Транзистор | Определение, виды, обозначения и история

Почти вся современная электроника основана на фундаментальном компоненте, известном как транзистор. Строительным блоком современных встраиваемых систем также является транзистор, который действует как фундаментальный компонент для управления обработкой данных. Транзистор является важнейшим компонентом в интегральных схемах (ИС), микропроцессорах и микроконтроллерах, а также почти в каждом электронном устройстве.  

Транзистор — это трехконтактный полупроводниковый прибор, который используется для управления потоком тока. Когда напряжение или ток подаются на входные клеммы транзистора, он управляет или усиливает входной сигнал для генерации выходного сигнала. Он изготовлен из полупроводниковых материалов, таких как германий или кремний. Понимание транзисторов, их типов, символов транзисторов, рабочих операций необходимо инженерам-электрикам для проектирования современных электронных систем.

Что такое транзистор?

Транзистор — это электронное устройство, которое управляет потоком тока. Транзистор имеет три вывода, известные как база, эмиттер и коллектор. Типичный транзистор имеет два режима работы, он может действовать либо как переключатель, либо как усилительное устройство. В режиме переключения транзистор допускает или разрешает поток тока. Тогда как в режиме усиления транзистор усиливает небольшой входной сигнал для генерации большего выходного сигнала.

Транзистор состоит из трех слоев полупроводникового материала, такого как кремний и германий. Эти слои являются либо PNP, либо NPN. Стопка слоев материала определяет тип транзистора, будь то PNP-транзистор или NPN-транзистор. Типичный транзистор имеет три вывода, известные как база, эмиттер и коллектор. Такой тип транзистора известен как транзистор с биполярным переходом (BJT). Типичный символ и рисунок транзистора BJT показаны ниже.

Транзисторные слои	Символ транзистора	Корпус транзистора

Рис. 1: Изображение и символ транзистора

Типы транзисторов и их обозначения

Транзисторы подразделяются на три типа, а именно: биполярные транзисторы с переходом (BJT), полевые транзисторы (FET) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Эти транзисторы затем делятся на подтипы. Подробности каждого типа транзисторов обсуждаются далее в статье.

Биполярный транзистор (БПТ)

BJT-транзистор имеет три вывода, известные как база, эмиттер и коллектор. Поток тока в BJT-транзисторе обусловлен свободными электронами или дырками. Небольшое количество тока между базой и эмиттером BJT-транзистора может управлять большим потоком тока между эмиттером и коллектором. BJT-транзистор классифицируется на NPN- и PNP-транзисторы.

Рисунок 2: Условные обозначения биполярных транзисторов

В транзисторе PNP полупроводниковый материал N-типа зажат между двумя полупроводниковыми материалами P-типа. Такое расположение приводит к двум транзисторным переходам, известным как переход база-эмиттер (Je) и переход база-коллектор (Jc). В типичном применении транзистора переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. В транзисторе PNP ток протекает из-за дырок как основных носителей заряда.

В то время как в транзисторе NPN полупроводниковый материал P-типа зажат между двумя полупроводниковыми материалами N-типа. В транзисторе NPN ток протекает благодаря электронам как основному носителю заряда.  

Когда входной сигнал подается между двумя клеммами транзистора, он усиливает входной сигнал на выходных клеммах. Одна клемма транзистора действует как вход, а другая как выход. Другая клемма транзистора действует как земля. Tпоэтому разработаны три конфигурации транзисторов.

1. Конфигурация с общим эмиттером: В конфигурации с общим эмиттером a транзистор, вход подается на  Базовый вывод транзистора, выходной сигнал снимается с коллектора, а эмиттер подключается к земле.

2. Общая базовая конфигурация:  В конфигурации транзистора с общей базой вход подается на эмиттерный вывод транзистора, выход снимается с коллектора, а база соединена с землей.

3. Конфигурация общего коллектора: В конфигурации транзистора с общим коллектором вход подается на базовый вывод транзистора, выход снимается с эмиттера, а коллектор соединен с землей.

Полевой транзистор (FET)

Транзистор FET использует электрическое поле для управления током. Этот тип транзистора имеет три вывода: затвор, сток и исток. Транзисторы FET являются униполярными, в отличие от транзисторов BJT, которые являются биполярными транзисторами. Транзисторы FET широко используются во многих приложениях благодаря высокому импедансу (до Мегаом), низкому энергопотреблению, низкому тепловыделению и высокому диапазону частот переключения до Мегагерц. Транзисторы FET подразделяются на два типа: транзисторы MOSFET и JFET.

МОП-транзистор

MOSFET означает Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor (металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор). Эти транзисторы широко используются в приложениях силовой электроники. Эти транзисторы являются устройствами, управляемыми напряжением. MOSFET-транзистор состоит из трех слоев: металла, оксида и полупроводника. Оксидный (SiO₂) слой в транзисторе указывает на то, что он имеет тонкий изолированный слой между слоями металла и полупроводника. Поэтому MOSFET использует электрическое поле для управления потоком тока между слоями металла и полупроводника. В отличие от BJT, MOSFET-транзисторы могут использовать только электронные (N-типа) или дырочные (P-типа) носители заряда в своей работе.

Рисунок 3: Символы N-канальных и P-канальных МОП-транзисторов

Эти транзисторы предлагают очень высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс, поскольку ток контролируется электрическим полем. Высокий входной импеданс этих транзисторов делает их пригодными для силовых электронных схем, интегральных схем (ИС), операционных усилителей (ОУ), генераторов, фильтров и устройств с высокой частотой переключения.

Рисунок 4: Типичный корпус MOSFET-транзистора со сквозным отверстием

Как и биполярные транзисторы, полевые МОП-транзисторы также имеют три конфигурации работы.

1.     Конфигурация общего затвора (Затвор - земля, вход - источник, выход - сток)

2.     Конфигурация общего дренажа (Сток - земля, вход - затвор, выход - исток)

3.     Конфигурация общего источника (Источник - земля, вход - затвор, выход - сток)

Транзисторы MOSFET далее классифицируются на транзисторы MOSFET улучшенного типа, транзисторы MOSFET обедненного типа, PMOS и NMOS-транзисторы.

·       МОП-транзистор обедненного типа: Обедненный МОП-транзистор, также известный как D-МОП-транзистор. Когда ток протекает между истоком и стоком транзистора, это называется каналом. В D-MOSFET канал уже создается в процессе производства. Транзистор D-MOS обычно работает как включенный без приложения напряжения затвора. Поэтому транзистор в этом состоянии называется включенным устройством. Однако, когда напряжение затвора подается на вход транзистора, его канал становится резистивным. При увеличении напряжения ток канала продолжает уменьшаться до тех пор, пока ток транзистора от стока к истоку не прекратится.

·       Тип улучшения MOSFET: Улучшенный МОП-транзистор, также известный как транзистор E-MOS. Канал еще не создан в отличие от транзистора D-MOS. В нормальном состоянии ток между стоком и истоком транзистора не течет. Однако, когда на транзистор подается напряжение затвора, ток продолжает увеличиваться и делает канал транзистора менее резистивным.

·  

        PMOS и NMOS транзисторы: Как и МОП-транзисторы, PMOS- и NMOS-транзисторы также имеют три вывода: затвор, сток и исток. Основное различие между транзисторами PMOS и NMOS заключается в том, что в транзисторах NMOS слои истока и стока легированы материалом N-типа. В то время как в транзисторе PMOS слои истока и стока легированы материалом P-типа.

Тип МОП	Символ
NMOS
ПМОС

JFET

JFET — это управляемое напряжением устройство, которое расшифровывается как Junction Field Effect Transistor (транзистор с полевым эффектом). JFET — один из первых транзисторов в полевых транзисторах и самый простой. Ток в транзисторе JFET обусловлен только основными носителями заряда, в отличие от биполярных транзисторов, где ток обусловлен как основными, так и неосновными носителями заряда. Транзисторы JFET подразделяются на N-JFET и P-JFET. Он имеет три вывода: затвор, исток и сток.

При нормальной работе транзистора, когда напряжение затвора равно нулю, электроны легко перемещаются от истока к стоку транзистора. Однако, когда напряжение затвора приложено к истоку и затвору транзистора, PN-переход становится обратно смещенным и увеличивает ширину обедненного слоя. Это приведет к тому, что JFET перейдет в область отсечки (полностью ВЫКЛ).

Что делает транзистор?

Транзистор — это электронное устройство, которое управляет потоком тока. Транзистор имеет две основные функции: он может использоваться как переключатель или усилительное устройство. Транзистор имеет три режима работы: отсечка, насыщение и активная область. Он работает как переключатель или усилитель в зависимости от работы области. Если транзистор работает в области отсечки и насыщения, он действует как переключатель. Однако, если он работает в активной области, он действует как усилитель.

·       Транзистор как переключатель: При сочетании областей насыщения и отсечки транзистор работает как коммутационное устройство. Когда он находится в области отсечки, ток вообще не течет, и транзистор находится в состоянии обратного смещения. Поэтому он остается в состоянии ВЫКЛ. Когда он находится в области насыщения, ток будет течь, и транзистор находится в состоянии прямого смещения. Поэтому он перейдет в состояние ВКЛ. Транзистор имеет обширные приложения, где он работает как коммутационные устройства, такие как мигание светодиодов, двигатели постоянного тока, логические вентили, высокочастотные приводы, точное регулирование мощности и реле.

·       Транзистор как усилитель: Когда транзистор используется точно в активной области, он работает как усилитель. Важным фактором, способствующим усилению, является коэффициент усиления (бета) транзистора. Он обычно указывается в техническом описании транзистора. Чем выше коэффициент усиления, тем выше усиление транзистора. Другим фактором, также способствующим производительности усилителя, является соотношение входного и выходного напряжения, входного и выходного сопротивления, коэффициент усиления по току и коэффициент усиления по мощности. Транзистор как усилитель широко используется в радиосигналах, беспроводной связи, операционных усилителях, аудиоустройствах, инструментальных усилителях, медицинских приборах и волоконно-оптической связи.

Как работают транзисторы?

Транзисторы произвели революцию в современном мире. В современном мире транзисторы используются повсюду: от смартфонов до ракетных двигателей, современных процессоров, устройств памяти и интернет-серверов.

Типичный транзистор выполняет функцию переключателя или усилителя. Он сделан из трех слоев полупроводниковых материалов, то есть N-типа и P-типа. Итак, как работает транзистор?

Типичный транзистор имеет три вывода: базу, эмиттер и коллектор. Назначение транзистора — управлять потоком тока. Он управляет потоком тока, используя принцип носителей заряда. Большинство носителей заряда — это либо электроны, либо дырки. Три слоя размещены вместе таким образом, что между ними находятся два типа N и один тип P. Это делает транзистор NPN, и наоборот верно для транзистора PNP.

Основная работа транзисторов основана на переходах база-эмиттер и база-коллектор. Эти переходы образуются, когда сигнал базы подается на вывод база-эмиттер транзистора. Когда на вход транзистора подается небольшой ток, он позволяет большому току течь от перехода база-коллектор. Это известно как транзисторное усиление. Транзистор в режиме усиления достигается путем придания переходу база-эмиттер прямого смещения, а переходу база-коллектор обратного смещения.

Когда на входе (база-эмиттер) транзистора отсутствует базовый сигнал, он делает переходы база-эмиттер и база-коллектор обратно смещенными. Поэтому ток не будет течь от эмиттера к коллектору, и транзистор будет в состоянии ВЫКЛ. Транзистор в этой области работы называется областью отсечки.

Когда на вход транзистора подается базовый сигнал, он позволяет току течь от эмиттера к коллектору. Оба перехода база-эмиттер и база-коллектор в этой операции смещены в прямом направлении, а коллектор будет в состоянии ВКЛ. Транзистор в этой области работы называется областью насыщения.

История транзистора

Происхождение транзисторов уходит корнями в термоэлектронные вакуумные трубки. Термоэлектронные вакуумные трубки были изобретены в 1907 году и в основном использовались в радиотехнике и радиолокационных системах. Это был первый тип транзисторов, но они потребляли слишком много энергии и были громоздкими. Эти вакуумные трубки использовали входной сигнал для управления потоком тока на выходе с помощью электродов. 

Когда и кто изобрел транзистор

В октябре 1925 года австрийский ученый в Канаде опубликовал первый в истории патент на полевой транзистор. Однако его работа была проигнорирована в то время из-за отсутствия опубликованных исследовательских статей. Однако во время Первой мировой войны Bell Labs прилагает усилия для производства чистого кристалла германия для использования в радарах и частотных смесителях сигналов.

В 1947 году Джон Бардин и Уильям Шокли из Bell Labs, Нью-Джерси, США, изобрели первый в истории работающий транзистор. Позже, в 1958 году, Bell Labs представили MOSFET-транзистор. Изобретение MOSFET произвело революцию в современной электронике, поскольку это был первый планарный транзистор, в котором сток и исток находятся на одной поверхности. Открытие MOSFET затем широко заменило обычные транзисторы почти во всей электронике, включая процессоры, устройства памяти и микроконтроллеры.

Вывод

В заключение следует сказать, что транзистор является одним из важнейших изобретений 20 века.^th столетие, изменившее современную электронику. Современная встраиваемая электроника, такая как процессоры, микроконтроллеры и цифровые устройства, состоит из транзисторов. Транзисторы являются жизненно важными компонентами в современной электронике, такой как радары, оптоволоконная связь, медицинские приборы и инструментальные усилители. Поэтому понимание работы транзистора, его принципов работы и типов имеет решающее значение для инженеров при проектировании современных приложений.