Tranzistory: Princip činnosti a použití | Novinky SMTtech

Tranzistor je polovodičové zařízení, které se používá k zesílení nebo spínání elektronických signálů. Je jednou z hlavních součástí většiny digitálních a analogových obvodů v počítačích, mobilních telefonech a dalších elektronických zařízeních. Vynález tranzistoru se stal výchozím bodem ve vývoji elektroniky, zajišťující její miniaturizaci a multifunkčnost.

Historie vzniku tranzistorů

Historie tranzistoru začíná v první polovině 20. století, kdy přední inženýři a vědci hledali příležitosti k vytvoření pokročilejších a menších zařízení pro řízení elektrického proudu, která by mohla nahradit objemné a nespolehlivé elektronky.

První úspěšný tranzistor vytvořili 23. prosince 1947 vědci William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain ve výzkumných laboratořích Bell Telephone Laboratories. Byl to tranzistor s bodovým kontaktem, který používal dvě kovové jehly přitisknuté ke krystalu germania. Prokázala schopnost zesilovat a přepínat elektrické signály a zahájila éru polovodičové elektroniky.

V roce 1951 byl vyvinut bipolární tranzistor, který se ukázal být mnohem spolehlivější a vhodnější pro hromadnou výrobu ve srovnání s tranzistorem s bodovým kontaktem. Použili technologii přechodu mezi polovodiči různých typů (pn přechod), která umožňuje efektivnější řízení toku proudu.

Od té doby se tranzistory neustále zdokonalovaly a inženýři našli nové způsoby, jak zvýšit jejich výkon a zmenšit jejich velikost. V roce 1959 Jack Kilby z Texas Instruments a Robert Noyce z Fairchild Semiconductor nezávisle vyvinuli první integrované obvody, které umožnily tranzistory a polovodičová technologie. To vedlo k miniaturizaci a revoluci ve výrobě elektroniky, což umožnilo mikroprocesory a počítače.

Zařízení a princip činnosti tranzistoru

Tranzistor je zařízení, které řídí elektrický proud pomocí elektrického signálu přes polovodičový materiál. V elektronice se používá jako zesilovač, spínač nebo regulátor napětí.

Podle principu činnosti jsou tranzistory dvou hlavních typů:

• Bipolární. Skládají se ze tří vrstev polovodiče se střídajícími se typy vodivosti: npn nebo pnp. Tyto vrstvy tvoří tři oblasti – emitor, který emituje nosiče náboje (elektrony nebo díry), úzkou základnu, která řídí jejich pohyb, a kolektor, který shromažďuje nosiče náboje. V bipolárním tranzistoru malý proud vstřikovaný do báze pohání velký proud mezi emitorem a kolektorem. Když základnou prochází malé množství proudu, umožňuje to, aby více proudu procházelo z emitoru do kolektoru. Tranzistor pracuje v aktivním režimu, když je přechod báze-emitor předpjatý dopředu a přechod kolektor-báze je obrácený.
• Pole. Jejich konstrukce se také skládá ze tří prvků – brány, která ovládá otevírání a zavírání kanálu, zdroje nosičů náboje a odtoku, kterým vystupují. Na bránu je přivedeno napětí, které vytváří elektrické pole. Mění vodivost kanálu mezi zdrojem a odtokem, což vám umožňuje řídit proud. Takové tranzistory mohou mít obohacený nebo ochuzený kanál. U obohaceného typu proud teče pouze tehdy, když je na hradle přítomno napětí, zatímco u vyčerpaného typu kanál vždy existuje a proud lze snížit přivedením napětí.

Hlavní typy tranzistorů

V závislosti na konstrukci a způsobu umístění jsou tranzistory:

• Rovinný. Vyrábí se na povrchu polovodičové destičky. Poskytují vysokou hustotu balení, díky čemuž jsou ideální pro integrované obvody. Používají se v moderních mikroelektronických zařízeních.
• Integrální. Umístěn uvnitř integrovaných obvodů jako součást čipu. Umožňuje minimalizovat velikost zařízení a zlepšit výkon. Jsou široce používány v počítačové technice a mobilních zařízeních.

Podle použitého materiálu se tranzistory dělí na:

• Křemík. Většina rozšířené díky své nosnosti a stabilitě. Mají dobrou tepelnou vodivost a relativně nízké výrobní náklady. Používají se v různých elektronických zařízeních od domácností po průmyslová zařízení.
• Germanium. Vznikly první tranzistory, které se však vyznačovaly nízkou tepelnou stabilitou. Mají lepší mobilitu nosiče než křemík, což může být užitečné v určitých aplikacích. Nyní se používá zřídka, s výjimkou specializovaných aplikací, jako jsou některá radiofrekvenční zařízení.
• Gallium arsenid. Jsou lepší než křemík ve své schopnosti pracovat při vysokých frekvencích. Vzhledem k vysoké mobilitě nosičů náboje se používají ve vysokofrekvenční elektronice včetně satelitní komunikace a radaru. Výroba je dražší než křemíkové tranzistory.

V závislosti na výkonu jsou tranzistory:

• Nízká spotřeba. Navrženo pro práci s nízkými proudy a napětími. Ideální pro použití v malých elektronických zařízeních. Vyznačují se nízkou spotřebou energie a kompaktností.
• Střední výkon. Schopný zvládnout široký rozsah proudů a napětí. Používá se v zesilovačích středního výkonu a řízení motoru. Mají vyvážené charakteristiky mezi nízkovýkonovými a vysoce výkonnými tranzistory.
• Silný. Navrženo pro zvládnutí vysokých proudů a napětí. Používá se v průmyslové elektronice, včetně napájecích zdrojů a napájecích zařízení. Vyžaduje účinné chlazení, aby se zabránilo přehřátí.

Aplikace tranzistorů v elektronice

V elektronických zařízeních plní tranzistory následující základní funkce:

• Zesílení signálu.Tranzistory mohou zesílit slabé elektrické signály – například v audio a video zařízení, rádiích a televizorech. U bipolárních tranzistorů je toho dosaženo použitím malého vstupního proudu na bázi k řízení mnohem většího proudu procházejícího emitorem a kolektorem a u tranzistorů s efektem pole změnou napětí hradla.
• Přepínání. Tranzistory se díky své schopnosti rychle otevírat a zavírat (vodit a blokovat proud) používají jako spínače. Jedná se o klíčovou funkci v digitální elektronice a mikroprocesorové technice, kde řídí binární stavy (0 a 1) a používají se k provádění výpočtů a ukládání dat.
• Modulace signálu.Tranzistory jsou také schopny měnit fyzikální vlastnosti signálu, jako je napětí, výkon, amplituda, frekvence atd. Díky tomu se používají v síťových stabilizátorech a usměrňovačích, napájecích zdrojích, napájecích jednotkách (například elektromotorech) , stejně jako v systémech přenosu dat .

Katalog společnosti „SMTtech“ představuje zařízení, komplexní řešení, komponenty a spotřební materiál pro výrobu moderní elektroniky. Nabízíme odbornou pomoc kvalifikovaných odborníků při výběru výrobního zařízení, jeho implementaci v podniku, údržbě a opravě. Pro podrobné informace nebo pro objednání volejte na čísla uvedená v „Kontakty“.

Tranzistor s efektem pole – co tento název znamená? Tranzistor – to znamená, že nějak umožňuje zesílit signál. Přesněji řečeno, pomocí slabého signálu na vstupu ovládejte mnohem silnější proud na výstupu. Pole — definuje princip činnosti: ovládání probíhá pomocí elektrického pole.

Tranzistory s efektem pole existují v několika typech. Začneme se seznamovat s tím, který je designově nejblíže bipolárnímu tranzistoru, a to:

Tranzistor s efektem pole s ovládacím pn přechodem

Než začnu, udělám důležitou poznámku. Návrh tranzistorů s efektem pole je poměrně složité téma. Proto se předpokládá, že čtenář je obeznámen s vlastnostmi polovodičů a je také obeznámen s principem činnosti polovodičové diody a bipolárního tranzistoru. Tak pojďme!

Vezměme to a udělejme tranzistor s efektem pole z bipolárního tranzistoru:

Soustava bipolárního tranzistoru a tranzistoru řízeného polem s řídícím pn přechodem

Takže zde máme kanál spojující zdroj a odtok (analogy emitoru a kolektoru). I když je to polovodič, je to stále vodič a má malý odpor. To znamená, že pokud na hradlo (řídicí elektrodu) není přiveden žádný potenciál, proud bude stále protékat tranzistorem s efektem pole. Vezměte prosím na vědomí, že zde je proud vytvářen nosiči stejného typu, v tomto příkladu dírami. Proto se tranzistory s efektem pole někdy také nazývají unipolární. Na rozdíl od bipolárních, u kterých se na tvorbě proudu podílejí vždy oba typy nábojů.

Nyní se podívejme, co se stane, když se na bránu přivede kladné (vzhledem ke zdroji) napětí. Toto bude blokovací napětí. Jak jsme viděli u polovodičových diod, toto napětí odtahuje nosiče náboje z oblasti pn přechodu. To znamená, že oblast ochuzená o náboje v p-kanálu se rozšiřuje a její odpor se zvyšuje. Je to podobné, jako když se do potrubí vložila klapka, která zablokovala část průřezu potrubí a průtok vody se snížil.

Princip činnosti polem řízeného tranzistoru s řídicím pn přechodem.

Na obrázku je oblast s vyčerpaným nábojem zeleně stínovaná. Je nerovnoměrný a rozšiřuje se směrem ke svodu, protože kromě potenciálu brány je rozložení náboje ovlivněno také potenciálem zdroj-odtok.

Pokud je na bránu přivedeno dostatečně vysoké napětí, mohou být téměř všechny otvory vytlačeny z kanálu. Proud procházející kanálem se zastaví. Tomu se říká cutoff režim.

Dále si povíme více o vlastnostech a výhodách tranzistorů s efektem pole, ale nyní věnujme pozornost jednomu klíčovému bodu. Proud brány je velmi malý. Ostatně v podstatě se jedná o diodu zapojenou v obrácené polaritě, ve které proud mohou vytvářet náhodné menšinové nosiče, kterých je velmi málo.

Bipolární tranzistor byl řízen proud: čím větší proud protéká přechodem emitoru, tím více nábojů vstupuje do oblasti báze, tím více jich je zachyceno kolektorem a vytváří kolektorový proud. U tranzistoru s efektem pole se řízení neprovádí proudem, ale napětí: čím vyšší potenciál, tím větší odpor kanálu.

To znamená, že napětí brány se může výrazně změnit, ale proud brány se mění velmi málo. To znamená vysoká vstupní impedance. Pokud se vstupní odpor bipolárního tranzistoru měří v kiloohmech, pak u tohoto typu tranzistorů s efektem pole jsou to desítky a stovky megaohmů.

Samozřejmě je také možné vyrobit „zrcadlový“ tranzistor s efektem pole s řídicím pn přechodem: s kanálem typu n a zónou p na hradle. Princip činnosti bude stejný, pouze znaménka napětí budou obrácená.

Ano, anglické označení pro tento typ tranzistoru je JFET (Junction-Field-Effect-Transistor). A protože se bavíme o angličtině, zde je název pinů: G-gate, D-drain, S-source

No, přejdeme k další třídě zařízení:

Izolovaný tranzistor s hradlovým polem

Tranzistorové zařízení s izolovaným hradlovým polem

U tranzistoru s efektem pole tohoto typu je základem krystalu slabě dotovaná zóna n. Říká se tomu substrát. Vytváří silně dopované p pásy (to znamená, že existuje mnoho hlavních nosičů náboje) a tenký kanál mezi nimi. A brána je obecně izolovaná – je oddělena od kanálu tenkou vrstvou dielektrika. Struktura hradla dává tomuto typu tranzistoru jméno: MIS (metal-dielectric-semiconductor). Někdy se jim také říká MOS (metal-oxide-semiconductor), protože vrstva oxidu křemičitého se obvykle používá jako dielektrikum. V angličtině je to MOSFET (Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

Pokud předchozí typ tranzistorů s efektem pole pracoval pouze s vypínacím napětím na hradle, pak mohou MOSFETy pracovat s kladným i záporným předpětím.

Pokud na bránu aplikujete „plus“, začne vytlačovat hlavní nosiče náboje z kanálu (což, jak si pamatujeme, jsou otvory v zóně p), čímž se zvýší její odpor. Toto je štíhlý režim. A naopak, mínus na hradle přitáhne nějaké další kladné náboje ze substrátu do kanálu a odpor kanálu se sníží. Toto je režim obohacení.

Máte právo se ptát: odkud se berou kladné náboje (otvory) v substrátu, pokud je vyroben z polovodiče typu n s elektronickou vodivostí? Ano, kladné náboje nejsou hlavní v substrátu. Ale, jak již bylo zmíněno, je lehce dopovaný, a proto je tam dostatek menšinových nábojů, které kanál obohatí.

Zařízení, na které se nyní díváme, se nazývá MOSFET s integrovaným kanálem. Ukazuje se však, že „fyzický“ kanál lze zcela odstranit. V tomto případě dostaneme tranzistor s indukovaným kanálem.

Indukovaný kanál MOSFET

Jak v tomto případě teče proud? Princip je stejný: mínus na bráně přitáhne menšinové nosiče, kladně nabité díry. Vytvářejí tedy malou oblast kladné vodivosti – tedy „virtuální“ kanál, který spojuje zdroj a odtok. A to, že je lákal obor kolmý směr kanálu, neruší jejich pohyb podél kanál, vytvářející elektrický proud. Je to jako krásná výloha, která přitahuje náhodné kolemjdoucí, ale nebrání jim v pohybu po výloze.

Všimněte si, že vstupní odpor tranzistorů MOS je stále o několik řádů vyšší než u tranzistorů s řídicím pn přechodem, protože hradlo je fyzicky odděleno dielektrickou vrstvou a proudy hradlem jsou zanedbatelné.

Označení na schématech

Stručně jsme prozkoumali hlavní typy tranzistorů s efektem pole. Když znáte jejich strukturu, nebudete se již zmást v symbolech na schématech. Několik jednoduchých pravidel:

• Brána je nakreslena naproti zdroji
• Šipka ukazuje směr pryč od zóny p do zóny n (jako u bipolárních tranzistorů).
• Pokud máme tranzistor s řízeným polem s řídicím pn přechodem, je na hradle nakreslena šipka. Pokud se jedná o tranzistor MOS, jeho čtvrtá svorka je nakreslena mezi zdrojem a kolektorem, toto je substrát a na něm je již nakreslena šipka. Mimochodem, někdy je přívod ze substrátu skutečně vyveden jako 4. rameno tranzistoru, v tomto případě na obrázku bude odpovídající čára přesahovat hranice těla.
• Někdy je substrát připojen ke zdroji, to je také znázorněno graficky.
• Izolovaná brána na obrázku je zobrazena jako oddělená od zdroje a odtoku.
• Indukovaný kanál je nakreslen tečkovanou čarou a vložený kanál je nakreslen plnou čarou.

Několik příkladů (pro zvětšení klikněte):

Označení tranzistorů s efektem pole na schématech

Parazitní dioda

U tranzistorů typu MOS s efektem pole vzniká vzhledem k jejich konstrukci jedna nepříjemná věc. Totiž neplánovaný bipolární tranzistor. Podívejme se znovu na obrázek:

Parazitní bipolární tranzistor uvnitř efektu pole

Ukazuje se, že substrát je báze a kolektor a zdroj jsou kolektorem a emitorem bipolárního tranzistoru. Tento parazitní tranzistor může vnést do činnosti zařízení značné zkreslení. Například otevřít v okamžiku, kdy má být uzavřen tranzistor s efektem pole (zjednodušeně řečeno, vlivem vnitřních parazitních kapacit vzniká v přechodu emitoru proud, který tranzistor otevře). Tento jev se řeší tímto způsobem: spojují zdroj a substrát, čímž uzavírají přechod emitoru. Zbývá jeden kolektorový pn přechod, tedy dioda.

Dioda je zapojena v opačném směru mezi zdroj a kolektor, takže neruší činnost tranzistoru ve standardním režimu, kdy proud teče ze zdroje do kolektoru. Ale zpětný proud, od kolektoru ke zdroji, pro tuto diodu bude přímý, to znamená, že bude protékat parazitní diodou. Proto je ve schématech důležité nezaměňovat zdroj a odtok, i když konstrukčně jsou tyto oblasti velmi podobné. Přítomnost diody je někdy znázorněna na obrázku:

Dioda v tranzistoru s efektem pole

Inženýři se však nyní naučili parametry této diody upravit a dokonce se jí úplně zbavit (nebo spíše použít jiné mechanismy, které nedostatky této diody odstraňují), ale toto téma je nad rámec tohoto článku.

Rozdíl mezi tranzistory s efektem pole a bipolárními

Abychom to shrnuli, uvádíme rozdíly mezi tranzistory s efektem pole, které jsou důležité pro návrh obvodu.

• Vysoká vstupní impedance. To již bylo diskutováno a toto je jedna z nejdůležitějších výhod tranzistorů s efektem pole. To zjednodušuje koordinaci kaskád. Například tranzistor s efektem pole lze přímo připojit k mikroobvodu, který není schopen dodávat velké proudy, a proto nebude „tahat“ bipolární tranzistor. Nebo je dobré na UHF vstupu použít tranzistor s efektem pole: svou vysokou vstupní impedancí nesníží jakostní činitel oscilačního obvodu a nezanese do jeho činnosti znatelné zkreslení. No, obecně: menší proud znamená menší spotřebu energie.
• Rychlost přepínání u tranzistorů s efektem pole je vyšší než u bipolárních tranzistorů, protože netráví čas tím, aby se rozpustily náboje nahromaděné v oblasti báze. Moderní technologie však umožňují vyrobit bipolární vysokofrekvenční reproduktory.
• Tranzistory s efektem pole jsou méně hlučné. U bipolárních tranzistorů je proces vstřikování náboje „hlučný“, ale nedochází k vstřikování náboje polem.
• Citlivost na statické napětí. To se týká nevýhod tranzistoru s efektem pole. Díky svému designu je závěrka velmi jemná, statická elektřina jí snadno proniká. Proto se dokonce doporučuje propojit vývody tranzistoru drátem, který se odstraní až po instalaci. Použijte také uzemněnou páječku a antistatickou podložku.
• Zvýšená tepelná odolnost. V bipolárním tranzistoru se proud zvyšuje s rostoucí teplotou (protože proces vstřikování náboje z báze zesiluje), což vede k dalšímu zahřívání tranzistoru. Začíná řetězová reakce, která může vést k samozahřívání a selhání tranzistoru. U tranzistoru s efektem pole je tomu naopak: jak teplota stoupá, odpor kanálu se zvyšuje, takže je jakoby samoregulační: pokud teplota stoupá, proud klesá a teplota klesá zpět.
• Možnost paralelního připojení pro zvýšení výkonu. To je důležitý důsledek předchozí vlastnosti, tepelné odolnosti. Pokud paralelizujete bipolární tranzistory, kvůli sebemenší náhodné nevyváženosti se jeden z nich začne zahřívat a nevyhnutelně vyhořet. A polární se samy regulují, a proto mohou spolupracovat. Toho se často využívá při konstrukci měničů, kde je potřeba řídit velmi velké proudy a jeden tranzistor si neporadí.

Tím končíme naše první seznámení s tranzistory s efektem pole. Dotazy a komentáře můžete zanechat níže v komentářích.

Sdílejte na sociálních sítích:

Komentáře (3)

5. listopadu 2020 — Anonym

Děkuju! Je to škoda říkat, ale pro mě jsou terénní pracovníci terra incognita. Musíme to už překonat. Pokud jde o zavěšení okenice, první laboratorní práce byly dokončeny))