Устройство транзистора: Эта страница ещё не существует

Виды транзистора

Чтобы легче разобраться в работе транзистора, необходимо иметь представление о нем. Он является полупроводником, что указывает на его способность проводить ток в одном направлении и не пропускать в другом. Чтобы достичь таких характеристик используются разные способы изготовления. Все эти приборы по своему характеру работы делятся на две группы :

1. биполярные
2. полярные

Хотя и те и другие относятся к одному классу — транзисторы, происходящие в них процессы сильно отличаются.

Биполярный

Движение электронов по замкнутой цепи называется электрическим током. Грубо говоря, чем больше электронов, тем больше ток. Если атом отдает электроны, он становится положительно заряженным и, наоборот, притягивая лишние электроны, он становится отрицательно заряженным.

При добавлении в кремний и германий примесей они становятся необходимым материалом, из которых и изготавливаются биполярные транзисторы.

Биполярными называются электронные приборы, состоящие из двух, имеющие разные заряды слоев . Причем два крайних имеют одинаковый заряд. Тот слой, который имеет положительный заряд, называется «p», а отрицательный — «n». В связи с этим различают следующие типы:

Граница между этими слоями называется переход . Внутреннюю область, разделенную двумя переходами, называют базой. Две внешние области называют эмиттер и коллектор. Монокристалл изготовлен таким образом, что одна внешняя область передает в базу носители энергии и называется эмиттером. Другая внешняя область забирает эти носители и называется коллектором.

На электрической схеме биполярный транзистор обозначается в виде круга, внутри которого нарисована черточка, а к ней подходят три прямые. Одна подходит под углом в 90 градусов и обозначает базу, две другие под наклоном. Та из них что имеет стрелку обозначает эмиттер, другая — коллектор. Сам прибор, как правило, имеет три вывода, соответствующих этим областям.

Полевой

Другой вид называется полевой или униполярный. В отличие от биполярного p-n переход работает иначе. Его монокристалл имеет однородный состав. Канал, по которому движутся энергоносители, может быть дырочным или электронным. В дырочном носителем являются положительно заряженные неподвижные ионы, в электронном — отрицательно заряженные. Эти каналы также обозначаются буквами «p» и «n» соответственно.

Вокруг и почти по всей длине этого канала впрыскиваются, вживляются ионы противоположной полярности . Эта область называется затвором, она-то и регулирует проводимость канала. Тот край канала, через который заряженные частицы входят в кристалл, называется исток, а через который выходят — стоком.

Для улучшения электрических характеристик между металлическим каналом и затвором стали добавлять диэлектрик. Если классифицировать транзисторы по структуре, то можно выделить два семейства:

• МДП (к ним можно отнести и МОП — металл-оксид-проводник)

МДП расшифровывается как металл-диэлектрик-проводник. Это полевой. Новый JGBT транзистор сочетает в себе достоинства биполярного, но имеет изолированный затвор.

Принцип действия

Один из сложных радиоэлементов — транзистор. Принцип работы его сводится к следующему :

• регулировка
• усиление
• генерация

Биполярные обладают большей мощностью и могут работать с большими частотами. Однако, если нужен широкий спектр усиления, то без полевого не обойтись.

Работа полевого

Рассмотрим, как работает транзистор. Для начинающих радиолюбителей трудно разобраться во всех этих переходах. Чтобы показать принцип работы транзистора простым языком, обратим внимание на следующий пример .

Водопроводный кран вентильного типа способен очень плавно менять напор воды. Это достигается благодаря постепенному изменению пропускного отверстия. На этом же принципе основана работа и полевого транзистора.

Затвор окружает пропускной канал. При подаче на него запирающего напряжения, электрическое поле как бы сдавливает проход, тем самым уменьшая поток заряженных частиц. Как и при закрывании крана необходимо прилагать небольшое усилие, так и мощность затвора, по сравнению с основным каналом, очень мала. Сходство также и в том, что при небольших изменениях напряжения на затворе, сечение прохода также меняется незначительно.

Как работает биполярный

Работа биполярного прибора несколько отличается от работы полевого . В первую очередь отличается способ управления движением заряженных частиц. В полевом используется электрическое поле, в биполярном — ток между базой и эмиттером.

В зависимости от типа прибора стрелочка эмиттера на схеме будет либо направлена к базе, тогда это тип p-n-p, либо от базы, тогда это n-p-n. При подключении к этим зажимам одноименного напряжения («p» подключается к «+», а «n» подключается к «-«) в цепи эмиттер — база возникает ток. В базе появляется больше носителей заряда и их становится тем больше, чем больше ток в этой цепи.

К коллектору подводится обратное напряжение, т. е. к «p» подключается «-«, а к «n» — «+». Поскольку между эмиттером и коллектором возникает разность потенциалов, между этими выводами появляется ток. Он будет тем больше, чем больше носителей заряда имеется в базе.

Когда к эмиттеру и базе подключают источник питания противоположного знака, ток прекращается, транзистор закрывается. Что поможет лучше понять работу транзистора? Для чайников важно понять одну истину. Если открыт переход эмиттер — база (подается прямое напряжение), то открыт и сам прибор, в противном случае он закрыт .

Меры предосторожности

Полевые транзисторы очень чувствительны к повышенному напряжению. При работе с ними необходимо предотвратить возможность попадания на них статистического напряжения. Этого можно достичь надев заземленный браслет. При подборе аналога важно учитывать не только рабочее напряжение, но и допустимый ток. А если прибор работает в частотном режиме, то и его частоту.

Вне зависимости от принципа работы, полупроводниковый транзистор содержит в себе монокристалл из основного полупроводникового материала, чаще всего это — кремний, германий, арсенид галлия. В основной материал добавлены, легирующие добавки для формирования p-n перехода(переходов), металлические выводы.

Кристалл помещается в металлический, пластиковый или керамический корпус, для защиты от внешних воздействий. Однако, существуют также и бескорпусные транзисторы.

Принцип работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор может быть либо p-n-p, либо n-p-n в зависимости от чередования слоев полупроводника в кристалле. В любом случае выводы называются — база, коллектор и эмиттер. Слой полупроводника, соответствующий базе заключен между слоями эмиттера и коллектора. Он имеет принципиально очень малую ширину. Носители заряда движутся от эмиттера через базу — к коллектору. Условием возникновения тока между коллектором и эмиттером является наличие свободных носителей в области базы. Эти носители проникают туда при возникновении тока эмиттер-база. причиной которого может являться разность напряжения между этими электродами.

Т.е. — для нормальной работы биполярного транзистора в качестве усилителя сигнала всегда необходимо присутствие напряжения некого минимального уровня, для смещения перехода эмиттер-база в прямом направлении. Прямое смещение перехода база-эмиттер приоткрывая транзистор, задает так называемую — рабочую точку режима. Для гармоничного усиления сигнала по напряжению и току используют режим — А. В этом режиме напряжение между коллектором и нагрузкой, примерно равно половине питающего напряжения — т. е выходное сопротивление транзистора и нагрузки примерно равны. Если подавать теперь на переход база — эмиттер сигнал переменного тока, СОПРОТИВЛЕНИЕ эмиттер — коллектор будет изменяться, графически повторяя форму входного сигнала. Соответственно, то же будет происходить и с током через эмиттер к коллектору протекающим. Причем амплитуда тока будет большей, нежели амплитуда входного сигнала — будет происходить усиление сигнала.

Если увеличивать напряжение смещения база — эмиттер дальше, это приведет к росту тока в этой цепи, и как результат — еще большему росту тока эмиттер — коллектор. В конце, концов ток перестает расти — транзистор переходит в полностью открытое состояние(насыщения). Если затем убрать напряжение смещения — транзистор закроется, ток эмиттер — коллектор уменьшится, почти исчезнет. Так транзистор может работать в качестве электронного ключа . Этот режим наиболее эффективен в отношении управления мощностями, при протекании тока через полностью открытый транзистор величина падения напряжения минимальна. Соответственно малы потери тока и нагрев переходов транзистора.

Существует три вида подключения биполярного транзистора. С общим эмиттером (ОЭ) — осуществляется усиление как по току, так и по напряжению — наиболее часто применяемая схема.
Усилительные каскады построенные подобным образом, легче согласуются между собой, так как значения их входного и выходного сопротивления относительно близки, если сравнивать с двумя остальными видами включения (хотя иногда и отличаются в десятки раз).

С общим коллектором (ОК) осуществляется усиление только по току — применяется для согласования источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением(импендансом) и низкоомными сопротивлениями нагрузок. Например, в выходных каскадах усилителей и контроллеров.

С общей базой (ОБ) осуществляется усиление только по напряжению. Имеет низкое входное и высокое выходное сопротивление и более широкий частотный диапазон. Это позволяет использовать подобное включение для согласования источников сигнала с низким внутренним сопротивлением(импендансом) с последующим каскадом усиления. Например — в входных цепях радиоприемных устройств.

Принцип работы полевого транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный имеет три электрода. Они носят названия — сток, исток и затвор. Если на затворе отсутствует напряжение, а на сток подано положительное напряжение относительно истока, то между истоком и стоком через канал течет максимальный ток.

Т. е. — транзистор полностью открыт. Для того, что бы его изменить, на затвор подают отрицательное напряжение, относительно истока. Под действием электрического поля (отсюда и название транзистора) канал сужается, его сопротивление растет, а ток через него уменьшается. При определенном значении напряжения канал сужается до такой степени, что ток практически исчезает — транзистор закрывается.

На рисунке изображено устройство полевого транзистора с изолированным затвором(МДП).

Если на затвор этого прибора не подано положительное напряжение, то канал между истоком и стоком отсутствует и ток равен нулю. Транзистор полностью закрыт. Канал возникает при некотором минимальном напряжении на затворе(напряжение порога). Затем сопротивление канала уменьшается, до полного открывания транзистора.

Полевые транзисторы, как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) имеют следующие схемы включения: с общим истоком (ОИ) — аналог ОЭ биполярного транзистора; с общим стоком (ОС) — аналог ОК биполярного транзистора; с общим затвором (ОЗ) — аналог ОБ биполярного транзистора.

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
маломощные транзисторы — до 100 мВт;
транзисторы средней мощности — от 0,1 до 1 Вт;
мощные транзисторы — больше 1 Вт.

Важные параметры биполярных транзисторов.

1. Коэффициент передачи тока(коэффициент усиления) — от 1 до 1000 при постоянном токе. С увеличением частоты постепенно снижается.
2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером(при разомкнутой базе) У специальных высоковольтных транзисторов, достигает десятков тысяч вольт.
3.Предельная частота, до которой коэффициент передачи тока выше 1. До 100000 гц. у низкочастотных транзисторов, свыше 100000 гц. — у высокочастотных.
4.Напряжение насыщения эмиттер-коллектор — величина падения напряжения между этими электродами у полностью открытого транзистора.

Важные параметры полевых транзисторов.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются отношением приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения затвор — исток, т. е.

ΔI d /ΔU GS

Это отношение принято называть крутизной прибора, а по сути дела оно является передаточной проводимостью и измеряется в миллиамперах на вольт(мА /В).

Другие важнейшие параметры полевых транзисторов приведены ниже:
1. I Dmax — максимальный ток стока.

2.U DSmax — максимальное напряжение сток-исток.

3.U GSmax — максимальное напряжение затвор-исток.

4.Р Dmax — максимальна мощность, которая может выделяться на приборе.

5.t on — типовое время нарастания тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

6.t off — типовое время спада тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

7.R DS(on)max — максимальное значение сопротивления исток — сток в включенном(открытом) состоянии.

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт

Транзистор относится к категории полупроводниковых приборов. В электротехнике он используется как генератор и усилитель электрических колебаний. Основой прибора является кристалл, расположенный в корпусе. Для изготовления кристалла используется специальный полупроводниковый материал, по своим свойствам находящийся в промежуточном положении между изолятором и проводником. Транзистор применяется в радио- и электронных схемах. Данные приборы могут быть . Каждый из них обладает собственными параметрами и характеристиками.

Особенности биполярных транзисторов

Электрический ток в биполярных транзисторах образуется электрическими зарядами, имеющими положительную и отрицательную полярность. Дырки переносят положительную полярность, а электроны — отрицательную. Для данного вида устройств используются германиевые или кремниевые кристаллы, обладающие индивидуальными особенностями, которые учитываются при создании электронных схем.

Основой кристалла служат сверхчистые материалы. К ним добавляются специальные примеси в точной дозировке. Именно они оказывают влияние на возникновение в кристалле электронной или дырочной проводимости. Они обозначаются соответственно, как n- или р-проводимость. Происходит формирование базы, являющейся одним из электродов. Специальные примеси, введенные в кристаллическую поверхность, изменяют проводимость базы на противоположное значение. В результате, образуются зоны n-р-n или р-n-р, к которым подключаются выводы. Таким образом, происходит создание транзистора.

Источник носителей заряда называется эмиттером, а собиратель носителей является коллектором. Между ними располагается зона, исполняющая роль базы. Выводы прибора называются в соответствии с подключенными электродами. При поступлении на эмиттер входного сигнала в виде небольшого электрического напряжения, в цепи между ним и коллектором будет протекать ток. Форма этого тока совпадает с входным сигналом, однако его значение существенно увеличивается. Именно в этом заключаются усиливающие свойства транзистора.

Работа полевого транзистора

В полевых транзисторах направленное движение электронов или дырок образуется под воздействием электрического поля, которое создается на третьем электроде приложенным напряжением. Из одного электрода выходят носители, поэтому он называется истоком. Второй электрод, на который поступают заряды, носит название стока. Третий электрод, управляющий движением частиц, называется затвором. Токопроводящий участок, ограниченный стоком и истоком, именуется каналом, поэтому данные устройства еще известны как канальные. Сопротивление канала изменяется под действием напряжения, образующегося на затворе. Этот фактор оказывает воздействие на протекающий по каналу электрический ток.

Тип носителей заряда влияет на характеристики . В n-канале происходит направленное движение электронов, а в р-канале перемещаются дырки. Таким образом, ток появляется под действием носителей лишь с каким-то одним знаком. В этом состоит основное отличие полевых и биполярных транзисторов.

Принцип работы каждого полевой транзистора заключается в однополярном токе, требует постоянного напряжения, чтобы обеспечить начальное смещение. Значение полярности зависит от типа канала, а напряжение связано с тем или иным типом устройства. В целом, они надежны в эксплуатации, могут работать в широком диапазоне частот, имеют большое входное сопротивление.

Устройство, принцип работы и различие N-P-N и P-N-P транзисторов | Энергофиксик

Существуют два основных вида транзисторов: полевые и биполярные. Биполярные транзисторы, в свою очередь, также разделяются на тип с P-N-P и N-P-N переходом. В этом материале я вам расскажу об устройстве биполярных транзисторов и мы поговорим о принципе работы и в чем их основное различие. Итак, поехали.

Согласно записям официальной истории дату 16.12.1947 года можно считать официальным днем рожденья одного из главных элементов всей электроники современности. Именно в этот день был представлен общественности первый транзистор, который был собран тремя учеными, а именно: Д. Бардин, У. Шокли и У. Браттейн.

yandex.ru

Появление биполярного транзистора позволило отказаться от использования электронных ламп. Вся современная электроника была бы невозможна без этого изделия. Вот такое важное открытие было совершено в середине 20-го столетия. Теперь от истории перейдем к нашим биполярным транзисторам.

Итак, биполярный транзистор схематически можно представить следующим образом:

Посмотрите внимательно на изображение, вам оно ничего не напоминает? Да, вы правы, если присмотреться и мысленно разделить зону N – перехода, то перед нами два соединенных между собой диода (запомните этот момент, в дальнейшем он нам понадобится).

Для определения какой проводимости перед нами диод, достаточно прочитать направление P-N перехода. На рисунке выше у нас проводимость типа P-N-P. Это означает, что перед нами транзистор прямой проводимости (так как принято считать, что ток проходит от плюса к минусу).

А вот у транзистора N-P-N типа проводимость обратная

Вы заметили, что в обоих вариантах исполнения присутствуют три вывода под названием:

Эмиттер (источник, генератор), База (основа) и Коллектор (сборщик, накопитель).

Из всего выше написанного вы уже наверняка поняли, что есть транзисторы обратной и прямой последовательности, а это значит, что и на схемах такие элементы должны иметь различия. Давайте их рассмотрим.

Итак, обозначение транзистора прямой проводимости на схемах будет следующее:

А вот транзистор обратной проводимости обозначается уже так:

В старых советских мануалах транзисторы маркировались буквой «Т», а теперь обозначение сменили на «VT».

На самом деле определить по схеме тип биполярного транзистора довольно просто, достаточно помнить следующее правило:

Как известно в N – полупроводнике имеется большое количество свободных электронов, а в полупроводнике P–типа расположены «дырки» — положительно заряженные частицы. А по общепринятой теории ток протекает от «плюса» к «минусу».

Если вы посмотрите на схему, то увидите, что эмиттер изображен со стрелкой, которая либо направлена к базе либо от нее. Так вот если транзистор N-P-N типа, то есть база выполнена из P– полупроводника, то ток течет от базы (стрелка эмиттера от базы). Если же база выполнена из N — полупроводника, то ток (стрелка) втекает в базу.

С обозначением и устройством вроде все понятно, а вот как он работает давайте разбираться:

Давайте представим биполярный транзистор в виде водяной трубы с задвижкой с пружинным механизмом.

Как видно из рисунка сверху беспрепятственному протеканию воды по трубе мешает задвижка с пружинным механизмом, если мы приложим небольшое усилие (откроем задвижку сжав пружину), то вода беспрепятственно потечет по трубе. Если же мы отпустим пружину, то она распрямится и вернет задвижку на место, тем самым перекрыв трубу и поток воды будет остановлен.

Теперь вообразите, что данная труба — это транзистор P-N-P типа, значит его выводы можно представить следующим образом:

Получается, чтобы ток протекал от эмиттера к коллектору (напоминаю, что направление тока совпадает с направлением стрелки на эмиттере) нужно сделать так, чтобы ток выходил из базы, или говоря по простому: подать на базу минус.

Давайте наглядно проверим работу такого транзистора. Для этого возьмем КТ814Б и соберем простенькую схему с двумя источниками питания.

Для того, чтобы правильно подключить транзистор необходимо знать какой вывод является эмиттером, базой и коллектором. Для этого находим техническую документацию и определяем:

Лампочку я буду использовать самую обычную автомобильную, рассчитанную на 12 Вольт. Собранная схема будет выглядеть так:

Итак, чтобы наша схема заработала выставляем на источнике питания №2 12 Вольт. А на первом источнике питания начинаем очень плавно (с нуля) поднимать напряжение ровно до того момента, пока не загорится наша лампа.

Схема заработала при напряжении 0,66 Вольт на первом источнике.

То есть произошло «открытие» транзистора и через цепь эмиттер-коллектор начал проходить ток.

Иначе говоря, напряжение, которое открыло наш транзистор — это ни что иное как падение напряжения на P-N переходе база-эмиттер, которое как раз и находится в пределах от 0,5 до 0,7 В для кремниевых транзисторов.

А как дела обстоят с транзисторами, где используется N-P-N переход.

Принцип работы N-P-N транзистора

Если внимательно посмотреть на техническую документацию к транзистору КТ814Б, то можно найти запись о том, что комплиментарной парой к этому транзистору является КТ815Б, а он различается лишь тем что здесь используется N-P-N переход.

yandex.ru

И схема подключения будет выглядеть так:

Посмотрите внимательно на эту схему и схему включения КТ814Б, вы ничего не заметили? Все верно, единственное различие между этими двумя транзисторами заключено в том, что транзистор с P-N-P переходом открывается «минусом» (так как на базу подается отрицательный потенциал), а вот транзистор N-P-N открывается «плюсом».

Заключение

В этом материале мы с вами познакомились с устройством биполярных транзисторов, их устройстве и принципе работы, а также с тем как они обозначаются на схемах. Если статья оказалась вам интересна или полезна, то оцените ее лайком. Спасибо за ваше внимание!

Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Условное графическое изображение транзисторов в электронных схемах показано на рис. 3.1. В схемах транзисторы обозначаются буквами VT с последующей порядковой нумерацией

(VT1, VT2…).

p-n-p    n-p-n

Рис. 3.1. Условное обозначение биполярных транзисторов

Биполярный транзистор состоит из двух противоположно направленных p-n-переходов П1 и П2 (рис. 3.2). В монокристалле транзистора   выделяют   три   области:   эмиттер   (Э),   базу   (Б), коллектор (К), имеющие соответствующие выводы. В схемах эмиттер изображается в виде стрелки, указывающей направление тока эмиттера.

Переход П1 между эмиттером и базой называется эмиттерным, а переход П2 – коллекторным (рис.3.2).

Биполярные  транзисторы должны  удовлетворять следующим основным конструктивным требованиям:

база должна быть настолько тонкой, чтобы инжектированные в неѐ носители могли без значительных потерь из-за рекомбинации достигать коллектора;

концентрация примесей в эмиттере должна быть больше, чем в базе, а толщина базы малой;

площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.

p          П1       n          П2       p

Э         К

Б

Рис. 3.2. Структура биполярного p-n-p транзистора

Различают две структуры биполярных транзисторов p-n-p и n-p-n. Принцип действия обоих структур одинаков, различие лишь в том, что в транзисторах p-n-p от эмиттера к коллектору через базу двигаются дырки, а в транзисторах n-p-n – электроны.

При работе транзистора в качестве усилителя эмиттерный переход  включают  в   прямом,  а   коллекторный    в   обратном

направлениях (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Электродные токи в биполярном транзисторе

В p-n-p транзисторе базе сообщается отрицательное напряжение по отношению к эмиттеру, а коллектору ещѐ более отрицательное. В n-p-n транзисторе наоборот: база имеет более высокий потенциал по отношению к эмиттеру, а величина этого потенциала у коллектора ещѐ выше.

Если задать Uэб=0, а к переходу П2 приложить обратное напряжение Uкб, тогда Iэ=0 и в коллекторной цепи возникает слабый обратный коллекторный ток Iко. Это ток неосновных носителей базы

– дырок, притягиваемых отрицательным полюсом коллектора.

Если  при      этом  приложить  прямое  напряжение  Uэб    к переходу П1, то дырки эмиттера, отталкиваясь от его положительного полюса, устремляются через П1 в базу. Благодаря незначительной ширине базы большинство дырок преодолевает еѐ и переход П2, притягиваясь отрицательным полюсом коллектора и образуя при этом ток коллектора Iк.

Оставшаяся    в          базе     незначительная         часть   дырок,

притягиваясь отрицательным полюсом базы, образует незначительный ток базы Iб. Следовательно, между токами транзистора устанавливается соотношение Iэ=Iб+Iк.

Транзистор  –  обратимый  прибор,  в  котором  коллектор  и

эмиттер можно менять местами. Обычное включение называют нормальным, а обратное – инверсным. Из-за различия площадей переходов П1 и П2 параметры транзистора при нормальном и инверсном включения различны.

Материал взят из книги Полупроводниковые приборы в системах транспортной телематики (Асмолов, Г.И.)

| Определение и использование

транзистор , полупроводниковое устройство для усиления, управления и генерации электрических сигналов. Транзисторы — это активные компоненты интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крохотных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. Транзисторы, глубоко встроенные почти во все электронное, стали нервными клетками информационного века.

Обычно в транзисторе три электрических вывода, называемых эмиттером, коллектором и базой, или, в современных коммутационных приложениях, истоком, стоком и затвором.Электрический сигнал, подаваемый на базу (или затвор), влияет на способность полупроводникового материала проводить электрический ток, который в большинстве случаев протекает между эмиттером (или истоком) и коллектором (или стоком). Источник напряжения, такой как батарея, управляет током, в то время как скорость тока, протекающего через транзистор в любой момент, регулируется входным сигналом на затворе — так же, как кран крана используется для регулирования потока воды через сад. шланг.

Британская викторина

Изобретатели и изобретения

Наши самые ранние человеческие предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение вращения? Позвольте колесам в вашей голове крутиться, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.

Первые коммерческие применения транзисторов были в слуховых аппаратах и ​​«карманных» радиоприемниках в 1950-х годах. Благодаря их небольшому размеру и низкому энергопотреблению транзисторы были желанной заменой электронных ламп (известных как «клапаны» в Великобритании), которые затем использовались для усиления слабых электрических сигналов и создания слышимых звуков. Транзисторы также начали заменять электронные лампы в схемах генераторов, используемых для генерации радиосигналов, особенно после того, как были разработаны специализированные структуры для обработки более высоких частот и задействованных уровней мощности.Низкочастотные и мощные приложения, такие как инверторы источников питания, преобразующие переменный ток (AC) в постоянный (DC), также были транзисторными. Некоторые силовые транзисторы теперь могут выдерживать токи в сотни ампер при электрических потенциалах более тысячи вольт.

Безусловно, наиболее распространенное применение транзисторов сегодня — это микросхемы памяти компьютеров, включая твердотельные мультимедийные запоминающие устройства для электронных игр, камеры и MP3-плееры, а также микропроцессоры, в которых миллионы компонентов встроены в единую интегральную схему.Здесь напряжение, приложенное к электроду затвора, обычно несколько вольт или меньше, определяет, может ли ток течь от истока транзистора к его стоку. В этом случае транзистор работает как переключатель: если ток течет, задействованная цепь включена, а если нет, то она выключена. Эти два различных состояния, единственные возможности в такой схеме, соответствуют соответственно двоичным единицам и нулям, используемым в цифровых компьютерах. Подобные применения транзисторов встречаются в сложных коммутационных схемах, используемых в современных телекоммуникационных системах.Потенциальные скорости переключения этих транзисторов сейчас составляют сотни гигагерц, или более 100 миллиардов включений и выключений в секунду.

Разработка транзисторов

Транзистор был изобретен в 1947–1948 годах тремя американскими физиками, Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли, в лабораториях Белла американской телефонной и телеграфной компании. Транзистор оказался жизнеспособной альтернативой электронной лампе и к концу 1950-х годов вытеснил последнюю во многих приложениях.Его небольшие размеры, низкое тепловыделение, высокая надежность и низкое энергопотребление сделали возможным прорыв в миниатюризации сложных схем. В течение 1960-х и 1970-х годов транзисторы были включены в интегральные схемы, в которых множество компонентов (например, диоды, резисторы и конденсаторы) сформированы на одной «микросхеме» из полупроводникового материала.

Мотивация и ранние радиолокационные исследования

Электронные лампы громоздкие и хрупкие, они потребляют большое количество энергии для нагрева своих катодных нитей и генерации потоков электронов; Кроме того, они часто сгорают после нескольких тысяч часов работы.Электромеханические переключатели или реле работают медленно и могут застревать во включенном или выключенном положении. Для приложений, требующих тысяч ламп или переключателей, таких как общенациональные телефонные системы, развивающиеся по всему миру в 1940-х годах, и первые электронные цифровые компьютеры, это означало, что требовалась постоянная бдительность, чтобы свести к минимуму неизбежные поломки.

Альтернатива была найдена в полупроводниках, материалах, таких как кремний или германий, электрическая проводимость которых находится посередине между проводимостью изоляторов, таких как стекло, и проводников, таких как алюминий.Проводящими свойствами полупроводников можно управлять, «допируя» их избранными примесями, и несколько провидцев увидели потенциал таких устройств для телекоммуникаций и компьютеров. Однако именно военное финансирование разработки радаров в 1940-х годах открыло двери для их реализации. Для «супергетеродинных» электронных схем, используемых для обнаружения радиолокационных волн, требовался диодный выпрямитель — устройство, позволяющее току течь только в одном направлении, — которое могло бы успешно работать на сверхвысоких частотах более одного гигагерца.Электронных ламп просто было недостаточно, и твердотельные диоды на основе существующих полупроводников из оксида меди также были слишком медленными для этой цели.

Кристаллические выпрямители на основе кремния и германия. В этих устройствах вольфрамовая проволока вставлялась в поверхность полупроводникового материала, который был легирован крошечными количествами примесей, таких как бор или фосфор. Примесные атомы заняли позиции в кристаллической решетке материала, вытесняя атомы кремния (или германия) и тем самым создавая крошечные популяции носителей заряда (таких как электроны), способных проводить полезный электрический ток.В зависимости от природы носителей заряда и приложенного напряжения ток может течь от провода к поверхности или наоборот, но не в обоих направлениях. Таким образом, эти устройства служили столь необходимыми выпрямителями, работающими на гигагерцовых частотах, необходимых для обнаружения отраженного микроволнового излучения в военных радиолокационных системах. К концу Второй мировой войны миллионы кристаллических выпрямителей ежегодно производились такими американскими производителями, как Sylvania и Western Electric.

Транзисторное устройство — обзор

5 Уязвимости, вызывающие серьезные ошибки

В этом разделе описываются лежащие в основе физические механизмы, которые могут вызвать проблемы с надежностью в усовершенствованных интегральных схемах (ИС).Рассматриваемые механизмы — это механизмы, которые влияют на сам чип, включая как уровень транзистора («передний конец линии», или FEOL), так и уровни разводки («задний конец линии» или BEOL), но не охватывающие надежность, связанную с упаковкой. даже при том, что это значительная область потенциальных отказов поля. Ниже приводится неисчерпывающий список распространенных постоянных отказов в современных ИС:

(a)

Электромиграция (EM) — процесс, при котором устойчивый однонаправленный ток, испытываемый межсоединениями (проводами), приводит к постепенному увеличению количества проводов. сопротивление в конечном итоге приводит к постоянным открытым неисправностям.

(b)

Зависящий от времени пробой диэлектрика (TDDB) — процесс, посредством которого устойчивые смещения затвора, прикладываемые к транзисторным устройствам или для соединения диэлектриков, вызывают прогрессирующую деградацию в сторону оксидного пробоя, что в конечном итоге приводит к постоянному короткому замыканию или застреванию неисправности.

(c)

Нестабильность температуры отрицательного смещения (NBTI) —Процесс, посредством которого устойчивые смещения затвора, применяемые к транзисторным устройствам, вызывают постепенный сдвиг его порогового напряжения вверх и ухудшение подвижности несущей, что приводит к ее снижению. скорость и ток привода, что в конечном итоге приводит к необратимому отказу цепи.

(d)

Инжекция горячих носителей (HCI) — процесс, с помощью которого транзисторное устройство (с постоянным использованием переключения) вызывает постепенный сдвиг вверх своего порогового напряжения и ухудшение подвижности носителей, что приводит к снижение скорости и токоведущей способности, что в конечном итоге приводит к необратимому отказу цепи.

Механизмы надежности можно условно разделить на две категории. Механизмы «случайного» или «жесткого» отказа по своей природе являются статистическими.Этот тип отказа связан с определенным временем отказа, однако время отказа является случайной величиной, разной для каждого аналогичного элемента схемы, даже если он подвержен одному и тому же напряжению и температуре. Первые два механизма из приведенного выше списка (т.е. EM и TDDB) попадают в эту категорию. EM обычно следует логарифмически нормальному распределению вероятностей времени отказа, с σ ≈ 0,2. TDDB обычно следует распределению Вейбулла с параметром формы ≥ 1 в случае современных затворных диэлектриков.

Другая категория отказа — «износ». Этот тип механизма приводит к постепенному сдвигу электрических характеристик, который одинаков для всех аналогичных элементов схемы при одинаковых напряжениях и температурах. Это может в конечном итоге привести к отказу цепи, если и когда характеристики выйдут за пределы допустимого рабочего диапазона. Этот тип постепенного, непрерывного параметрического сдвига может привести, например, к изменениям скорости переключения, что, в свою очередь, может привести к критическим ошибкам синхронизации пути или к снижению запаса шума, что может привести к ошибкам регистрации, особенно в схемах, работающих вблизи предельных значений напряжения.Два последних вышеуказанных механизма (т.е. NBTI и HCI) относятся к этому типу. Читатель должен отметить, что термин «износ» очень часто используется в другом смысле, чтобы обозначить увеличивающуюся частоту отказов в конце срока службы (EOL) на традиционной кривой надежности в форме ванны. Этот статистический смысл не учитывает лежащий в основе физический механизм.

Как в механизме износа, так и в механизме случайных отказов, лежащая в основе физика предполагает постепенное накопление повреждений устройства или элемента схемы.Принципиальное отличие состоит в том, что при случайном или тяжелом отказе это повреждение не сразу становится очевидным до тех пор, пока не будет достигнут определенный порог. Например, при электромиграции (ЭМ) металлические вакансии появляются и растут, пока, наконец, не образуется разомкнутая цепь, что приводит к внезапному увеличению сопротивления металла. Обычно перед полным разрывом цепи происходит постепенное увеличение сопротивления, но оно обычно достаточно мало, чтобы им можно было пренебречь на практике. На рис. 3 показан типичный график зависимости сопротивления от времени для электромиграции.Подобные характеристики также наблюдаются в TDDB, где явление, известное как «прогрессивная» поломка, широко изучалось [17].

Рис. 3. Удельное сопротивление межсоединений увеличивается с течением времени при постоянном электромагнитном напряжении.

В механизмах изнашивания повреждение проявляется как непрерывный сдвиг электрических характеристик без какого-либо внезапного (отсроченного) начала. На рис. 4 показан типичный сдвиг порогового напряжения в зависимости от времени для NBTI. В очень маленьких транзисторах механизмы износа, такие как сдвиги порогового напряжения, подвержены статистическим изменениям из-за дискретного характера заряда.Таким образом, даже эти «равномерные» механизмы износа следует рассматривать статистически. Это все еще является предметом текущих исследований, и обработка статистического распределения NBTI и HCI еще не получила широкого распространения на практике [18]. Износ, вызванный NBTI, может быть уменьшен или ослаблен, когда смещение затвора устранено, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Типичные характеристики напряжения / восстановления порогового напряжения, вызванного NBTI.

На рис. 5 показаны типичные аналитические модели для каждого механизма.На этом рисунке показана зависимость каждого механизма от физических и рабочих параметров (факторов ускорения). Энергии термической активации указаны в третьем столбце. EM и TDDB — это режимы отказа, которые наиболее сильно ускоряются температурой. Это делает их вероятными кандидатами на роль ограничителей надежности, связанных с горячими точками. Однако, поскольку это оба случайных статистических процесса (описываемых распределениями времени отказа, приведенными на рисунке), отказ какой-либо конкретной микросхемы не может быть гарантирован, можно определить только вероятность отказа.Во всех случаях абсолютное время отказа или сдвиги параметров сильно зависят от конструктивных и материальных параметров, например, толщины изолятора, размера устройства и т. Д.

Рис. 5. Аналитические модели рассматриваемых физических механизмов, связанных с уязвимостями надежности.

ЭМ-тестирование обычно влечет за собой измерения на различных металлических линиях и через тестовые структуры, которые позволяют оценить электромиграцию от электронного потока либо вверх из проходного отверстия ниже металлической линии (через истощение), либо вниз через переходное отверстие над металлической линией (линия истощение) при однонаправленном токе.Напряжения обычно выполняются при повышенной температуре (например, 250–300 ° C) с использованием напряжения постоянного тока Дж _a порядка 10 мА / мкм ² . Уязвимые цепи для электромагнитного сбоя — это цепи с сильно нагруженными устройствами или высокими рабочими факторами, то есть которые имеют тенденцию управлять токами постоянного тока. Критерием EOL обычно является увеличение сопротивления ( dR / R ) ≥ 20 % или избыточный ток утечки (например, из-за экструзии металла)> 1 мкА в напряженном состоянии.Это технический эталон надежности, но он не обязательно может приводить к отказу цепи в каждом случае.

Тестирование TDDB для диэлектриков затвора выполняется путем нагружения отдельных транзисторов в условиях инверсии (т. Е. Положительное значение затвора для n-полевых транзисторов и отрицательное значение для p-полевых транзисторов). Напряжения обычно выполняются при повышенной температуре (например, 100–180 ° C) с использованием постоянного напряжения В _и порядка 2–5 В, чтобы получить приемлемое время отказа.Критерием EOL обычно является любое небольшое увеличение тока утечки («первый пробой») или избыточный ток утечки, скажем,> 10 мкА в условиях использования. Было показано, что этот уровень утечки влияет на функциональность определенных схем, таких как SRAM, но не может привести к отказу всех типов схем.

Задний конец (интерметаллический диэлектрик) TDDB представляет собой область растущего интереса и беспокойства, поскольку толщина изолятора, особенно между проводником затвора и металлами контактов истока или стока, теперь сопоставима с толщиной, используемой под затвором, всего лишь несколько десятилетия назад.Подобная феноменология и модели описывают внутреннюю TDDB, но напряжения пробоя или поля в этих изоляторах часто ограничиваются внешними проблемами или проблемами, связанными с интеграцией (профили травления, загрязнение металла и т. Д.). Для внутренней TDDB тестовые структуры обычно содержат гребенчатые структуры.

Уравнения EM и TDDB на рис. 5 дают допустимую плотность тока Дж _{использовать} (для EM) или напряжение В _{использовать} (для TDDB), соответствующее указанному среднему времени отказа t _{используйте} для одиночной металлической линии, переходного отверстия, затвора транзистора или другого диэлектрика.Среднее время отказа в условиях ускоренного напряжения составляет t _a , что соответствует плотности тока напряжения J _a (для EM) или напряжению V _a (для TDDB). Распределение времени отказов EM следует за лог-нормальной статистикой, в то время как время отказов TDDB обычно следует за статистикой Вейбулла, по крайней мере, в хвосте с низкой интенсивностью отказов, который представляет интерес.

Поскольку полупроводниковая технология обычно соответствует требованиям для обеспечения надежности микросхем частей на миллион с минимум 1E5 линий на микросхему и ≈1E9 транзисторов на микросхему, время отказа одного провода или устройства превышает срок службы продукта на много порядков.Следовательно, могут потребоваться значительные колебания тока, напряжения или температуры, чтобы вызвать отказ любого данного устройства или целевой цепи.

С другой стороны, поскольку NBTI и HCI представляют собой однородные режимы износа с одинаковым сдвигом порогового напряжения или ухудшением тока в зависимости от времени для всех транзисторов, которые работают при одном и том же напряжении и температуре, возможный отказ этих механизмов, вызванный скачками напряжения или температуры должен быть более предсказуемым. Поскольку деградация NBTI и HCI приводит к ослаблению транзисторов, схемы могут быть уязвимы к ошибкам синхронизации или к снижению помехоустойчивости.Уравнения BTI и HCI на рис.5 дают сдвиг порогового напряжения (для NBTI) или ухудшение тока стока (для HCI) как функцию времени использования t _{используйте} и напряжение В _{используйте} .

NBTI, как и TDDB, выполняется путем напряжения отдельных p-фет-транзисторов в условиях инверсии (отрицательный затвор). Напряжения обычно выполняются при повышенной температуре (например, 80–150 ° C) с использованием постоянного напряжения В _и порядка одного-двух значений нормального рабочего напряжения, чтобы получить измеримые сдвиги без разрушения оксидов.Типичным критерием EOL является сдвиг порогового напряжения на 50 мВ, хотя, как указывалось ранее, это не критерий «жесткого» отказа, поскольку сдвиг является непрерывным и постепенным. Уязвимые цепи для NBTI — это цепи с низким коэффициентом заполнения (p-fet остается включенным в течение длительного времени), поскольку NBTI усугубляется постоянным постоянным током (без переключения или транзистор включен).

Тестирование HCI также выполняется на отдельных транзисторах, но в отличие от TDDB и NBTI, оно требует смещения стока в дополнение к смещению затвора, поскольку износ вызывается носителями энергии в канале.Сток смещается при постоянном напряжении напряжения В _и порядка одного-двух значений нормального рабочего напряжения, а затвор обычно удерживается либо при таком же смещении, либо при половине напряжения стока. Уязвимые цепи для отказа HCI — это цепи с высоконагруженными устройствами и высокими коэффициентами заполнения, поскольку повреждение происходит только во время фазы проводимости, когда переключается затвор.

Модели уязвимости с жесткими ошибками, описанные выше (см. Рис. 5), представляют собой основанные на физике поведенческие уравнения, которые помогают нам рассчитать среднее время наработки на отказ (MTTF) на уровне отдельного компонента (устройства или межсоединения).Здесь необходимо упомянуть, что многие из этих уравнений со временем развиваются, чтобы уловить уникальные эффекты конкретных узлов полупроводниковой технологии. Фактически, даже для одной и той же эпохи базовых технологий отдельные поставщики имеют собственные индивидуализированные модели, которые очень специфичны для их конкретного литейного производства. Уравнения, изображенные на рис. 5, являются общими примерами, представляющими технологии недавней предшествующей эпохи, и поэтому не следует предполагать, что они точно представляют конкретные литейные технологии текущего поколения.

Кроме того, когда дело доходит до возможности моделирования воздействия таких серьезных ошибок на системном уровне в контексте реальных рабочих нагрузок приложений, используются такие методы, как RAMP [19–21] на уровне ядра процессора и последующее многоядерное моделирование. Следует упомянуть инновации (например, Шин и др. [22–24]). Идея состоит в том, чтобы сначала собрать репрезентативную статистику использования и рабочего цикла с симуляторов на уровне архитектуры, управляемую рабочими нагрузками целевых приложений. Затем они используются вместе с физическими моделями на уровне устройства, а также с параметрами плотности устройства и уровня схемы для определения значений сбоев во времени (FIT) для каждой структуры.Затем FIT для конкретного устройства соответствующим образом комбинируются для получения общих FIT для чипа. Исходя из этого, может быть получено значение MTTF на уровне микросхемы при подходящих предположениях о функциях частоты (распределения) ошибок.

Что такое транзистор? Типы, использование, принцип работы

Транзистор определяется как полупроводниковое устройство, которое в основном состоит из трех выводов для усиления или переключения электронных сигналов и электрических целей. Эти устройства, обычно классифицируемые на биполярные переходные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET), позволяют использовать радиоприемники, компьютеры, калькуляторы и т. Д.которые вы используете сегодня.

Что ж, учитывая, что современные транзисторы, такие как BC547, 2n2222, 2n3904 и т. Д., Используются в микроконтроллерах (например, Arduino) или в приложениях для построения электрических схем, важно, чтобы мы более подробно рассмотрели транзисторы в сегодняшнем блоге.

Ранее мы упоминали, что существует два типа транзисторов; Биполярные и полевые транзисторы. В этом разделе мы более подробно рассмотрим каждый тип транзистора и объясним, как он работает.

Во-первых, для BJT он поставляется в двух итерациях или версиях; NPN и PNP BJT с обозначениями схем, показанными ниже:

Как видите, и в итерациях NPN и PNP контакты помечены; Коллектор (C), база (B) и эмиттер (E). Разницу между ними можно заметить по направлению стрелки; где для NPN стрелка выходит из базы, а для PNP стрелка входит в базу.

Теперь, когда мы определили, что такое BJT, мы посмотрим, как BJT работают, на простой иллюстрации ниже:

Для NPN-транзистора он состоит из слоя полупроводника, легированного P, между двумя слоями материала, легированного азотом, где электроны переходят от эмиттера к коллектору. Затем эмиттер «испускает» электроны в базу, при этом база управляет номером. электронов испускает эмиттер. Выброшенные электроны, наконец, собираются коллектором и отправляются в следующую часть цепи.

В то время как для транзистора PNP он состоит из слоя полупроводника с примесью азота между двумя слоями материала с примесью фосфора, где ток базы, поступающий в коллектор, усиливается. По сути, ток по-прежнему контролируется базой, но течет в противоположном направлении. Кроме того, вместо испускания электронов эмиттер в PNP испускает «дырки» (концептуальное отсутствие электронов), которые затем собираются коллектором.

Полевой транзистор, другой тип транзистора, чаще всего классифицируется как MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) и состоит из контактов; Ворота, исток, сток.Благодаря другой конструкции выводов он работает несколько иначе, чем BJT.

Чтобы понять, как работает полевой транзистор, мы рассмотрим типичную принципиальную схему:

• Блок, также известный как подложка полупроводника p-типа, действует как основа для полевого МОП-транзистора
• Две стороны этой подложки p-типа сделаны с высокой степенью легирования примесью n-типа (обозначена как n +)
  • Выводы стока (исток и сток) затем выводятся из этих двух концевых областей
• Вся поверхность подложки покрыта слоем диоксида кремния
  • Диоксид кремния действует как изоляция
• Тонкая Затем поверх диоксида кремния помещается изолированная металлическая пластина, действующая как пластина конденсатора.
  • Вывод затвора затем выводится из тонкой металлической пластины
• Затем формируется цепь постоянного тока путем подключения источника напряжения между этими двумя Области n-типа (отмечены красным)

Когда напряжение подается на затвор, оно генерирует электрическое поле, которое изменяет ширину области канала, где e лектроны текут.Чем шире область канала, тем лучше будет проводимость устройства.

Теперь, когда мы рассмотрели оба типа транзисторов; BJT и FET (широко известные MOSFET), давайте посмотрим на их различия, показанные в таблице ниже:

Какой транзистор выбрать?

Хотя MOSFET имеет преимущества перед BJT, такие как контроль напряжения, выбор любого из них зависит от целей вашего приложения.Вот для чего подходит каждый транзистор:

• Если вы хотите регулировать поток сильного тока узкими импульсами или для любых приложений с большой мощностью, MOSFET — это то, что вам нужно. достаточно для выполнения работы

Транзистор чаще всего используется в качестве электронных переключателей в цифровых схемах или в качестве усилителя.Давайте объясним, как работает каждое приложение.

Переключатели включаются и выключаются, тогда как для транзисторов он действует как таковой, создавая двоичный эффект включения / выключения переключателя, поэтому для его переключения не требуется привод, а вместо этого требуется напряжение. Такое приложение используется для управления потоком энергии к другой части цепи. Другими словами, небольшой ток, протекающий через одну часть транзистора, позволяет протекать гораздо большему току через другую часть транзистора.

Транзисторы как переключатели можно увидеть в микросхемах памяти, где присутствуют миллионы транзисторов, которые включаются и выключаются.

Транзисторы работают не только как переключатели, но и как усилители, принимая крошечные электрические токи и производя гораздо более высокий выходной ток на другом конце. Такие транзисторы обычно используются в слуховых аппаратах, радио и т.

Ранее мы установили, что MOSFET является частью семейства полевых транзисторов, что делает его отличным вариантом для управления большим током.Но знаете ли вы, что это первый компактный транзистор, который можно миниатюризировать для широкого спектра применений?

Да! с революцией в электронных технологиях, он постепенно превратился в миниатюрные модули для использования в микроконтроллерах (например, Arduino)

Ниже мы даем рекомендации по MOSFET-транзисторам, идеально подходящим для такого использования!

Как следует из названия, Grove — MOSFET представляет собой миниатюрный МОП-транзистор, который помогает вам легко управлять проектом высокого напряжения с помощью вашей платы Arduino!

Особенности:

• Две винтовые клеммы на плате; один для внешнего источника питания, а другой для устройства, которым вы хотите управлять с помощью
• 5V — 15V управления напряжением

Благодаря нашей системе Grove вы также сможете использовать наши кабели Grove в режиме Plug and Play, легко добавить или удалить этот транзистор в свой электронный проект!

Хотите узнать больше о Grove — MOSFET? Вы можете посетить страницу продукта здесь, чтобы увидеть его техническое описание, схему и многое другое!

Это все на сегодняшний день руководства по транзисторам.Я надеюсь, что благодаря этому вы получите общее представление о том, что такое транзистор, типы транзисторов (BJT, FET), как они работают и их применение!

Если вы ищете простое взаимодействие Arduino с MOSFET, обратите внимание на Grove — MOSFET!

Следите за нами и ставьте лайки:

Теги: bc547, bjt, bjt транзистор, fet, как работает транзистор, mosfet, mosfet транзистор, npn, pnp, транзистор, схема транзистора, функция транзистора, символ транзистора, символы транзистора, типы транзисторов, что такое транзистор

Продолжить чтение

Что такое транзистор? | Основы электроники

Транзистор был изобретен в 1948 году в Bell Telephone Laboratories.

Изобретение транзистора стало беспрецедентным достижением в электронной промышленности.Это ознаменовало начало нынешней эпохи в секторе электроники. После изобретения транзистора технический прогресс стал более частым, наиболее заметным из которых были компьютерные технологии. Трое физиков, которые изобрели транзистор; Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены Нобелевской премии. Учитывая изобретения, которые открыли транзисторы, можно утверждать, что это было самое важное изобретение двадцатого века.

От германия к кремнию

Транзисторы изначально производились с использованием германия.Это было стандартом для первого десятилетия производства транзисторов. Транзисторы на основе кремния, которые мы привыкли видеть сегодня, были приняты, потому что германий разрушается при температуре 180 градусов F.

Функции транзистора

Функции транзистора состоят из усиления и переключения. Возьмем для примера радио: сигналы, которые радио принимает из атмосферы, очень слабые. Радио усиливает эти сигналы через выход динамика. Это функция «усиления».

Для аналогового радио простое усиление сигнала заставит динамики воспроизводить звук. Однако для цифровых устройств форму входного сигнала необходимо изменить. Для цифрового устройства, такого как компьютер или MP3-плеер, транзистор должен переключать состояние сигнала на 0 или 1. Это «функция переключения»

Даже более сложные компоненты, такие как интегральные схемы, изготовленные из жидкого кремния, в основном представляют собой наборы транзисторов.

на одном кристалле

Изначально дискретные резисторы и транзисторы устанавливались на одних и тех же печатных платах.Позже транзисторные микросхемы со встроенными резисторами были разработаны как цифровые транзисторы. Использование цифровых транзисторов в конструкциях имеет:
1. Они требуют меньше места для установки компонентов на печатной плате.
2. Им требуется меньше времени для монтажа компонентов на печатной плате.
3. Это уменьшает количество необходимых компонентов.

Как работает транзистор?

Одна аналогия, которая помогает объяснить, как работает транзистор, — это думать о нем как о водопроводном кране. В этом случае электрический ток работает как вода. Транзистор имеет три контакта: база, коллектор и эмиттер. Основание работает как ручка крана, коллектор подобен трубе, которая идет в кран, а эмиттер подобен отверстию, через которое льется вода.Поворачивая ручку крана с небольшим усилием, мы можем контролировать мощный поток воды. Эта вода течет по трубе и выходит из отверстия. Слегка повернув ручку крана, можно значительно увеличить скорость потока воды. Если закрыть полностью, вода не будет течь. Если открыть полностью, вода будет хлестать как можно быстрее!

Теперь мы можем погрузиться в правильное объяснение, используя диаграммы ниже. Транзистор имеет три контакта: эмиттер (E), коллектор (C) и базу (B).База контролирует ток от коллектора до эмиттера. Ток, протекающий от коллектора к эмиттеру, пропорционален току базы. IE = IB x hFE. Показанная схема использует коллекторный резистор (RL). Если через RL протекает ток Ic, на этом резисторе образуется напряжение, равное произведению IC x RL. Это означает, что напряжение на транзисторе равно: E2 — (RL x IC). IC приблизительно равен IE, поэтому, если IE = hFE x IB, то IC также равно hFE x IB. Следовательно, посредством подстановки напряжение на транзисторах E = E2 — (RL x lB x hFE).

(* 1) hfe: Коэффициент усиления постоянного тока транзистора.

Включение технологий тонкопленочных транзисторов и важных показателей устройства

При этом не имеет значения, насколько малы L и связанный с ним R _C , если рабочие параметры колеблются между отдельными TFT. Важно отметить, что для любых ИС, если вариабельность параметров TFT слишком велика, невозможно будет объединить тысячи или даже миллионы устройств в одну функциональную схему.В цифровых схемах напряжение затвора, прикладываемое для того, чтобы канал TFT проводил электричество (так называемое пороговое напряжение, В, _T ), является критическим, с его изменчивостью между отдельными устройствами, т. Е. Стандартным отклонением, σV _T , являясь наиболее важным показателем из всех других важных параметров ^10,11 . На рис. 1b, c показано, как кривые передачи для большого набора идентичных TFT могут отклоняться (заштрихованная область) от идеальной концептуальной характеристики (сплошная линия) из-за колебаний V _T .Происхождение изменения V _T в большинстве случаев может быть связано либо с производственным процессом (рис. 1b), либо с эксплуатационной стабильностью устройства (рис. 1c), а в случае гибких устройств и схем , может возникнуть в результате механического изгиба. Если исключить последнее, то степень флуктуации V _T сильно зависит от используемого полупроводника. Например, высокоподвижные тонкопленочные транзисторы на основе поли-Si страдают от связанных с производством σV _T (рис.1б), но они хорошо известны своей превосходной стабильностью в работе. С другой стороны, тонкопленочные транзисторы на основе a-Si печально известны своей нестабильностью в работе (рис. 1c) и низкой подвижностью носителей, но известны своей высокой однородностью параметров (небольшой σV _T ) даже при изготовлении на подложках большой площади (таблица 1).

В объединительных панелях TFT для дисплеев отклонения V _T влияют на яркость отдельных пикселей и вызывают колебания яркости по всему дисплею.В ИС большой σV _T не только вызывает задержки в схемах ¹² , но в некоторых случаях, например, в униполярных ИС, величина σV _T фактически определяет максимальное количество TFT, которое может быть интегрирован в схему. Следовательно, чем сложнее становится ИС, тем более важным становится σV _T ¹³ . Рисунок 1d иллюстрирует это, показывая влияние σV _T в качестве единственного параметра на выход схемы в зависимости от количества объединенных однополярных логических элементов НЕ.Чтобы преодолеть это довольно серьезное узкое место интеграции, часто используются псевдодополнительные или дополнительные схемы, но, к сожалению, за счет сложности производства и стоимости ¹⁴ . Точно так же в дисплеях сдвиг V _T в пикселях на основе a-Si TFT управляется с помощью дополнительных транзисторов в схеме пикселей, хотя это отрицательно влияет на коэффициент заполнения ^4,10,15 . В целом, рассмотрение нескольких параметров TFT вместе, а не только µ , дает представление о том, насколько подходят различные появляющиеся технологии TFT для различных приложений.

Факты о транзисторах для детей

Транзистор — это электронный компонент, который может использоваться как часть усилителя или как переключатель. Он изготовлен из полупроводникового материала. Транзисторы встречаются в большинстве электронных устройств. Транзистор был большим достижением после лампового триода, с использованием гораздо меньшего количества электроэнергии и продолжительностью на много лет дольше, чтобы переключать или усиливать другой электронный ток.

Транзистор может использоваться для множества различных вещей, включая усилители и цифровые переключатели для компьютерных микропроцессоров.В цифровой работе в основном используются полевые МОП-транзисторы. Некоторые транзисторы имеют индивидуальную упаковку, в основном для того, чтобы они могли работать с большой мощностью. Большинство транзисторов находится внутри интегральных схем.

Как они работают

имеют три вывода: затвор, сток и исток (на биполярном транзисторе провода можно назвать эмиттером, коллектором и базой). Когда источник (или эмиттер) подключен к отрицательной клемме батареи, а сток (или коллектор) — к положительной клемме, в цепи не будет течь электричество (если у вас есть только лампа, соединенная последовательно с транзистором).Но когда вы коснетесь затвора и стока вместе, транзистор пропустит электричество. Это связано с тем, что, когда затвор заряжен положительно, положительные электроны будут подталкивать другие положительные электроны в транзисторе, позволяя отрицательным электронам проходить через него. Транзистор также может работать, когда затвор просто положительно заряжен, поэтому ему не нужно касаться стока.

Визуализация

Легко представить, как работает транзистор, — это шланг с крутым изгибом, не позволяющий воде проходить через него.Вода — это электроны, и когда вы заряжаете вентиль положительно, он разгибает шланг, позволяя воде течь.

Базовая схема транзистора Дарлингтона состоит из двух биполярных транзисторов, связанных эмиттером и базой, поэтому они действуют как один транзистор. Один из транзисторов подключен так, что контролирует ток на базе другого транзистора.Это означает, что вы можете контролировать такое же количество тока с очень небольшим током, идущим в базу.

Использует

Когда затвор P-канального MOSFET заряжен положительно, через него проходит электричество, это полезно для электроники, которая требует включения переключателя, что делает его электронным переключателем. Это конкурирует с механическим переключателем, который требует постоянного нажатия на него.

В полевом МОП-транзисторе, используемом в качестве усилителя, транзисторы принимают поток стока и истока, и, поскольку ток истока намного больше, чем ток стока, ток стока обычно возрастает до значения, равного истоку, усиливая Это.

Материалы

Транзисторы изготовлены из полупроводниковых химических элементов, обычно кремния, который относится к современной группе 14 (ранее группа IV) периодической таблицы элементов. Германий, другой элемент группы 14, используется вместе с кремнием в специализированных транзисторах. Исследователи также изучают транзисторы, сделанные из особых форм углерода. Транзисторы также могут быть изготовлены из таких соединений, как арсенид галлия.

История

Транзистор был не первым трех оконечным устройством.Триод служил той же цели, что и транзистор 50 лет назад. Электронные лампы были важны в бытовой технике до транзисторов. К сожалению, лампы были большими и хрупкими, потребляли много энергии и прослужили недолго. Транзистор решил эти проблемы.

Трем физикам приписывают изобретение транзистора в 1947 году: Уолтеру Х. Браттейну, Джону Бардину и Уильяму Шокли, которые внесли наибольший вклад.

Важность

Транзистор сегодня является очень важным компонентом.Если бы не транзистор, такие устройства, как сотовые телефоны и компьютеры, были бы совсем другими, или они могли бы вообще не быть изобретены. Транзисторы были сделаны очень маленькими (в десятки атомов в ширину), так что миллиарды их можно поместить в небольшой компьютерный чип.

Галерея

• Периодическая таблица элементов

• Реплика первого транзистора

• Изобретатели транзистора

Детские картинки

• Разборные дискретные транзисторы.Пакеты по порядку сверху вниз: ТО-3, ТО-126, ТО-92, СОТ-23.

• Джулиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора в 1925 году.

• Герберт Матаре в 1950 году. Он независимо изобрел точечный транзистор в июне 1948 года.

• Поверхностно-барьерный транзистор Philco, разработанный и произведенный в 1953 году

• Транзистор Дарлингтона открылся, так что внутри виден сам транзисторный чип (маленький квадрат).Транзистор Дарлингтона — это фактически два транзистора на одной микросхеме. Один транзистор намного больше другого, но оба они больше по сравнению с транзисторами в крупномасштабной интеграции, потому что этот конкретный пример предназначен для силовых приложений.

• Работа полевого транзистора и его кривая Id-Vg. Сначала, когда напряжение на затвор не подается, в канале нет инверсионных электронов, поэтому устройство выключено. По мере увеличения напряжения затвора плотность инверсионных электронов в канале увеличивается, ток увеличивается, и, таким образом, устройство включается.

• Символ транзистора создан на португальском асфальте в университете Авейру.

• Разные дискретные транзисторы

23 декабря 1947: Транзистор открывает дверь в цифровое будущее

1947: Джон Бардин и Уолтер Браттейн при поддержке коллеги Уильяма Шокли демонстрируют транзистор в Bell Laboratories в Мюррей-Хилле, Нью-Джерси.

Его называют самым важным изобретением 20 века.Транзистор, также известный как транзистор с точечным контактом, представляет собой полупроводниковое устройство, которое может усиливать или переключать электрические сигналы. Он был разработан для замены электронных ламп.

Электронные лампы были громоздкими, ненадежными и потребляли слишком много энергии. Поэтому исследовательское подразделение AT&T, Bell Labs, начало проект по поиску альтернативы.

Почти за десять лет до того, как был разработан первый транзистор, Шокли, физик из Bell Labs, работал над теорией такого устройства. Но Шокли не смог построить работающую модель.Его первый полупроводниковый усилитель имел «небольшой цилиндр, тонко покрытый кремнием, установленный рядом с небольшой металлической пластиной».

Итак, Шокли попросил своих коллег, Бардина и Браттейна, вмешаться. Одной из проблем, которые они заметили при первой попытке Шокли, была конденсация на кремнии. Они погрузили его в воду и предположили, что у первоначального прототипа есть металлический наконечник, «который будет вставлен в кремний, окруженный дистиллированной водой». Наконец, было усиление — но, к сожалению, на тривиальном уровне.

После дополнительных экспериментов германий заменил кремний, что увеличило усиление примерно в 300 раз.

Спустя несколько модификаций у Браттейна металлическое золотое острие было расширено в германий. Это привело к лучшей способности модулировать усиление на всех частотах.

Окончательный вариант точечного транзистора имел два золотых контакта, слегка соприкасавшихся с кристаллом германия, который находился на металлической пластине, подключенной к источнику напряжения. Также известный как «маленький пластиковый треугольник», он стал первым работающим твердотельным усилителем.

Бардин и Браттейн продемонстрировали транзистор должностным лицам Bell Lab 23 декабря 1947 года. Сообщается, что Шокли назвал его «великолепным рождественским подарком». Но сам Шокли не присутствовал, когда это произошло, и, как говорят, он был огорчен поражением в тот день.

Но он отомстил. Шокли продолжал работать над идеей и дорабатывать ее. В начале 1948 года он придумал биполярный или переходной транзистор, превосходное устройство, пришедшее на смену точечному типу.

Bell Labs публично анонсировала первый транзистор на пресс-конференции в Нью-Йорке 30 июня 1948 года.

Транзистор пришел на смену громоздким электронным лампам и механическим реле. Изобретение произвело революцию в мире электроники и стало основным строительным блоком, на котором зиждутся все современные компьютерные технологии.

Шокли, Бардин и Браттейн разделили Нобелевскую премию по физике 1956 года за транзистор, но трио никогда не работало вместе после первых нескольких месяцев их первоначального создания транзистора.

Шокли покинул Bell Labs и основал Shockley Semiconductor в Маунтин-Вью, Калифорния, — одну из первых высокотехнологичных компаний в том, что позже станет Силиконовой долиной.

Браттейн остался сотрудником Bell Labs. Бардин стал профессором Университета Иллинойса в 1951 году и получил вторую Нобелевскую премию по физике в 1972 году за первое успешное объяснение сверхпроводимости.

Источник: Различный

Фото: Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн работают в Bell Labs в конце 1940-х годов.
Предоставлено Alcatel-Lucent / Bell Labs

См. Также:

• 21 февраля 1947 г .: «Take a Polaroid» входит в английский язык
• 16 апреля 1947 г .: Взрыв корабля вызывает трехдневный огненный дождь и смерть
• 28 апреля 1947 года: Кон-Тики отправляется в плавание из Перу в Полинезию
• 17 июня 1947 года: Pan Am запускает кругосветную службу
• 24 июня 1947 года: они прибыли из .

  No related posts.