Transistori

Transistori
Sen koko ja pakkaus määräävät, kuinka paljon tehoa se voi haihtua.
Kaveri	Puolijohde
Keksintö	John Bardeen, Walter Houser Brattain ja William Bradford Shockley ( 1947 )
elektroninen symboli
terminaalit	emitteri, kanta ja kerääjä

Transistori on puolijohdeelektroniikkalaite . _ _ Se mahdollistaa yhden signaalin kulkemisen vasteena toiselle. Se voidaan konfiguroida tai "käyttää" vahvistimena , oskillaattorina , kytkimenä tai tasasuuntaajana . Termi " transistori " lyhenteestä siirtovastus . Sitä löytyy lähes kaikista elektronisista laitteista, kuten radioista , televisioista ja tietokoneista . Yleensä ns. integroitujen piirien sisällä .

Historia

Ensimmäisen aktiivisen transistorin kopio, joka nykyään kuuluu Lucent Technologies -yritykselle.

Itävaltalais-unkarilainen fyysikko Julius Edgar Lilienfeld haki Kanadassa patenttia vuonna 1925 sille, mitä hän kutsui "menetelmäksi ja laitteistoksi sähkövirtojen ohjaamiseksi" ja jota pidetään virran kenttätransistorien edeltäjänä . olla puolijohdekorvike triodille . _ Lilienfeld haki patentteja myös Yhdysvalloissa vuosina 1926 ja 1928. Lilienfeld ei kuitenkaan julkaissut tutkimusta laitteistaan, eikä hänen patenteissaan mainita mitään konkreettisia esimerkkejä toimivasta prototyypistä . Koska korkealaatuisten puolijohdemateriaalien tuotantoa ei tuolloin ollut saatavilla, Lilienfeldin ajatukset puolijohdevahvistimista eivät löytäneet 1920- ja 1930-luvuilla käytännön käyttöä, vaikka hän oli juuri rakentanut sellaisen laitteen. ]

Vuonna 1934 saksalainen keksijä Oskar Heil patentoi samanlaisen laitteen Saksassa ja Isossa-Britanniassa Neljä vuotta myöhemmin Robert Pohl ja Rudolf Hilsch, myös saksalaiset, tekivät Göttingenin yliopistossa kolmella elektrodilla kokeita kaliumbromidikiteillä, joilla saavutettiin 1 Hz:n signaalien vahvistus, mutta heidän tutkimuksensa eivät johtaneet käyttötarkoituksiin. käytännöllinen. Samaan aikaan Bell Laboratoriesissa kuparioksidipohjaisilla tasasuuntaajilla tehdyt kokeilut ja saksalaisen Walter Schottkyn ja englantilaisen Nevill Mottin selitykset puolijohdepohjaisista tasasuuntaajista sai William Shockleyn vuonna 1938 ajattelemaan , että vahvistimien rakentaminen oli mahdollista. perustuu puolijohteisiin tyhjiöputkien sijaan. ]

17. marraskuuta 1947 23. joulukuuta 1947 amerikkalaiset fyysikot John Bardeen ja Walter Houser Brattain Bell Laboratoriesista suorittivat erilaisia ​​kokeita ja havaitsivat, että kun germaniumkiteeseen , signaali, jolla oli suurempi lähtöteho. kuin syöttötehoa tuotettiin. Solid State Physics Groupin johtaja William Shockley näki tässä potentiaalin ja työskenteli seuraavien kuukausien aikana laajentaakseen huomattavasti ymmärrystä puolijohteista. Termiä "transistori" ehdotti amerikkalainen insinööri John R. Pierce, perustuen jo tuolloin tunnettuihin puolijohdelaitteisiin, kuten termistoriin ja varistoriin , ja perustuen laitteen osoittamaan transresistanssin ominaisuuteen . John Bardeenin elämäkerran mukaan Shockley oli ehdottanut, että Bell Labsin ensimmäinen patentti transistorille perustuisi kenttäilmiöön ja että hänet nimettäisiin keksijäksi. Löytettyään uudelleen Lilienfeldin kauan unohdetut patentit, Bell Labsin lakimiehet luopuivat Shockleyn ehdotuksesta, koska ajatus kenttätransistorista ei ollut uusi. Sen sijaan Bardeenin, Brattainin ja Shockleyn vuonna 1947 keksimä ensimmäinen pistekosketustransistori, jonka ensimmäistä patenttia hakivat kaksi ensimmäistä, jotka nimettiin 17. kesäkuuta 1948, jota seurasivat muut patentit. sovelluksia tällä laitteella. Tunnustuksena tästä saavutuksesta Shockleylle, Bardeenille ja Brattainille myönnettiin yhdessä vuoden 1956 fysiikan Nobelin palkinto "puolijohteiden tutkimuksesta ja transistorivaikutuksen löytämisestä". ]

Vuonna 1948 saksalaiset fyysikot Herbert Mataré ja Heinrich Welker keksivät kontaktitransistorin itsenäisesti työskennellessään Compagnie des Freins et Signaux'ssa, amerikkalaisen Westinghousen ranskalaisessa tytäryhtiössä . Matarellä oli aikaisempaa kokemusta germanium - ja piikidetasasuuntaajien kehittämisestä työskennellessään Welkerin kanssa saksalaisten tutkakehityksessä toisen maailmansodan aikana . Tätä tietoa käyttäen hän alkoi tutkia "häiriö"-ilmiötä, jonka hän oli havainnut germanium-tasasuuntaajissa sodan aikana. Kesäkuussa 1948 Mataré tuotti johdonmukaisia ​​ja toistettavia tuloksia käyttämällä Welkerin tuottamia germaniumnäytteitä, samanlaisia ​​kuin Bardeen ja Brattain olivat saavuttaneet aiemmin joulukuussa 1947. Ymmärtäessään, että Bell Labsin tutkijat olivat keksineet transistorin jo aiemmin Heidän tavoin yhtiö ryntäsi laittamaan omansa. niin sanottu "transistron"-laite tuotantoon käytettäväksi Ranskan puhelinverkossa. 26. kesäkuuta 1948 Wiliam Shockley haki patenttia bipolaariselle liitostransistorille ja 24. elokuuta 1951 hän haki ensimmäistä patenttia kenttätransistorille, kuten tuossa asiakirjassa todettiin. , jossa sen nykyinen rakenne mainittiin. Seuraavana vuonna George Clement Dacey ja Ian Ross Bell Laboratoriesista onnistuivat valmistamaan tämän laitteen, jolle haettiin uutta patenttia 31. lokakuuta 1952. Kuukausia aiemmin, 9. toukokuuta Samana vuonna insinööri Sidney Darlington haki patenttia kahden transistorin järjestelylle, joka tunnetaan nykyään nimellä Darlington-transistori . ]

Ensimmäinen korkeataajuinen transistori oli amerikkalaisten John Tiley ja Richard Williams Philco Corporationista vuonna 1953 kehittämä germanium-pintatransistori , joka pystyy toimimaan 60  MHz :n signaaleilla . Sen tekemiseen käytettiin edellä mainittujen keksijöiden luomaa menetelmää, jossa syvennykset syövytettiin N-tyypin germaniumpohjaan molemmilta puolilta indiumsulfaattisuihkuilla , kunnes se oli noin kymmenen tuhannesosaa paksu. Syvennyksissä oleva galvanoitu indium muodosti kollektorin ja emitterin. Ensimmäisen autoradiovastaanottimen valmistivat vuonna 1955 Chrysler ja Philco; hän käytti näitä transistoreja piireissään ja ne olivat myös ensimmäiset sopivat tuon ajan nopeille tietokoneille. ]

Ensimmäisen toimivan piitransistorin kehitti Bell Laboratoriesissa tammikuussa 1954 kemisti Morris Tanenbaum. 20. kesäkuuta 1955 Tanenbaum ja Calvin Fuller hakivat patenttia keksimälleen menetelmälle puolijohdelaitteiden valmistamiseksi. Ensimmäisen kaupallisen piitransistorin valmisti Texas Instruments vuonna 1954 asiantuntijan Gordon Tealin avulla. Hän oli aiemmin työskennellyt Bell Laboratoriesissa erittäin puhtaiden kiteiden kasvattamisessa. Ensimmäisen MOSFET - transistorin rakensivat korea-amerikkalainen Dawon Kahng ja egyptiläinen Martin Atalla, molemmat Bell Labsin insinöörit, vuonna 1960. ]

Operaatio

Transistori koostuu kolmesta keinotekoisesti seostetusta osasta (joita on tiettyjen määrien tiettyjen materiaalien saastuttama), jotka muodostavat kaksi bipolaarista liitosta: emitteri, joka lähettää kantoaaltoja , kollektori, joka vastaanottaa tai kerää ne, ja kolmas, joka on kahden ensimmäisen välissä, moduloi. mainittujen kantajien (pohjan) kulku. Venttiileistä poiketen transistori on virtaohjattu laite ja josta saadaan vahvistettu virta. Piirisuunnittelussa transistoreja pidetään aktiivisena elementtinä, toisin kuin vastukset , kondensaattorit ja induktorit , jotka ovat passiivisia elementtejä. ]

Yksinkertaistetusti kollektorin läpi kiertävä virta on emitteriin syötetyn virran vahvistettu funktio , mutta transistori säätää vain itsensä läpi kiertävää virtaa, jos kantaa syötetään tasavirtalähteestä . lataus keräimen läpi käytetyn piirin tyypistä riippuen. Kollektorivirran ja kantavirran välillä saavutettua vahvistusta tai vahvistuskerrointa kutsutaan transistorin beetaksi. Muita huomioitavia parametreja, jotka ovat erityisiä kullekin transistorityypille, ovat: Emitter Collector, Emitter Base, Base Collectorin läpilyöntijännitteet, Maksimiteho, lämmön hajaantuminen, toimintataajuus ja useita taulukoita, joissa on eri parametrit, kuten kantavirta, emitteri Keräimen jännite, Emitterin perusjännite, Emitterin virta jne. Transistorien analogisen käytön kolme perustyyppiä (konfiguraatiota) ovat yhteinen emitteri, yhteinen kollektori ja yhteinen kanta.

Myöhemmissä kuvatuissa transistorin malleissa bipolaaritransistori (FET, MOSFET, JFET, CMOS, VMOS-transistorit jne.) ei käytä perusliittimeen ruiskutettua virtaa emitterin tai kollektorin virran moduloimiseen, vaan pikemminkin olemassa olevaa jännitettä. porttiliittimessä ja skaalaa kanavan johtavuuden Source- ja Drain-liittimien välillä. Kun johtokyky on nolla ja kanavaa kuristetaan, portin ja lähteen välissä olevan jännitteen vuoksi kanavassa oleva sähkökenttä on vastuussa elektronien ohjaamisesta lähteestä viemäriin. Tällä tavalla poistoon (D) kytketyn kuorman lähtövirta on hilan ja lähteen välillä olevan jännitteen vahvistettu funktio, analogisesti triodin toiminnan kanssa .

Kenttätransistorit ovat mahdollistaneet laajamittaisen integroinnin, joka on saatavilla nykyään; Karkean käsityksen saamiseksi voidaan valmistaa useita satoja tuhansia toisiinsa kytkettyjä transistoreita neliösenttimetriä kohti ja useissa päällekkäisissä kerroksissa.

Transistorityypit

Erilaiset transistoripaketit .

Pistekontaktitransistori

Sitä kutsutaan myös kontaktikärkitransistoriksi, ja se oli ensimmäinen vahvistuskykyinen transistori, jonka John Bardeen ja Walter Brattain keksivät vuonna 1947. Se koostuu germaniumpohjasta, puolijohteesta, joka on tuolloin paremmin tunnettu kuin kupari - kuparioksidiyhdistelmä , johon on tuettu kaksi metallipistettä, jotka muodostavat emitterin ja kollektorin, hyvin lähellä toisiaan. Kantavirta pystyy moduloimaan kollektorissa "näkevää" vastusta, tästä syystä nimi siirtovastus . Se perustuu pintavaikutuksiin, joita ei tunneta nykyaikanaan. Se on vaikea valmistaa (piikit kiristettiin käsin), hauras (yksi isku voi irrottaa piikit) ja meluisa. Se kuitenkin esiintyi rinnakkain liitostransistorin kanssa suuremman kaistanleveyden vuoksi. Nyt se on kadonnut.

Bipolaaritransistori

NPN-transistorikaavio.

Bipolaarinen liitostransistori (tai BJT ) on valmistettu yksikiteestä puolijohdemateriaalista , kuten germaniumista, piistä tai galliumarsenidista , jonka ominaisuudet ovat sähköjohtimen ja eristimen ominaisuuksien välissä. Kolme peräkkäistä vyöhykettä, NPN tai PNP, kontaminoituu lasisubstraatilla erittäin kontrolloidusti, mikä aiheuttaa kaksi PN-liitosta .

N-vyöhykkeet (joilla on runsaasti negatiivisia N - varauksenkantajia ) saadaan saastuttamalla substraatti elektroneja luovuttavien alkuaineiden atomeilla , kuten arseenilla tai fosforilla ; kun taas P-vyöhykkeet (joissa syntyy positiivisia varauksenkuljettajia tai "reikiä" ) saavutetaan kontaminoimalla elektroneja vastaanottavilla atomeilla, kuten indiumilla , alumiinilla tai galliumilla .

Kolme kontaminoitunutta aluetta johtavat PNP- tai NPN-transistoreihin, joissa keskimmäinen kirjain vastaa aina kanta-aluetta ja kaksi muuta emitteriä ja kollektoria, jotka vaikka ovatkin samaa tyyppiä ja niillä on päinvastainen etumerkki kantaan nähden, niiden välillä on erilainen kontaminaatio (yleensä emitteri on paljon saastuneempi kuin keräin).

Puolijohteiden käyttäytymistä kuvaava mekanismi riippuu näistä kontaminaatioista, niihin liittyvästä geometriasta ja kontaminaatiotekniikan tyypistä (kaasudiffuusio, epitaksiaalinen jne.) ja liitoksen kvanttikäyttäytymisestä.

Kenttäefektitransistori

-JFET-transistorin symboli, jossa on ilmoitettu: tyhjennys, lähde ja portti.

Liitoskenttätransistori (JFET) oli ensimmäinen käytännössä kenttätransistori. Se on muodostettu N-tyypin tai P-tyypin piipuolijohdemateriaalista olevasta tangosta, jonka napoihin muodostetaan ohminen kontakti, joten meillä on perusmuodoltaan N-tyyppinen kenttätransistori. Jos kaksi aluetta P diffundoituu materiaalin N sauvaksi ja ovat ulkoisesti liitetty toisiinsa, tuloksena on portti. Kutsumme yhtä näistä kontakteista lähteeksi ja toista viemäriksi. Kytkemällä positiivinen jännite nielun ja lähteen välille ja yhdistämällä portti lähteeseen, muodostamme virran, jota kutsumme nieluvirraksi nollabiasilla. Negatiivinen hilapotentiaali, jota kutsumme kuristusjännitteeksi, kanavassa lakkaa.

Kenttäefektitransistori tai FET sen lyhenteestä englanniksi, joka ohjaa virtaa jännitteen perusteella; Niissä on korkea tuloimpedanssi .

• Liitoskenttätransistori, JFET , rakennettu käyttämällä PN-liitosta.
• Eristetty hilakenttätransistori, IGFET, jossa hila on eristetty kanavasta dielektrisellä .
• MOS Field Effect Transistor, MOSFET , jossa MOS tarkoittaa Metal-Oxide-Semiconductoria, tässä tapauksessa hila on metallinen ja erotetaan puolijohdekanavasta oksidikerroksella .

Valotransistori

Fototransistorikaavio.

Fototransistorit ovat herkkiä sähkömagneettiselle säteilylle taajuuksilla, jotka ovat lähellä näkyvän valon taajuuksia; Tästä johtuen sen virtaa voidaan säätää tulevan valon avulla. Valotransistori on pohjimmiltaan sama kuin normaali transistori, vain se voi toimia kahdella eri tavalla:

• Kuten normaali transistori kantavirralla (IB) (yhteinen tila);
• Valotransistorina, kun tähän elementtiin osuva valo toimii kantavirtana. (IP) (valotila).

Transistorit ja tehoelektroniikka

Elektroniikan teknologisen kehityksen ja evoluution myötä puolijohdelaitteiden kyky kestää yhä korkeampia jännite- ja virtatasoja on mahdollistanut niiden käytön tehosovelluksissa. Näin transistoreja käytetään tällä hetkellä staattisissa tehomuuntimissa , moottoreiden ohjaimissa ja suuritehoisissa näppäimissä (pääasiassa inverttereissä), vaikka niiden pääasiallinen käyttö perustuu virran vahvistamiseen suljetussa piirissä.

Rakentaminen

Puolijohtava materiaali

Puolijohdemateriaalin ominaisuudet

puolijohdemateriaalia _	Myötäkytkentäjännite V @ 25 °C	Elektronien liikkuvuus m²/(V s) @ 25 °C	Tyhjä liikkuvuus m²/(V s) @ 25 °C	Liitoksen maksimilämpötila ° C
Ge	0,27	0,39	0.19	70-100
Joo	0,71	0.14	0,05	150-200
GaAs	1.03	0,85	0,05	150-200
Al-Si	0.3	—	—	150-200

Ensimmäiset kaksinapaiset liitostransistorit valmistettiin germaniumista (Ge). Pii (Si) -transistorit ovat tällä hetkellä vallitsevia, mutta tietyt tehokkaat ja kehittyneet mikroaaltouuniversiot käyttävät nyt puolijohtavaa galliumarsenidiyhdistettä (GaAs) ja puolijohtavaa pii-germanium-seosta (SiGe). Yhteen alkuaineeseen (Ge ja Si) perustuva puolijohdemateriaali kuvataan alkuaineeksi.

Yleisimpien transistorien valmistukseen käytettyjen puolijohdemateriaalien raakaparametrit on annettu oheisessa taulukossa; nämä parametrit vaihtelevat lämpötilan, sähkökentän, epäpuhtauksien tason, jännitteen ja monien muiden tekijöiden mukaan.

Myötäsuuntainen liitosjännite on jännite, joka syötetään bipolaarisen liitostransistorin emitteri-kantaliitokseen, jotta kanta saadaan johtamaan määrättyä virtaa. Virta kasvaa eksponentiaalisesti, kun lähtöjännite liitoksen yli kasvaa. Taulukossa ilmoitetut arvot ovat tyypillisiä 1 mA:n virralle (samat arvot pätevät puolijohdediodeihin). Mitä pienempi eteenpäin suunnatun liitoksen jännite, sitä parempi, koska tämä tarkoittaa, että transistorin käynnistämiseen tarvitaan vähemmän energiaa. Tietyn virran myötäkytkentäjännite pienenee lämpötilan noustessa. Tyypillisellä piiliitoksella muutos on –2,1 mV/°C. Joissakin piireissä on käytettävä erityisiä kompensoivia elementtejä (antureita) tällaisten muutosten kompensoimiseksi.

Liikkuvien kantoaaltojen tiheys MOSFETin kanavassa on kanavan muodostavan sähkökentän ja useiden muiden ilmiöiden, kuten kanavan epäpuhtauksien määrän, funktio. Jotkut epäpuhtaudet, joita kutsutaan lisäaineiksi, lisätään tarkoituksella MOSFETin valmistukseen sen sähköisen käyttäytymisen säätelemiseksi.

Taulukon elektronien liikkuvuuden ja aukkojen liikkuvuuden sarakkeet osoittavat keskimääräisen nopeuden, jolla elektronit ja aukot diffundoituvat puolijohdemateriaalin läpi materiaalin läpi kohdistetulla sähkökentällä 1 voltti metriä kohti. Yleensä mitä suurempi elektronien liikkuvuus, sitä nopeammin transistori voi toimia. Taulukosta käy ilmi, että germanium on tässä suhteessa parempi materiaali kuin pii. Germaniumilla on kuitenkin neljä suurta puutetta pii- ja galliumarsenidiin verrattuna:

1. Sen enimmäislämpötila on rajoitettu.
2. Sillä on suhteellisen korkea vuotovirta.
3. Se ei kestä suuria rasituksia.
4. Se soveltuu vähemmän integroitujen piirien valmistukseen.

Koska elektronien liikkuvuus on suurempi kuin kaikkien puolijohdemateriaalien aukkojen liikkuvuus, tietty npn-kaksinapainen transistori on yleensä nopeampi kuin vastaava pnp-transistori. Galliumarsenidilla on korkein elektronien liikkuvuusarvo kolmesta puolijohteesta. Tästä syystä sitä käytetään korkeataajuisissa sovelluksissa. Suhteellisen hiljattain kehitetyllä FET-transistorilla, korkean elektronin liikkuvuuden transistorilla (HEMT), on galliumarsenidi-alumiini (AlGaAs)-galliumarsenidi (GaAs) heterorakenne (liitos eri puolijohdemateriaalien välillä), jolla on kaksi kertaa suurempi elektronien liikkuvuus kuin GaAs:lla. -metallinen esteliitos. Suuren nopeudensa ja alhaisen melutasonsa ansiosta HEMT:itä käytetään satelliittivastaanottimissa, jotka toimivat noin 12 GHz:n taajuuksilla. Galliumnitridiin ja alumiinigalliumnitridiin (AlGaN/GaN HEMT) perustuvat HEMT:t tarjoavat entistä suuremman elektronin liikkuvuuden ja niitä kehitetään erilaisiin sovelluksiin. .

Suurin liitoslämpötilan arvo -sarakkeen arvot on otettu eri valmistajien tietolehdistä. Tätä lämpötilaa ei saa ylittää tai transistori voi vaurioitua.

Taulukon Al-Si-rivin tiedot viittaavat nopeisiin metalli-puolijohde- (alumiini-pii) -sulkudiodeihin, jotka tunnetaan yleisesti nimellä Schottky-diode . Tämä sisältyy taulukkoon, koska joissakin piiteho-IGFET-transistoreissa on "loismainen" käänteinen Schottky-diodi, joka on muodostettu lähteen ja nielun väliin osana valmistusprosessia. Tämä diodi voi olla haitallinen, mutta sitä käytetään joskus piirissä, johon se kuuluu.

Bipolaarinen transistori vahvistimena

Transistorin käyttäytyminen voidaan nähdä kahtena diodina ( Ebers-Moll-malli ), joista toinen on kannan ja emitterin välissä, eteenpäin esijännitetty ja toinen diodi kannan ja kollektorin välillä, käänteinen esijännite. Tämä tarkoittaa, että kannan ja emitterin välillä meillä on jännite, joka on yhtä suuri kuin diodin tasajännite, eli 0,6 - 0,8  V piitransistorille ja noin 0,4 germaniumille.

Mielenkiintoinen asia laitteessa on, että kollektorissa meillä on kantavirtaan verrannollinen virta: I _C = β I _B eli virran vahvistus, kun β>1. Normaaleissa signaalitransistoreissa β vaihtelee välillä 100 ja 300. Transistorivahvistimella on kolme konfiguraatiota: yhteinen emitteri, yhteinen kanta ja yhteinen kollektori.

Yleinen liikkeeseenlaskija

yhteinen liikkeeseenlaskija.

Signaali syötetään transistorin kantaan ja kollektori erottaa sen. Lähetin on kytketty maapisteeseen (maahan), joka on yhteinen sekä tulo- että lähtösignaalille. Tässä kokoonpanossa on sekä jännitteen että virran vahvistus. Asteen stabiloinnin saavuttamiseksi ennen signaalin vaihteluita on käytettävissä emitteriresistanssi (RE ₎ ja matalilla taajuuksilla lähtöimpedanssi lähestyy arvoa R _C . Jännitteen vahvistus ilmaistaan:

$G_{V}=-{\frac {R_{C}}{R_{E}}}$

Negatiivinen etumerkki osoittaa, että lähtösignaali on käänteinen suhteessa tulosignaaliin.

Jos emitteri on kytketty suoraan maahan, vahvistus ilmaistaan ​​seuraavasti:

$G_{V}=-{\frac {R_{C}}{R_{e}}}$

Koska kanta on kytketty emitteriin myötäjännitteisellä diodilla, niiden välillä voidaan olettaa, että on vakiojännite, ns. ja että vahvistuksen (β) arvo on vakio. Oheisesta kaaviosta seuraa, että emitterin jännite on: $V_{BE}$

$V_{E}=V_{B}-V_{BE}$

Ja emitterin virta:

$I_{E}={\frac {V_{E}}{R_{E}}}={\frac {V_{B}-V_{BE}}{R_{E}}}$.

Emitterin virta on yhtä suuri kuin kollektorivirta plus kantavirta:

${\begin{aligned}I_{E}&=I_{C}+I_{B}\\&=I_{C}+{\frac {I_{C}}{\beta }}\\& =I_{C}\left(1+{\frac {1}{\beta }}\right)\\\end{aligned}}$

Keräimen virran tyhjennys:

$I_{C}={\frac {I_{E}}{1+{\frac {1}{\beta }}}}$

Lähtöjännite, joka on kollektorin jännite, lasketaan seuraavasti:

${\begin{aligned}V_{C}&=V_{CC}-I_{C}R_{C}\\&=V_{CC}-R_{C}*{\frac {I_{E} }{1+\displaystyle {\frac {1}{\beta }}}}\end{aligned}}$

Koska β >> 1, se voidaan arvioida:

$1+{\frac {1}{\beta }}=1$

ja sitten on mahdollista laskea kollektorin jännite seuraavasti:

${\begin{aligned}V_{C}&=V_{CC}-R_{C}I_{E}\\&=V_{CC}-R_{C}*{\bigg (}{\frac {V_{B}-V_{BE}}{R_{E}}}{\bigg )}\\&={\bigg (}V_{CC}+R_{C}{\frac {V_{BE}} {R_{E}}}{\bigg )}-R_{C}{\frac {V_{B}}{R_{E}}}\end{aligned}}$

Suluissa oleva osa on vakio (se ei riipu tulosignaalista), ja loput ilmaisevat lähtösignaalin. Negatiivinen etumerkki osoittaa, että lähtösignaali on 180° epävaiheessa tulosignaaliin nähden.

Lopuksi voitto ilmaistaan ​​seuraavasti:

${\begin{aligned}G_{V}&={\frac {V_{C}}{V_{B}}}\\&=-{\frac {R_{C}}{R_{E} }}\end{aligned}}$

Tulovirta, , voidaan ilmaista seuraavasti: $I_{B}={\frac {I_{E}}{1+\beta }}$$\beta >>1$

${\begin{aligned}I_{B}&={\frac {I_{E}}{\beta }}\\&={\frac {V_{E}}{R_{E}\beta } }\\&={\frac {V_{B}-V_{BE}}{R_{E}\beta }}\end{aligned}}$

Olettaen , että voimme kirjoittaa: $V_{B}>>V_{BE}$

$I_{B}={\frac {V_{B}}{R_{E}\beta }}$

Jakamalla kannan jännite ja virta, tuloimpedanssi tai vastus on seuraava:

${\begin{aligned}Z_{in}&={\frac {V_{B}}{I_{B}}}\\&={\frac {V_{B}}{\displaystyle {\frac {V_{B}}{R_{E}\beta }}}}\\&=R_{E}\beta \end{aligned}}$

Taajuuden vaikutuksen huomioon ottamiseksi on käytettävä monimutkaisempia transistorimalleja. On hyvin yleistä käyttää mallia pi:ssä.

Yksivaiheinen suunnittelu yhteisessä emitterikonfiguraatiossa

Transistorin kuormituslinja yhteisessä emitterikonfiguraatiossa.

Yhteinen emitterivahvistin.

lastilinja

Tämä suora on piirretty valmistajan toimittamille transistorin ominaiskäyrille. Pisteet sen piirtämiseen ovat: ja virtalähteen jännite$Ic={\frac {Vcc}{Rc+Re}}$$Vcc$

Sen päissä havaitaan katkaisu- ja kyllästysvyöhykkeet, jotka ovat hyödyllisiä, kun transistori toimii kytkimenä. Se vaihtaa molempien tilojen välillä kannan polarisaation mukaan.

Q -pisteen valinta on perustavanlaatuinen oikean polarisaation kannalta. Laajennettu kriteeri on ottaa käyttöön , jos piirissä ei ole . Jos lasketaan tarkasteltavan piirin tapaukseksi, arvo mitataan kollektorista maahan. $Vce={\frac {Vcc}{2}}$$Re$$Re$$Vce$

Q-piste pysyy staattisena niin kauan kuin transistorin kanta ei vastaanota signaalia.

Harjoittele

Jatkamme arvojen määrittämistä$Rc(R3),Re(R4),R1,R2,Zin,Zo\,y\Gv$

Tiedot:$Vcc=20V,Icq=10mA,Vceq=8V,\beta =100$

$V_{E}={\frac {1}{10}}V_{CC}={\frac {1}{10}}20=2V$

$\mathbf {\mathbb {R} }​​E}={\frac {V_{E}}{I_{E}}}\approxeq {\frac {V_{E}}{I_{C}} }={\frac {2V}{10mA}}=200\Omega$

Tätä likiarvoa tuetaan, koska$\beta \gg 10$

$\mathbf {\mathbb {R} }{C}={\frac {V_{RC}}{I_{C}}}={\frac {V_{CC}-V_{CE}-V_{ E }}{I_{C}}}={\frac {20V-8V-2V}{10mA}}=1K\Omega$

$V_{B}=V_{BE}+V_{E}=0,7V+2V=2,7V$

Jotta piiri toimisi hyötysuhdealueella, jännitteenjakajan y läpi kulkevan virran on oltava paljon suurempi kuin perusvirta; ainakin suhteessa 10:1 $R_{1}$$R_{2}$

$\mathbf {\mathbb {R} } 2\leq {\frac {1}{10}}\beta {R_{E}}={\frac {1}{10}}(100)(0,2K \Omega )=2k\Omega$

$V_{B}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}V_{CC}$käyttämällä yllä saatua arvoa$V_{B}$

$V_{B}=2.7V={\frac {(2k\Omega )(20V)}{R_{1}+2k\Omega }}$ $\quad \therefore \quad$ $\mathbf {\mathbb {R} } 1={\frac {(2k\Omega )(20V)}{2.7V}}-(2k\Omega )=12.8k\Omega$

Diodin dynaaminen resistanssi emitteriliitoksessa lasketaan ottamalla sen yli olevan lämpöjännitteen arvo, ja se saadaan seuraavasti:$r_{e}$$r_{e}={\frac {V_{T}}{I_{E}}}\approxeq {\frac {V_{T}}{I_{C}}}={\frac {26mV}{ 10mA}}=2,6\Omega$

Tällä arvolla siirrymme vaiheen jännitevahvistuksen laskemiseen;$G_{V}=-{\frac {R_{C}}{r_{e}}}=-{\frac {1K\Omega }{2.6\Omega }}=-385$

Sitä ei oteta huomioon, koska lähetin on maanpinnan tasolla signaalille , joka kaaviossa on esitetty muodossa ; sitten lähtöimpedanssi ottaa arvon jos transistorilla ei ole kuormaa. Jos kuorma otetaan huomioon , se määritetään ottamalla huomioon , että sillä on arvo ,$R_{E}$$C_{E}$$C_{3}$$Z_{O}$$R_{C}$$R_{L}$$Z_{O}$$\mathbf {\mathbb {Z} }{O}={\frac {1}{{\frac {1}{R_{C}}}+{\frac {1}{R_{L}} } }}$$R_{L}$$5K\Omega$$\mathbf {\mathbb {Z} }{O}={\frac {1}{{\frac {1}{1K\Omega }}+{\frac {1}{5K\Omega }}} } =830\Omega$

Kun otetaan huomioon , jännitteen vahvistusta muutetaan:$R_{L}$$G_{V}=-{\frac {830\Omega }{2.6\Omega }}=-319$

Tuloimpedanssi transistorin kannassa esimerkissä on annettu$Z_{b}=r_{e}\beta =(2.6)(100)=260\Omega$

Kun vaiheen tuloimpedanssi määritetään:$\mathbf {\mathbb {Z} }{i}={\frac {1}{{\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}} } +{\frac {1}{Z_{b}}}}={\frac {1}{{\frac {1}{12.8k\Omega }}+{\frac {1}{2k\Omega } } +{\frac {1}{260\Omega }}}}=226\Omega$

Kondensaattorien reaktanssia ei ole huomioitu laskelmissa, koska ne on valittu kapasiteetilla, joka vastaa niiden reaktanssia käytetyillä signaalitaajuuksilla. $X_{C}\rightarrow 0$

Yhteinen kanta

yhteinen perusta.

Signaali syötetään transistorin emitteriin ja kollektori erottaa sen. Tukiasema on kytketty sekä tulo- että lähtösignaalien maahan. Tässä kokoonpanossa on vain jännitteen vahvistus. Tuloimpedanssi on pieni ja virran vahvistus on hieman pienempi kuin yksi, koska osa emitterivirrasta lähtee kannasta. Jos lisäämme emitterivastuksen, joka voi olla signaalilähteen oma lähtöimpedanssi, samanlainen analyysi kuin tavallisessa emitteritapauksessa saa aikaan likimääräisen vahvistuksen:

${\displaystyle G_{V}={\frac {R_{C}}{R_{E}}}}$

Yhteistä kantaa käytetään usein sovittamaan matalan lähtöimpedanssin signaalilähteitä, kuten dynaamisia mikrofoneja.

Yhteinen keräilijä

yhteinen keräilijä.

Signaali syötetään transistorin kantaan ja emitteri erottaa sen. Kerääjä on kytketty sekä tulo- että lähtösignaalien maadoitusihin. Tässä kokoonpanossa on virran vahvistus, mutta ei jännitevahvistusta, joka on hieman pienempi kuin yksikkö. Tuloimpedanssi on korkea, noin β+1 kertaa kuormitusimpedanssi. Myös lähtöimpedanssi on pieni, noin β kertaa pienempi kuin signaalilähteen.

Bipolaarinen transistori vs. terminen venttiili

Ennen transistorin ilmestymistä käytettiin termoventtiilejä. Venttiileillä on samanlaiset sähköiset ominaisuudet kuin kenttätransistoreilla (FET): niiden läpi kulkeva virta riippuu verkkoksi kutsutun liittimen jännitteestä. Syitä, miksi transistori korvasi termoventtiilin, on useita:

• Venttiilit vaativat erittäin korkeita, satojen volttien luokkaa olevia jännitteitä, jotka ovat vaarallisia ihmisille.
• Venttiilit kuluttavat paljon virtaa, mikä tekee niistä erityisen käyttökelvottomia akkukäytössä.
• Paino: Venttiilien ja niiden toimintaan tarvittavien muuntajien sijoittamiseen tarvittava runko muodosti huomattavan painon, joka vaihteli muutamasta kilosta kymmeniin kiloihin.
• Termionisten venttiilien vikojen välinen keskimääräinen aika, joka on hyvin lyhyt verrattuna transistoreihin, pääasiassa syntyvän lämmön vuoksi.
• Käynnistysviive: Venttiileillä on tietty viive käynnistyessään, koska niiden on oltava kuumia johtavuuden aikaansaamiseksi.
• Mikrofoninen vaikutus: Hyvin yleinen venttiileissä toisin kuin transistoreissa, jotka ovat luonnostaan ​​herkkiä sille.
• Koko: Transistorit ovat pienempiä kuin venttiilit. Vaikka tästä asiasta ollaan yksimielisiä, on syytä tehdä yksi varoitus: teholaitteissa on oltava jäähdytyselementti, joten huomioitava koko on laitteen (venttiili tai transistori) plus jäähdytyselementin koko. Koska venttiilit voivat toimia korkeammissa lämpötiloissa, jäähdytyselementin hyötysuhde on suurempi venttiileillä kuin transistoreilla, joten paljon pienempi jäähdytyselementti riittää.
• Transistorit toimivat pienillä impedansseilla, eli matalilla jännitteillä ja suurilla virroilla; venttiileillä on korkea impedanssi ja siksi ne toimivat suurilla jännitteillä ja pienillä virroilla.
• Kustannukset: Transistorit maksavat vähemmän kuin putket alkuperäisestä julkaisustaan, ja valmistajat lupasivat, että niiden kustannukset laskevat edelleen (kuten se laski) riittävän tutkimuksen ja kehityksen myötä.

Esimerkkinä kaikista näistä haitoista voidaan mainita ensimmäinen digitaalinen tietokone, nimeltään ENIAC , joka painoi yli kolmekymmentä tonnia ja kulutti 200 kilowattia, mikä riittää pieneen kaupunkiin, koska sen noin 18 000 venttiiliä, joista osa poltettiin joka kerta. päivä, mikä vaatii merkittävää logistiikkaa ja organisaatiota, jotta tämä tiimi pysyy käynnissä.

Bipolaarinen transistori korvasi lämpöventtiilin asteittain 1950-luvulla, mutta ei kokonaan. Itse asiassa 1960- luvulla jotkut valmistajat jatkoivat termionisten venttiilien käyttöä huippuluokan radiolaitteissa, kuten Collins ja Drake; sitten transistori syrjäytti venttiilin lähettimissä, mutta ei kokonaan radiotaajuusvahvistimissa. Muut sähköisten soittimien valmistajat, kuten Fender, jatkoivat putkien käyttöä sähkökitaroiden äänenvahvistimissaan. Syitä termionisten venttiilien säilymiseen on useita:

• Epälineaarisuus: Transistorilla ei ole termionisen venttiilin suuritehoisia lineaarisuusominaisuuksia, joten se voidaan vaihtaa ammatti- ja amatööriradiovahvistimiin vasta useita vuosia myöhemmin. ^{[ lainaus tarvitaan ]}
• Harmonisten signaalien luominen: Putkien epälineaarisuuden tuomat harmoniset signaalit miellyttävät ihmiskorvaa, kuten psykoakustiikka osoittaa , minkä vuoksi audiofiilit suosivat niitä .
• Herkkyys ydinräjähdyksille: Transistori on erittäin herkkä ydinräjähdysten sähkömagneettisille vaikutuksille, minkä vuoksi termioniventtiilejä käytettiin edelleen joissakin Neuvostoliiton valmistamien hävittäjälentokoneiden ohjaus- ja komentojärjestelmissä. ^{[ lainaus tarvitaan ]}
• Suurten tehojen käsittely: Venttiilit pystyvät käsittelemään erittäin suuria tehoja, toisin kuin ensimmäisten transistoreiden käsittelemä; Kuitenkin vuosien mittaan kehitettiin tehoasteita, joissa oli useita rinnakkain transistoreita, jotka pystyivät käsittelemään suurempia tehoja.

Katso myös: Termioniventtiili ja bipolaarinen transistori .

Katso myös

• transistorin historia
• poistettu
• Puolijohde
• metalliseos transistori
• ohutkalvotransistori
• Bipolaarinen liitostransistori
• IGBT transistori
• Unijunction-transistori
• termioninen venttiili
• tietolomake

Bibliografia

1. Alley-Atwood. Elektroniikkatekniikka . ISBN 968-18-0967-X
2. Boylestad-Nashelsky. Elektroniikka. Piiri teoria . ISBN 968-880-347-2

Ulkoiset linkit

• Wikimedia Commonsissa on medialuokka Transistorille .
• Wikisanakirjassa on määritelmiä ja muuta tietoa transistoreista .

• Transistorit vs. putket korkealaatuisiin äänisovelluksiin – Solidyne-yhtiön perustaja ja Audio Engineering Societyn (AES) jäsen Oscar Bonello ehdottaa mahdollista tulkintaa yhden tai toisen tekniikan harrastajien välisestä kilpailusta.
• Kuinka transistorit todella toimivat Alkuperäinen englanninkielinen versio