Un element radio-electronic realizat din material semiconductor creează, amplifică și modifică impulsurile în circuitele și sistemele integrate pentru stocarea, prelucrarea și transmiterea de informații utilizând un semnal de intrare. Un tranzistor este o rezistență a cărei funcție este reglată de tensiunea dintre emitor și bază sau dintre sursă și poartă, în funcție de tipul de modul.
Cuprins
Tipuri de tranzistori
Tranzistoarele sunt utilizate pe scară largă în fabricarea circuitelor digitale și analogice pentru a anula curentul static de consum și pentru a obține o liniaritate îmbunătățită. Tipurile de tranzistoare diferă prin faptul că unele sunt controlate de o schimbare de tensiune, în timp ce altele sunt controlate de o variație a curentului.
Tranzistoarele cu efect de câmp funcționează la o rezistență mai mare la curent continuu, transformarea la o frecvență ridicată nu crește costul energiei. În termeni simpli, ceea ce este un tranzistor este un modul cu o margine de câștig ridicat. Această caracteristică este mai mare pentru tipurile de câmp decât pentru tipurile bipolare. Primele nu au disipare de purtători de sarcină, ceea ce accelerează funcționarea.
Semiconductorii de câmp sunt utilizați mai des datorită avantajelor față de tipurile bipolare:
- Impedanță de intrare puternică la curent continuu și frecvență înaltă, ceea ce reduce pierderea de putere pentru control;
- Nu există acumularea de electroni neesențiali, ceea ce accelerează funcționarea tranzistorului;
- transportul de particule mobile;
- stabilitate în timpul fluctuațiilor de temperatură;
- Zgomot redus din cauza lipsei de injecție;
- Consum redus de energie în timpul funcționării.
Tipurile de tranzistori și proprietățile acestora definesc scopul. Încălzirea unui tranzistor de tip bipolar crește curentul de-a lungul traseului de la colector la emitor. Acestea au un coeficient de rezistență negativ, iar purtătorii în mișcare curg de la emitor la colector. Baza subțire este separată de joncțiuni p-n și curentul apare numai atunci când particulele în mișcare se acumulează și le injectează în bază. O parte dintre purtătorii de sarcină sunt captați de joncțiunea p-n adiacentă și accelerați, acesta fiind modul în care sunt proiectate tranzistoarele.
Tranzistoarele cu efect de câmp au un alt tip de avantaj care trebuie menționat pentru cei mai slabi. Acestea sunt conectate în paralel, fără egalizare de rezistență. Rezistențele nu sunt utilizate în acest scop, deoarece valoarea crește automat odată cu modificarea sarcinii. Pentru a obține o valoare ridicată a curentului de comutare, se recrutează un complex de module, care este utilizat în invertoare sau în alte dispozitive.
Un tranzistor bipolar nu trebuie să fie conectat în paralel, determinarea parametrilor funcționali duce la detectarea unei defecțiuni termice de natură ireversibilă. Aceste proprietăți sunt legate de calitățile tehnice ale canalelor p-n simple. Modulele sunt conectate în paralel cu ajutorul unor rezistențe pentru a egaliza curentul din circuitele emițătoare. În funcție de caracteristicile funcționale și de particularitățile individuale, o clasificare a tranzistoarelor este alcătuită din tipuri bipolare și cu efect de câmp.
Tranzistoare bipolare
Proiectele bipolare sunt fabricate ca dispozitive semiconductoare cu trei conductori. În fiecare dintre electrozi, există straturi cu conductivitate p a găurilor sau cu conductivitate n a impurităților. Alegerea aranjamentului straturilor determină eliberarea dispozitivelor de tip p-n-p sau n-p-n. Atunci când dispozitivul este pornit, diferite tipuri de sarcini sunt purtate de găuri și electroni în același timp, fiind implicate 2 tipuri de particule.
Purtătorii sunt transportați printr-un mecanism de difuzie. Atomii și moleculele unei substanțe pătrund în rețeaua intermoleculară a materialului adiacent, iar concentrația lor se stabilizează în tot volumul. Transferul are loc dinspre zonele cu densitate mare către zonele cu densitate mică.
Electronii se propagă, de asemenea, sub acțiunea câmpului de forță din jurul particulelor atunci când aditivii de aliere sunt încorporați în mod neuniform în masa de bază. Pentru a accelera acțiunea dispozitivului, electrodul conectat la stratul mijlociu este subțire. Conductorii de margine se numesc emițător și colector. Caracteristica de tensiune inversă a joncțiunii nu este importantă.
Tranzistoare cu efect de câmp
Un tranzistor cu efect de câmp controlează o rezistență prin intermediul unui câmp electric transversal care provine dintr-o tensiune aplicată. Locul din care electronii se deplasează în canal se numește sursă, iar drenajul arată ca punctul final de intrare a sarcinilor. Tensiunea de control trece printr-un conductor numit poartă. Dispozitivele sunt împărțite în 2 tipuri:
- joncțiunea p-n;
- Tranzistoare TIR cu poartă izolată.
Primul tip conține o plachetă semiconductoare care este conectată la circuitul controlat prin electrozi pe laturi opuse (drenaj și sursă). Un alt tip de conductivitate apare după ce placa este conectată la poartă. O sursă de polarizare de curent continuu introdusă în circuitul de intrare produce o tensiune de blocare la joncțiune.
Sursa impulsului amplificat se află, de asemenea, în circuitul de intrare. După ce tensiunea de intrare se modifică, cifra corespunzătoare la joncțiunea p-n se transformă. Se modifică grosimea stratului și suprafața secțiunii transversale a joncțiunii canalului din cristal care permite fluxul de electroni încărcați. Lățimea canalului depinde de spațiul dintre regiunea de epuizare (sub poartă) și substrat. Curentul de control în punctele de început și de sfârșit este controlat prin modificarea lățimii regiunii de epuizare.
Tranzistorul TIR se caracterizează prin faptul că poarta este separată de stratul de canal printr-un izolator. În cristalul semiconductor, numit substrat, se creează situsuri dopate cu semn opus. Conductorii - drena și sursa - sunt montați pe ele, cu un dielectric între ele la o distanță mai mică de un micron. Un electrod metalic - poarta - este plasat pe izolator. Din cauza structurii rezultate, care conține metal, strat dielectric și semiconductor, tranzistoarele primesc abrevierea TIR.
Proiectare și operare pentru începători
Tehnologia funcționează nu numai cu o încărcătură de electricitate, ci și cu un câmp magnetic, cuante de lumină și fotoni. Principiul de funcționare al unui tranzistor constă în stările între care dispozitivul comută. Semnalul opus mic și mare, starea deschisă și închisă - aceasta este funcționarea dublă a dispozitivelor.
Împreună cu materialul semiconductor din compoziția sa, utilizat sub forma unui singur cristal dopat în unele locuri, tranzistorul are în designul său:
- cabluri metalice;
- izolatori dielectrici;
- Carcasa tranzistorului din sticlă, metal, plastic, ceramică metalică.
Înainte de inventarea dispozitivelor bipolare sau polare, tuburile electronice cu vid erau folosite ca elemente active. Circuitele dezvoltate pentru acestea sunt, după modificare, utilizate la fabricarea de dispozitive semiconductoare. Acestea ar putea fi conectate ca un tranzistor și aplicate, deoarece multe dintre caracteristicile funcționale ale tuburilor cu vid sunt adecvate atunci când se descrie funcționarea dispozitivelor de câmp.
Avantajele și dezavantajele înlocuirii tuburilor cu tranzistori
Invenția tranzistoarelor este o forță motrice în spatele introducerii unei tehnologii inovatoare în electronică. În rețea sunt utilizate elemente semiconductoare moderne și, în comparație cu circuitele tubulare mai vechi, aceste evoluții prezintă avantaje:
- Dimensiuni mici și greutate redusă, ceea ce este important pentru electronicele miniaturale;
- posibilitatea de a aplica procese automatizate la producția de dispozitive și de a grupa etapele, ceea ce reduce costul de producție;
- Utilizarea unor surse de curent de mici dimensiuni datorită tensiunii scăzute necesare;
- activare instantanee, fără a fi necesară încălzirea catodului;
- Eficiență energetică sporită datorită disipării mai reduse a energiei;
- robustețe și fiabilitate;
- o interacțiune armonioasă cu alte elemente din rețea;
- rezistență la vibrații și șocuri.
Dezavantajele se manifestă prin următoarele dispoziții:
- Tranzistoarele de siliciu nu funcționează la tensiuni mai mari de 1 kW; lămpile sunt eficiente la tensiuni mai mari de 1 până la 2 kW;
- Atunci când se utilizează tranzistoare în emițătoare de radiodifuziune de mare putere sau UHF, amplificatoarele de putere mică conectate în paralel trebuie să fie adaptate;
- Vulnerabilitatea elementelor semiconductoare la semnalul electromagnetic;
- Reacție sensibilă la raze cosmice și radiații, ceea ce necesită dezvoltarea de microcircuite rezistente la radiații în acest sens.
Diagrame de comutare
Pentru a funcționa într-un singur circuit, un tranzistor are nevoie de 2 conexiuni de intrare și ieșire. Aproape toate dispozitivele semiconductoare au doar 3 puncte de conectare. Pentru a ieși din această situație dificilă, unul dintre capete este desemnat ca fiind comun. Prin urmare, există 3 diagrame de conectare comune:
- pentru un tranzistor bipolar;
- dispozitiv polar;
- cu drenaj deschis (colector).
O unitate bipolară este conectată cu un emițător comun pentru amplificarea atât a tensiunii, cât și a curentului (OE). În alte cazuri, se potrivește cu pinii unui cip digital atunci când există o tensiune ridicată între circuitul extern și planul de conexiune internă. Acesta este modul în care funcționează conexiunea colectorului comun și există doar o creștere a curentului (OK). În cazul în care este necesară o creștere a tensiunii, elementul este introdus cu o bază comună (CB). Opțiunea funcționează bine în circuitele în cascadă compuse, dar este rar utilizată în proiectele cu un singur tranzistor.
În circuit sunt incluse dispozitive semiconductoare de câmp de tip TIR și joncțiune p-n:
- emițător comun (JE) - o conexiune similară cu JE a unui modul bipolar
- cu ieșire comună (OC) - o conexiune similară cu cea de tip OC
- cu poartă comună (CG) - similar cu OE.
În planurile open-drain, tranzistorul este inclus cu un emitor comun ca parte a cipului. Pinul colector nu este conectat la nicio altă parte a modulului, iar sarcina merge la conectorul exterior. Alegerea tensiunilor și a curenților de colector se face după ce proiectul a fost asamblat. Dispozitivele cu drenaj deschis funcționează în circuite cu etaje de ieșire puternice, drivere de bus și circuite logice TTL.
La ce servesc tranzistorii?
Aplicația este diferențiată în funcție de faptul că dispozitivul este un modul bipolar sau un tranzistor cu efect de câmp. De ce sunt necesari tranzistorii? În cazul în care sunt necesari curenți mici, de exemplu, în planurile digitale, se utilizează tipurile de câmp. Circuitele analogice ating o liniaritate ridicată a câștigului pe o gamă largă de tensiuni de alimentare și parametri de ieșire.
Aplicațiile pentru tranzistoarele bipolare includ amplificatoare, combinații, detectoare, modulatoare, circuite logice cu tranzistori și invertoare logice.
Domeniile de aplicare ale tranzistoarelor depind de caracteristicile acestora. Acestea funcționează în 2 moduri:
- În reglarea amplificatorului, modificarea impulsului de ieșire cu abateri mici ale semnalului de comandă;
- În ordinea de comandă, controlând alimentarea sarcinilor atunci când curentul de intrare este scăzut, tranzistorul este complet închis sau complet deschis.
Tipul de modul semiconductor nu schimbă condițiile de funcționare. Sursa este conectată la o sarcină, de exemplu, un comutator, un amplificator de sunet, un corp de iluminat, acesta poate fi un senzor electronic sau un tranzistor vecin puternic. Curentul pornește funcționarea unității de sarcină, iar tranzistorul este conectat în circuitul dintre unitate și sursă. Modulul semiconductor limitează puterea de intrare în unitate.
Rezistența de la ieșirea tranzistorului este transformată în funcție de tensiunile de pe conductorul de comandă. Curentul și tensiunea de la începutul și sfârșitul circuitului se modifică și cresc sau scad și depind de tipul de tranzistor și de modul în care este conectat. Controlul sursei de alimentare controlate duce la o creștere a curentului, la un impuls de putere sau la o creștere a tensiunii.
Ambele tipuri de tranzistori sunt utilizate în următoarele aplicații:
- În reglementarea digitală. Au fost elaborate proiecte experimentale pentru circuite amplificatoare digitale bazate pe convertoare digital-analogice (DAC).
- În generatoarele de impulsuri. În funcție de tipul de unitate, tranzistorul funcționează în ordine de cheie sau liniară pentru a reproduce semnale dreptunghiulare sau, respectiv, arbitrare.
- În cazul dispozitivelor electronice hardware. Pentru a proteja informațiile și programele împotriva furtului, manipulării și utilizării ilegale. Funcționarea se face în modul cheie, curentul este controlat în formă analogică și reglat de lățimea impulsului. Tranzistoarele sunt utilizate în acționările motoarelor electrice, în regulatoarele de tensiune cu impulsuri.
Semiconductorii monocristalini și modulele pentru deschiderea și închiderea circuitelor cresc puterea, dar funcționează doar ca întrerupătoare. Tranzistoarele cu efect de câmp sunt utilizate în dispozitivele digitale ca module rentabile. Tehnicile de fabricație în conceptul de experimente integrate implică producția de tranzistori pe un singur cip de siliciu.
Miniaturizarea cristalelor duce la calculatoare mai rapide, la mai puțină energie și la o generare mai mică de căldură.
Articole conexe:
