварочные аппараты, городские электросети) или электромеханическими приводами (электротранспорт).Технологический предел для транзисторов еще не достигнут. Их размеры уменьшаются с каждым голом, а различные научно-исследовательские институты ведут поиск новых материалов для использования в качестве полупроводника. Можно сказать, что эти полупроводниковые приборы еще не сказали миру своего последнего слова.
Как работает транзистор и для чего он нужен? Виды транзисторов и принцип работы для чайников”> Что такое транзистор и для чего он используется? • Оки Доки
Транзисторы — одно из самых важных изобретений 20-го века. Вы можете найти их почти в каждом электронном устройстве, от радиоприемников до телевизоров и компьютеров. Но что такое транзистор и как он работает?
Что такое транзистор?
Транзистор представляет собой электронное устройство с тремя выводами, которое усиливает или переключает электронные сигналы. Его основными компонентами являются два полупроводниковых материала, обычно кремний, с противоположными свойствами, известные как p-тип и n-тип.
Когда два материала соединяются вместе, они образуют барьер обедненного слоя. Этот слой действует как переключатель, позволяя электрическому току протекать или не протекать, в зависимости от напряжения, приложенного к третьему выводу, известному как затвор.
Программы для Windows, мобильные приложения, игры – ВСЁ БЕСПЛАТНО, в нашем закрытом телеграмм канале – Подписывайтесь:)
Транзисторы используются почти во всех электронных устройствах и являются важными компонентами интегральных схем или микросхем.
Изобретенные в 1947 году Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли из Bell Laboratories, транзисторы произвели революцию в электронике, сделав возможными более компактные, дешевые и более надежные устройства.
Транзисторы состоят из трех основных частей:
Базовая клемма управляет потоком тока между двумя другими клеммами. Коллектор собирает ток, идущий от базы, а эмиттер излучает ток от коллектора.
Транзисторы могут работать как усилители или переключатели. Транзистор увеличивает ток, протекающий через него, когда используется в качестве усилителя. Транзисторы могут включать или выключать ток при использовании в качестве переключателя.
Как работает транзистор?
Принцип работы транзистора довольно прост. Когда ток не протекает через базу, транзистор находится в выключенном состоянии. Это означает, что через клеммы коллектора и эмиттера не может протекать ток.
Когда ток подается на базовую клемму, транзистор переходит в состояние «включено».
Это позволяет току течь через клеммы коллектора и эмиттера. Величина тока, который может протекать через транзистор, зависит от величины, подаваемой на базовую клемму.
Что делают транзисторы? Применение транзисторов
Транзисторы используются в различных электронных устройствах и имеют широкий спектр применения.
Микросхемы памяти компьютера
Одним из наиболее распространенных применений транзисторов являются чипы компьютерной памяти. Эти чипы хранят информацию в виде электрических зарядов, а транзисторы действуют как крошечные переключатели, которые могут включать и выключать заряды. Это делает их идеальными для хранения данных, поскольку они могут хранить множество информации в компактном пространстве. Кроме того, они быстрые, что важно для компьютеров, которым необходимо быстро получать доступ к большим объемам данных.
Переключатели
Транзисторы часто используются в качестве переключателей, потому что они быстро включаются и выключаются.
Это делает их идеальными для цифровых цепей, где они могут с большой точностью управлять потоком электричества.
Усилители
Еще одно применение транзисторов — усилители. Усилители берут слабый электрический сигнал и усиливают его, делая его сильнее. Первое коммерческое применение транзисторов было в слуховых аппаратах и карманных радиоприемниках. Сегодня транзисторы используются для усиления звука во множестве приложений, таких как стереосистемы и усилители музыкальных инструментов.
Цифровые логические схемы
Транзисторы также используются в цифровых логических схемах. Цифровые логические схемы являются строительными блоками цифровой электроники, такой как компьютеры и сотовые телефоны. Эти схемы используют транзисторы для выполнения булевых логических операций, которые являются основой для всех цифровых вычислений.
Транзисторы — строительные блоки современной электроники
Мы прошли долгий путь с тех пор, как в 1947 году был изобретен первый транзистор.
Сегодня транзисторы можно найти во всем, от сотовых телефонов до автомобилей, и они играют важную роль в нашей жизни.
Хотя вы можете не придавать им большого значения, транзисторы находятся за кулисами, следя за тем, чтобы ваш телефон звонил, ваша машина заводилась, а ваше любимое шоу шло по телевизору. Надеюсь, это помогло вам лучше понять один из самых фундаментальных компонентов всей электроники.
Программы для Windows, мобильные приложения, игры – ВСЁ БЕСПЛАТНО, в нашем закрытом телеграмм канале – Подписывайтесь:)
Как работают транзисторы? – Utmel
Транзистор — это разновидность полупроводникового устройства, управляющего током. Его функция заключается в усилении слабого сигнала в электрический сигнал с большей амплитудой, а также он используется в качестве бесконтактного переключателя.
Каталог
Транзистор является одним из основных полупроводниковых компонентов, который выполняет функцию усиления тока и является основным компонентом электронной схемы.
Транзистор состоит из двух PN переходы очень близко друг к другу на полупроводниковой подложке. Два PN-перехода делят весь полупроводник на три части. Средняя часть — это базовая область, а две стороны — области эмиттера и коллектора. PNP и NPN – это два вида договоренностей.
Ⅰ Структура сердечника транзисторов
транзистор
Сердцевиной транзистора является переход « PN », который представляет собой два встречных PN-перехода. PN-соединение может быть комбинацией NPN или комбинацией PNP. Поскольку кремниевый тип NPN является основным транзистором, в следующем содержании в качестве примера в основном используется кремниевый транзистор типа NPN.
Схематическая диаграмма транзисторной структуры NPN
Процесс производства кремния NPN Transistor:
Структивный вид.
Когда напряжение, подаваемое на эмиттерный переход транзистора, меньше напряжения проводимости PN-перехода, ток базы, ток коллектора и ток эмиттера равны нулю.
Транзистор теряет эффект усиления тока, а коллектор и эмиттер равны в выключенном состоянии ключа, которое мы называем транзистором в состоянии отсечки.
Транзистор работает в активной области, когда эмиттерный переход транзистора смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В активной области напряжение, подаваемое на эмиттерный переход транзистора, больше, чем напряжение включения PN-перехода. А ток базы управляет током коллектора, так что транзистор действует как усилитель, а его коэффициент усиления тока β=ΔIc/ΔIb. Мы называем транзистор находится в активном состоянии.
3 Состояние насыщения Когда напряжение, приложенное к эмиттерному переходу транзистора, больше, чем напряжение проводимости PN-перехода, и когда ток базы увеличивается до определенной степени, ток коллектора больше не увеличивается с увеличением увеличение тока базы. В это время транзистор теряет эффект усиления тока.
Напряжение между коллектором и эмиттером очень мало, а коллектор и эмиттер эквивалентны включенному состоянию переключателя. Это состояние транзистора называется состоянием насыщенной проводимости.
По уровню напряжения каждого электрода при работе транзистора можно судить о рабочем состоянии транзистора. Персонал по обслуживанию электроники часто использует мультиметр для измерения напряжения на каждом выводе транзистора в процессе обслуживания, чтобы определить рабочее состояние и рабочее состояние транзистора.
Ⅲ Теоретический принцип работы транзисторов
Существует два типа транзисторов в зависимости от материалов: германиевые трубки и кремниевые трубки. Каждый из них имеет две структурные формы, NPN и PNP, но наиболее распространенными являются кремниевые NPN и германиевые PNP транзисторы. Полупроводники N-типа добавляют фосфор в кремний высокой чистоты, чтобы заменить некоторые атомы кремния, чтобы создать стимуляцию при пониженном напряжении со свободной электронной проводимостью. P означает положительный. Полупроводники P-типа добавляют бор вместо кремния, который создает большое количество отверстий для облегчения проводимости. За исключением разницы в полярности источника питания, два принципа работы одинаковы. Ниже представлен только текущий принцип усиления кремниевых ламп NPN.
Транзистор NPN и транзистор PNP
Транзистор NPN состоит из двух полупроводников N-типа и полупроводника P-типа в середине. PN-переход, образованный между эмиттерной областью и базовой областью, называется эмиттерным переходом, а PN-переход, образованный коллекторной областью и базовой областью, называется коллекторным переходом. Три вывода называются эмиттером e, базой b и коллектором c.
Когда потенциал в точке b выше, чем потенциал в точке e на несколько вольт, эмиттерный переход находится в состоянии прямого смещения. Когда потенциал в точке C на несколько вольт выше, чем потенциал в точке b, коллекторный переход находится в состоянии обратного смещения, и мощность коллектора Ec выше, чем мощность базы Eb.
При изготовлении транзистора концентрация основных носителей в области эмиттера намеренно делается больше, чем в области базы. При этом базовая область делается очень тонкой, а содержание примесей необходимо строго контролировать. Таким образом, после включения питания эмиттерный переход смещается положительно. Основные носители (электроны) в эмиттерной области и основные носители (дырки) в базовой области легко диффундируют друг к другу через эмиттерный переход. База концентрации первого больше, чем второго, поэтому ток через эмиттерный переход представляет собой в основном поток электронов, который называется потоком эмиттерных электронов.
Из-за тонкой базы и обратного смещения коллекторного перехода большинство электронов, инжектированных в базовую область, пересекают коллекторный переход и входят в область коллектора, образуя коллекторный ток Ic, оставляя лишь несколько (1-10 %) электронов. Эти электроны рекомбинируют в дырках базовой области, а рекомбинированные дырки в базовой области перезаряжаются от источника питания базы Eb, формируя таким образом базовый ток Ibo.
По принципу непрерывности тока:
Ie=Ib+Ic
Это означает, что, добавляя маленькое Ib к базе, на коллекторе можно получить большее Ic. Это так называемое усиление тока. Ic и Ib поддерживают определенную пропорциональную зависимость, а именно:
β1=Ic/Ib
В формуле: β1 – коэффициент усиления по постоянному току,
Отношение изменения тока коллектора △Ic к изменению тока базы △Ib составляет:
β= △Ic/△Ib
В формуле β называется коэффициентом усиления переменного тока. Поскольку значения β1 и β не сильно различаются на низких частотах, иногда для удобства они строго не различаются, а значение β составляет от десятков до более чем ста.
α1=Ic/Ie (Ic и Ie — токи в цепи постоянного тока)
Формула: α1 также называется коэффициентом усиления постоянного тока, который обычно используется в схеме усилителя с общей базовой конфигурацией для описания взаимосвязи между ток эмиттера и ток коллектора.
α =△Ic/△Ie
α в выражении представляет собой увеличение переменного тока общей базы.
Точно так же нет большой разницы между α и α1, когда на вход подается слабый сигнал.
Для двух коэффициентов увеличения, описывающих соотношение токов, соотношение равно:
Эффект усиления тока транзистора фактически заключается в использовании небольшого изменения тока базы для управления огромным изменением тока коллектора. Транзистор является своего рода устройством усилителя тока, но при фактическом использовании эффект усилителя тока транзистора часто преобразуется в эффект усилителя напряжения через резистор.
Ⅳ Принцип усиления на транзисторах
1 Эмиттер эмитирует электроны на базу Источник питания Ub подводится к эмиссионному переходу через резистор Rb. Эмиссионный переход смещен в прямом направлении, и большинство носителей (свободных электронов) в области излучения непрерывно пересекают эмиссионный переход и входят в область базы, образуя эмиттерный ток Ie. В то же время большинство носителей в базовой области диффундирует в область излучения, но поскольку концентрация основных носителей намного меньше, чем концентрация носителей в области излучения, этим током можно пренебречь, поэтому можно считать, что эмиссионный переход в основном поток электронов.
Попадая в область базы, электроны сначала концентрируются вблизи эмиттерного перехода, постепенно образуя разность концентраций электронов. Из-за разницы концентраций поток электронов способствует диффузии в базе к коллекторному переходу и втягивается в коллектор под действием электрического поля коллекторного перехода. Он называется током коллектора Ic. Также имеется небольшая часть электронов (поскольку область базы очень тонкая), рекомбинирующая с дырками в области базы, и отношение диффузионного потока электронов к составному потоку электронов определяет усилительную способность транзистора.
3 Собрать электроны в коллекторе Поскольку обратное напряжение, приложенное к коллекторному переходу, очень велико, сила электрического поля, создаваемая этим обратным напряжением, будет препятствовать диффузии электронов в коллекторной области в базовую область. В то же время диффундирующие вблизи коллекторного перехода электроны будут втягиваться в область коллектора, формируя основной коллекторный ток Icn.
Кроме того, неосновные носители (дырки) в области коллектора также будут дрейфовать и течь в область базы, образуя обратный ток насыщения, который представлен Icbo. Его величина очень мала, но он чрезвычайно чувствителен к температуре.
Ⅴ Усилительная схема на транзисторах
1 Базовая конструкцияБазовая схема усилителя — это базовый блок, составляющий сложную схему усилителя. Он использует характеристики входного тока биполярного полупроводникового транзистора для управления выходным током или характеристики входного напряжения полевого полупроводникового транзистора для управления выходным током для реализации усиления сигнала.
Базовая схема усилителя
Базовая схема усилителя обычно относится к схеме усилителя, состоящей из транзистора или полевой лампы. С точки зрения схемы базовую схему усилителя можно рассматривать как двухпортовую сеть. Роль усиления отражена в следующих аспектах:
1) Схема усилителя в основном использует функцию управления транзистором или полевой лампой для усиления слабого сигнала.
Выходной сигнал усиливается по амплитуде напряжения или тока, а энергия выходного сигнала усиливается.
2) Энергия выходного сигнала фактически обеспечивается источником питания постоянного тока, но преобразуется в энергию сигнала посредством управления транзистором и подается на нагрузку.
2 Состав схемыСуществует три различных конфигурации схемы транзистора: общий эмиттер, общая база и общий коллектор. Эти три конфигурации схемы имеют разные характеристики. Возможны различные конфигурации однотранзисторного усилителя. 9
Цепь с общим коллектором, входная цепь и выходная цепь прошли через коллектор транзистора
Схема усилителя с общим эмиттером
Базовая схема усилителя с общим эмиттером состоит в том, что входной сигнал суммируется между базой и эмиттер, а разделительные конденсаторы C1 и Ce считаются закорачивающими сигнал переменного тока. Выходной сигнал выводится с коллектора на землю, постоянный ток разделяется разделительным конденсатором С2, а к сопротивлению нагрузки RL добавляется только сигнал переменного тока.
Общая конфигурация излучения схемы усилителя фактически относится к общей конфигурации излучения транзистора в схеме усилителя.
Схема усилителя с общим эмиттером
Когда входной сигнал равен нулю, источник питания постоянного тока обеспечивает постоянный ток базы и постоянный ток коллектора для транзистора через каждый резистор смещения и формирует определенное постоянное напряжение между тремя полюсами транзистора. транзистор. Из-за эффекта блокировки постоянного тока конденсатора связи постоянное напряжение не может достигать входных и выходных клемм схемы усилителя.
Когда входной сигнал переменного тока добавляется к переходу передатчика транзистора через разделительные конденсаторы C1 и Ce, напряжение на переходе передатчика становится суперпозицией переменного и постоянного тока. Ситуация с сигналом в схеме усилителя более сложная. Символы каждого сигнала оговариваются следующим образом: из-за эффекта усиления тока транзистора ic в десятки раз больше, чем ib.
Вообще говоря, если параметры схемы установлены правильно, выходное напряжение может быть намного выше, чем входное напряжение. Часть переменного тока в uCE достигает сопротивления нагрузки через разделительный конденсатор и формирует выходное напряжение.
Видно, что сигнал постоянного тока коллектора транзистора в схеме усилителя не изменяется с входным сигналом, а сигнал переменного тока изменяется с входным сигналом. В процессе усиления сигнал переменного тока коллектора накладывается на сигнал постоянного тока, и только сигнал переменного тока извлекается из выходного терминала через разделительный конденсатор. Следовательно, при анализе схемы усилителя можно использовать метод разделения сигналов переменного и постоянного тока, который для анализа можно разделить на путь постоянного тока и путь переменного тока.
Статьи по теме:
Структура и принцип работы полевых транзисторов
Описание транзисторов – что это такое и для чего они нужны
Содержание – Почему важны транзисторы — Что такое транзистор? — История транзистора – Как работают транзисторы? • Роль полупроводников • Транзисторы n-типа и p-типа – Какие типы транзисторов существуют? • БЮТ и МОП-транзистор • Конструкции транзисторов – планарные, FinFET и Gate-all-around – Как делают транзисторы – Кто производит транзисторы?
Транзистор — сочетание слов передача fer и res istor — это тип полупроводникового устройства, которое обычно используется для усиления или переключения электронных сигналов и является одним из строительных блоков современной электроники.
Он состоит из трех слоев полупроводникового материала, обычно кремния, причем каждый слой имеет разный заряд. Триллионы транзисторов встроены в электронные устройства на Земле и в космосе.
Внешние слои называются «сток» и «исток», а средний слой — «ворота». Транзистор работает, используя напряжение, подаваемое на затвор, для управления потоком тока между стоком и истоком. Когда на затвор подается небольшое напряжение, между стоком и истоком протекает большой ток, эффективно усиливающий входной сигнал. Когда напряжение, подаваемое на затвор, увеличивается, он блокирует протекание тока между стоком и истоком, эффективно отключая транзистор.
Транзисторы широко используются в электронных схемах, потому что они могут усиливать или переключать сигналы с очень небольшим энергопотреблением, и их можно легко интегрировать в различные конфигурации схем. Они являются важным компонентом широкого спектра электронных устройств, включая компьютеры, смартфоны и другую бытовую электронику.
Почему важны транзисторы
Транзисторы важны, потому что они являются строительными блоками современных электронных схем и используются в самых разных электронных устройствах. Они являются ключевым компонентом многих продуктов, которые мы используем ежедневно, включая компьютеры, смартфоны и другую бытовую электронику.
Транзистор называют «рабочей лошадкой электронных технологий» и «нервными клетками века информации». Без них мы до сих пор жили бы в 1950-х, говоря электронным языком: без портативных компьютеров, игровых приставок, электронных камер, смартфонов, смарт-часов и интернета, без GPS, без космических телескопов и марсоходов, без современных автомобилей. никаких крошечных слуховых аппаратов и громоздких черно-белых телевизоров. Производство, финансы, здравоохранение, наука и исследования, транспорт — затронуты будут почти все аспекты современной жизни. Транзисторы также используются для высокочастотных приложений, таких как схемы генератора, используемые для генерации радиосигналов.
Транзисторы обладают несколькими важными характеристиками, которые делают их подходящими для использования в электронных схемах. Они могут усиливать или переключать сигналы с очень низким энергопотреблением, их можно легко интегрировать в различные конфигурации схем, и они могут быть изготовлены с использованием различных материалов и процессов.
Помимо практического применения, транзисторы также оказали значительное влияние на общество и культуру. Разработка транзистора сыграла решающую роль в развитии компьютерной и телекоммуникационной индустрии и способствовала быстрому темпу технологических изменений, которые мы наблюдаем в течение последних нескольких десятилетий.
С момента своего изобретения в 1947 году транзисторы стали невообразимо маленькими, размером с одну цепочку ДНК! Например, новейшая 2-нанометровая (нм) технология IBM позволяет компании втиснуть ошеломляющие 50 миллиардов транзисторов в чип размером с ноготь. Даже используемые в коммерческих целях устройства, такие как нынешние топовые процессоры M2, используемые Apple, представляют собой чипы, построенные по 5-нм технологии, которые уже содержат 20 миллиардов транзисторов.
Безусловно, наиболее распространенное применение транзисторов сегодня — микросхемы компьютерной памяти и микропроцессоры.
Что такое транзистор?
Транзисторы являются активными компонентами компьютерного чипа (также называемого микрочипом, интегральной схемой или ИС), который может содержать миллиарды этих устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. На чипе транзисторы действуют как взаимосвязанные миниатюрные электрические переключатели, которые могут усиливать электрические сигналы или включать или выключать ток.
Как и любой электрический переключатель, транзистор должен выполнять три вещи исключительно хорошо: пропускать максимальный ток во включенном состоянии; не допускайте утечки тока, когда он выключен; и включать и выключать как можно быстрее, чтобы гарантировать оптимальную производительность.
Это означает, что каждый транзистор может находиться в двух разных состояниях, сохраняя два числа — ноль и единицу. С миллиардами транзисторов чип может содержать миллиарды нулей и единиц, отправляя, получая и обрабатывая значительный объем данных.
История транзистора
В 1940-х годах электронные лампы и электромеханические реле широко использовались в быстро растущих телефонных сетях. Электромеханические реле сделали реальностью полностью автоматический телефонный набор и переключение, но реле имели низкую скорость.
Вакуумные лампы широко использовались в качестве диодов и триодов в электронной промышленности того времени. Первый компьютер, который будет использовать электронные лампы, Электронный числовой интегратор и компьютер, также известный как ENIAC, был построен в 1946 году. Фактически, ENIAC использовал более 17 000 электронных ламп для своей работы, что позволяло отправлять сигналы и выполнять вычисления. выполняться быстрее за счет использования электрического переключения, а не более медленного механического переключения.
Проблема с электронными лампами заключалась в том, что они были не очень надежными и были огромными по сравнению с транзисторами — как следствие, ENIAC занимал 15×9метров (50х30 футов) большая комната. Он обрабатывал около 500 операций с плавающей запятой в секунду (FLOPS). Теоретическая производительность процессора Apple M2 в последних iPhone оценивается в 3,6 терафлопс, то есть 3,6 трлн флопс — и это умещается на ногте.
В 1940-х годах в лабораториях Bell Labs в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси, физики Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли приступили к изучению полупроводниковых материалов, чтобы выяснить, смогут ли они создать прочную альтернативу, которая со временем могла бы заменить электронные лампы. в телефонных сетях.
Бардин, Браттейн и Шокли испытали различные комбинации полупроводников p-типа и n-типа в различных условиях, пока наконец не нашли конфигурацию, которая позволила бы тонкому слою полупроводника регулировать большой ток между двумя электродами.
16 декабря 1947 года они продемонстрировали первый работающий транзистор, теперь известный как транзистор с точечным контактом (подвиг, за который они были удостоены Нобелевской премии по физике 1956 года). Первый транзистор был размером примерно с большой палец.
Хотя транзистор с точечным контактом был первым изобретённым транзистором, он так и не стал коммерчески успешным, поскольку трудно контролируемые изменения в точечных контактах металл-полупроводник затрудняли их надёжное производство. и с едиными рабочими характеристиками.
Коммерческие транзисторы начали набирать обороты после того, как в июле 1951 года Bell Labs объявила об успешном изобретении и разработке переходного транзистора.
К концу 1950-х годов транзисторы с биполярным переходом почти полностью заменили электронные лампы в компьютерных приложениях.
Транзистор работал эффективнее электронной лампы и потреблял меньше энергии. Это не только произвело революцию в телефонных сетях и компьютерных технологиях, но также позволило компьютерам стать меньше и экономичнее, а также развиваться более быстрыми темпами. Транзисторы стали ступенькой между электронными лампами и современными компьютерными технологиями.
В 1971 году появился первый микропроцессор: Intel 4004, включающий 2300 транзисторов и первую память. Ширина линии схемы микропроцессора Intel 4004 составляла 10 микрон или 10 000 нанометров. 40 лет спустя процессор Intel Core с 32-нм кристаллом содержал 560 миллионов транзисторов. Еще через 10 лет, к 2021 году, топовые процессоры M2, используемые Apple, представляют собой чипы, построенные по 5-нм технологии и содержащие 20 миллиардов транзисторов.
Сложность интегральных схем росла экспоненциально, удваиваясь каждые 2-3 года в соответствии с законом Мура, по мере того как транзисторы продолжали становиться все более миниатюрными.
Закон Мура, постулированный одним из основателей Intel Гордоном Муром в 1965 году, соблюдает эмпирическую закономерность, согласно которой количество транзисторов в интегральных схемах удваивается примерно каждые два года. Это наблюдение остается в силе уже более 50 лет и способствует развитию вычислительной техники, в том числе скорости обработки и стоимости компьютеров.
Как работают транзисторы?
Транзистор — это устройство для управления, усиления и генерации электрических сигналов практически во всех современных электронных устройствах. Он основан на электронных свойствах полупроводникового материала для его функции регулировать или контролировать ток или поток напряжения, усиливая и генерируя эти электрические сигналы и действуя для них как переключатель / ворота.
Транзистор работает как электронный переключатель, который может включать и выключать ток. Таким образом, его основной принцип работы применяется непосредственно к обработке двоичного кода (0, ток заблокирован, 1 он проходит) в логических схемах (инверторах, логических элементах, сумматорах и ячейках памяти). Но транзистор также может быть частично включен, что полезно для создания усилителей.
Роль полупроводников
В отличие от проводников, таких как металлы, которые имеют множество свободных электронов для передачи электрического тока, полупроводники, такие как кремний и германий, имеют очень мало носителей заряда. Однако добавление небольшого количества определенных примесей — процесс, называемый легированием, — может изменить количество носителей заряда. Легирование модулирует его электрические, оптические и структурные свойства и, как следствие, позволяет кремнию приобретать свободные электроны, которые переносят электрический ток.
Когда полупроводник подвергся легированию, его называют внешним полупроводником . Напротив, полупроводник в чистом нелегированном виде представляет собой собственный полупроводник .
При легировании кремния существует два типа примесей, по которым классифицируются кремниевые полупроводники: n-типа, когда из него вытекают электроны, и p-типа, когда электроны в него втекают. В любом случае полупроводник позволяет транзистору функционировать как переключатель или усилитель.
Транзисторы n-типа и p-типа
Например, если в кремний добавить небольшое количество фосфора или мышьяка, получится хороший полупроводник, в котором электроны, отданные фосфором или мышьяком, действуют как носители заряда. Полупроводники, полученные таким образом, называются полупроводниками n-типа, так как заряд носителей отрицательный.
Более примечательный тип полупроводника образуется при легировании кремния небольшим количеством бора или галлия. Бор или галлий обеспечивают положительно заряженный носитель, похищая электрон у кремния. Вместо электрона остается дырка, и эта дырка может перемещаться внутри полупроводника, действуя как носитель положительного заряда. Эти полупроводники называются полупроводниками р-типа.
Техническое значение полупроводников во многом связано с взаимодействием дырок и электронов. Существенная разница между легированием n- и p-типа заключается в направлении, в котором электроны текут через осажденные слои полупроводника. Кремний как n-, так и p-типа является хорошим (но не отличным) проводником электричества. Кремний N- и p-типа сам по себе не представляет ничего удивительного. Однако, когда вы соединяете их вместе, интересное поведение проявляется на стыке между ними.
Работа переходных транзисторов, как и большинства других полупроводниковых устройств, сильно зависит от поведения электронов и дырок на границе раздела двух разнородных слоев, известной как p-n переход.
Какие типы транзисторов существуют?
Конструкция транзистора со временем претерпела изменения: от планарных до транзисторов FinFET и транзисторов с универсальным затвором (GAA).
BJT и MOSFET
Обычно транзистор, основанный на транспорте электронов в твердом теле (т. е. твердотельное устройство), а не в вакууме, как в старых вакуумных лампах, состоит как минимум из три вывода для подключения к электронной схеме: база, эмиттер и коллектор, как они называются в классическом транзисторе с биполярным переходом (BJT). В современных переключающих приложениях, в которых используются полевые транзисторы (FET), они называются вентиль , сток и источник .
Источник действует как эмиттерная нить накала электронной лампы; слив действует как пластина коллектора; и ворота действуют как контроллер. Эти элементы работают по-разному в двух основных типах транзисторов, используемых сегодня: транзисторах с биполярным переходом, которые появились первыми, и полевых транзисторах металл-оксид-полупроводник (MOSFET).
При работе в качестве усилителя транзистор преобразует небольшой входной ток в больший выходной ток. В качестве переключателя он может находиться в одном из двух различных состояний — ВКЛ или ВЫКЛ — для управления потоком электронных сигналов через электрическую цепь или электронное устройство.
Сегодня МОП-транзисторы являются наиболее распространенным типом транзисторов. Это связано с уникальными характеристиками этого транзистора, в основном с низким энергопотреблением и высокой производительностью. Его можно использовать в качестве переключателя, а также для усиления сигналов в электронных устройствах.
Конструкции транзисторов
Планарные транзисторы
Эта конструкция представляет собой классический транзистор с биполярным переходом (так называемый, потому что он имеет два p-n перехода транзистора), который соединяет ключевые элементы двумерная плоскость, включающая затвор, который модулирует проводимость через канал, исток, через который управляющий ток входит в канал, и сток, через который ток выходит из канала.
Типы биполярных переходных транзисторов: транзисторы n-p-n и p-n-p. Транзистор n-p-n изготавливается путем помещения материала p-типа между двумя материалами n-типа. Транзистор p-n-p изготавливается путем помещения материала n-типа между двумя материалами p-типа.
Все эти компоненты построены на основе полупроводникового материала кремния. Эта концепция транзистора была промышленно внедрена в 1950-х и 60-х годах и очень подходила для массового производства и миниатюризации.
Транзисторы FinFET
Со временем инженеры обнаружили, что можно лучше контролировать поток тока в канале, поднимая ворота над плоскостью кремния, как плавник над водой. . В то время как биполярный транзистор управляется током, полевой транзистор (FET) управляется напряжением. Кроме того, полевой транзистор является униполярным устройством, что означает, что он изготовлен с использованием материала p-типа или n-типа в качестве основной подложки. Следовательно, проводимость тока полевого транзистора осуществляется либо электронами, либо дырками.
Основным преимуществом полевого транзистора является то, что он имеет очень высокий входной импеданс, порядка мегаОм. Дополнительными преимуществами являются низкое энергопотребление и низкое тепловыделение, что делает полевые транзисторы высокоэффективными устройствами. Следовательно, промышленность переключилась с 2D-планарных транзисторов на полевые транзисторы с 3D-ребрами, сокращенно FinFET.
В транзисторах FinFET затвор охватывает канал с трех сторон кремниевого ребра, а не через его верхнюю часть, как в планарных транзисторах. Это создает инверсионный слой с гораздо большей площадью поверхности, что позволяет затвору лучше контролировать протекание тока через транзистор. Это означает, что через транзистор может протекать больший ток с меньшей утечкой, а для работы транзистора требуется более низкое напряжение затвора. Кроме того, вертикальная геометрия FinFET позволила инженерам упаковать больше транзисторов в микросхему, еще больше продвинув закон Мура. Результатом стал чип с более высокой производительностью, меньшим энергопотреблением и лидирующим статусом в 2010-х годах.
Транзисторы со сквозным затвором
С современными чип-узлами, которые производят ведущие производители микросхем, FinFET достигают предела своих возможностей. сколько ребер можно поставить рядом друг с другом, чтобы увеличить их пропускную способность по току, не страдая от проблем с электричеством.
Чтобы еще больше улучшить управление каналом транзисторов, инженеры нашли способ заменить вертикальное ребро стопкой горизонтальных листов, создав новую концепцию, называемую полевыми транзисторами с открытым затвором, сокращенно до GAA-транзисторов. или GAAFET.
Транзисторы со сквозным затвором используют многослойные нанолисты. Эти отдельные горизонтальные листы уложены друг на друга вертикально, так что затвор окружает канал со всех четырех сторон, дополнительно уменьшая утечку и увеличивая управляющий ток. Это означает, что превосходные электрические сигналы проходят через транзисторы и между ними, улучшая производительность чипа.
Кроме того, у производителей микросхем теперь есть возможность варьировать ширину нанолистов в соответствии с конкретной конструкцией чипа. В частности, широкие нанолисты обеспечивают более высокий и лучший управляющий ток, а узкие нанолисты могут оптимизировать энергопотребление.
Как изготавливаются транзисторы
Транзисторы на микросхемах изготавливаются путем создания слоев взаимосвязанных узоров на кремниевой пластине. Этот производственный процесс представляет собой очень сложное предприятие, включающее сотни высокоточных шагов, выполняемых в сверхчистых помещениях со сложным и специализированным оборудованием.
С самого начала транзисторы изготавливались из кремния (Si), который остается наиболее широко используемым полупроводником из-за исключительного качества интерфейса, созданного кремнием и оксидом кремния (SiO2), который служит изолятором.
Вот краткий обзор основных этапов:
1) Осаждение
Первым этапом создания микрочипа обычно является нанесение тонких пленок материалов на кремниевую пластину. Эти материалы могут быть проводниками, изоляторами или полупроводниками.
2) Литография
Литография, или фотолитография, является важным этапом в процессе изготовления компьютерных микросхем. Он включает в себя покрытие пластины светочувствительным материалом и экспонирование ее светом внутри литографической машины.
3) Покрытие фоторезистом
Для печати слоя чипа пластина сначала покрывается светочувствительным слоем, называемым «фоторезистом» или для краткости «резистом». Затем он поступает в литографическую машину.
4) Экспонирование
Внутри литографической машины свет проецируется на пластину через сетку, содержащую план печатаемого рисунка. Оптика системы сжимает рисунок и фокусирует его на резисте. Когда свет попадает на резист, он вызывает химические изменения, воссоздавая рисунок сетки на резисте.
5) Компьютерная литография
Сетку, содержащую рисунок для печати на пластине, иногда необходимо оптимизировать путем преднамеренной деформации рисунка для компенсации физических и химических эффектов, возникающих во время литографии.
6) Запекание и проявление
После выхода из литографической машины пластина запекается и проявляется, чтобы сделать эти изменения постоянными, а часть фоторезиста смывается, чтобы создать узор из открытых пространств в резисте.
7) Травление
Такие материалы, как газы, используются для удаления материала из открытых пространств, образующихся на этапе разработки, оставляя трехмерную версию рисунка.
8) Метрология и контроль
На протяжении всего процесса производства чипов пластина измеряется и проверяется на наличие ошибок. Эти измерения возвращаются в системы и используются для оптимизации и стабилизации оборудования.
9) Ионная имплантация
Пластина также может быть подвергнута бомбардировке положительными или отрицательными ионами для настройки полупроводниковых свойств частей шаблона перед удалением оставшегося фоторезиста.
10) Повторять, повторять, повторять
Шаги 1-9, от осаждения до удаления сопротивления, повторяются до тех пор, пока пластина не будет покрыта узором, завершая один слой чипов пластины. Чтобы сделать весь чип, этот процесс можно повторить до 100 раз, накладывая шаблоны поверх шаблонов, чтобы создать интегральную схему.
11) Обработанная пластина
На последнем этапе производства пластина нарезается на отдельные чипы, которые помещаются в защитные пакеты.
Здесь, на веб-сайте Toshiba, есть отличная карта производственного процесса, от начального роста пленки оксида кремния до окончательного процесса создания слоя проводки.
Кто производит транзисторы?
Транзисторы производятся различными компаниями, в том числе крупными многонациональными корпорациями, а также небольшими специализированными фирмами. Некоторые из ведущих производителей транзисторов включают:
- Intel
- Самсунг
- TSMC (Тайваньская компания по производству полупроводников)
- СК Хайникс
- Qualcomm
- Бродком
- Техас Инструментс
- ПО Полупроводник
Эти компании используют различные материалы и процессы для производства транзисторов, включая кремний, германий и другие полупроводниковые материалы. Они также могут производить различные типы транзисторов, такие как биполярные транзисторы, полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (МОП-транзисторы) и другие типы устройств. Многие из этих компаний также разрабатывают и производят полупроводниковые устройства других типов, такие как интегральные схемы, микросхемы памяти и датчики.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (которая производит все чипы Apple), Intel и Samsung Electronics — единственные компании, которые могут производить самые современные микрочипы. Причина, по которой этот клуб настолько эксклюзивен, заключается в огромных капитальных затратах на строительство заводов по производству полупроводников ( fabs или литейных заводов ), которые производят эти чипы. Например, TSMC, как сообщается, тратит 34 миллиарда долларов на свой последний литейный завод, который будет производить будущие 2-нм чипы.
Однако эти фабрики не могли существовать сами по себе. Передовая полупроводниковая промышленность представляет собой сложную сеть специализированных компаний из Америки, Европы и Азии.
Просто чтобы дать вам представление об этой экосистеме: используя сложные инструменты автоматизированного проектирования и программное обеспечение от Synopsys и Cadence, такие компании, как AMD, Qualcomm, Intel, Apple и Nvidia преуспевают в разработке самых передовых чипов. Applied Materials разрабатывает и производит оборудование, используемое на различных этапах процесса изготовления пластин. ASML обеспечивает литографию. Zeiss SMT специализируется на оптических линзах, которые рисуют трафареты на кремниевых пластинах этих конструкций, используя как глубокий, так и экстремальный ультрафиолетовый свет. Lam Research, KLA и другие фирмы поставляют различное сложное и узкоспециализированное оборудование для изготовления пластин.