Do czego służą tranzystory: jakie są typy i typy, obszary zastosowań

Aby zrozumieć, do czego służy tranzystor, najlepiej pomoże ta analogia: jeśli mała komórka jest cegłą w żywym organizmie, to tranzystor jest cegiełką w cyfrowej rewolucji. Bez niej wszystkie cuda techniki, z których korzystamy na co dzień (telefony komórkowe, komputery, samochody) znacznie różniłyby się od współczesnych, a nawet by nie istniały.

Przegląd Historyczny

Zanim wynaleziono półprzewodnikowe elementy obwodów elektrycznych, projektanci wykorzystywali do tych samych celów lampy próżniowe i przełączniki mechaniczne. Lampy były dalekie od ideału. Potrzebowały rozgrzania się przed rozpoczęciem pracy, nie mogły pochwalić się niezawodnością, zawodnością i kompaktowością, zużywały zbyt dużo energii. Wszystkie urządzenia, od telewizorów po wczesne komputery, były na nich oparte.

Po II wojnie światowej naukowcy aktywnie poszukiwali alternatywy dla lamp i znaleźli odpowiedź w pracach Juliusa Lilienfelda z końca lat 20. XX wieku. Ten polsko-amerykański fizyk złożył patent na trójelektrodowe urządzenie wykonane z siarczku miedzi. Niestety nie ma dowodów na to, że faktycznie wykonał działające urządzenie. Ale jego badania pomogły stworzyć coś, co dziś nazywa się tranzystorem polowym.

Dwadzieścia lat po Lilienfeld Bell pilnie potrzebował czegoś lepszego niż lampy do swoich systemów komunikacyjnych. Zebrała gwiezdny zespół umysłów naukowych do pracy nad badaniem substytutów elementów próżniowych, wśród których znaleźli się:

• Johna Bardeena;
• Waltera Brattaina;
• Williama Shockleya.

W 1947 Shockley był dyrektorem badań tranzystorów w Bell, Brattain był autorytetem w dziedzinie fizyki ciała stałego, a Bardeen był inżynierem elektrykiem i fizykiem. Przez rok z powodzeniem eksperymentowali z germanem, a wkrótce potem Shockley udoskonalił swoje pomysły, opracowując złącze tranzystorowe. W następnym roku Bell ogłosił światu, że wynalazł działającą triodę półprzewodnikową. W 1956 roku zespół naukowców otrzymał za to odkrycie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Zrozumienie skali wynalazku i dlaczego potrzebne są tranzystory jest niemożliwe bez uświadomienia sobie tego Fakt: Te małe urządzenia dokonały jednego z największych skoków w technologii ludzkość. I nie ma w tym przesady – naprawdę zmieniły bieg historii.

Uproszczony schemat pracy

Tranzystory to urządzenia kontrolujące ruch elektronów, a tym samym prąd elektryczny. Aby zrozumieć, co robi tranzystor, najlepiej nadaje się analogia z kranem i przepływem płynu, ale w w przeciwieństwie do tych ostatnich nie tylko mogą przepuszczać lub blokować przepływ, ale także są w stanie go kontrolować numer. Zastosowanie tranzystorów jest niezwykle szerokie i opiera się na fakcie, że jako element elektroniczny może pełnić dwie różne funkcje:

1. Wzmacniacz. W tej pojemności przyjmuje małe prądy elektryczne na jednym zacisku i wytwarza znaczne prądy w obwodzie wyjściowym. Ta właściwość jest wykorzystywana w elektronice do wzmacniania sygnałów, dzięki czemu tranzystory zastąpiły triody lampowe.
2. Przełącznik. W zależności od obecności lub braku sygnału na elektrodzie sterującej jest w stanie zamknąć lub otworzyć obwód. Tak działają chipy komputerowe. Na przykład chip pamięci zawiera setki milionów, a nawet miliardy tranzystorów, z których każdy może być włączany lub wyłączany. Ponieważ wszystkie z nich w schemacie znajdują się tylko w jednym z dwóch stanów, mogą być strażnikami informacji binarnej - zero lub jeden. Chip złożony z miliardów tranzystorów jest w stanie przechowywać miliardy zer i jedynek.

Podstawowa struktura

Obudowa, izolacja, kryształ półprzewodnikowy, metalowe wyprowadzenia - z tego składa się tranzystor. Różne domieszkowanie półprzewodnika pozwala na stworzenie dwóch rodzajów jego struktury:

• typ p;
• typu n.

Sam kryształ to kanapka tych dwóch rodzajów, ułożona tak, że dwie identyczne warstwy kanapki zawierają przeciwległe. W zależności od ich kombinacji, tranzystor nazywany jest typem p-n-p lub n-p-n. Nazwy trzech pinów połączonych z odpowiednimi warstwami są wspólne dla wszystkich typów bipolarnych i polowych tranzystory, odpowiednio, i odzwierciedlają ich przeznaczenie (terminy stosowane w odniesieniu do efektu polowego podano w nawiasach):

• podstawa (migawka);
• kolektor (odpływ);
• emiter (źródło).

Baza (bramka) odbiera słaby sygnał sterujący, a między pozostałymi dwoma pinami przepływa silny prąd kolektora (od źródła do drenu). Ten ostatni zmienia się w zależności od prądu bazowego. Zewnętrznie tranzystor wygląda jak element radioelektroniczny z trzema zaciskami.

Rodzaje i rodzaje

Czas wynalezienia tranzystorów nie był przypadkowy. Ich kryształy do ​​prawidłowego funkcjonowania wymagają czystych materiałów półprzewodnikowych. Dopiero po II wojnie światowej nastąpił postęp technologiczny w pozyskiwaniu germanu, a także postępy w tej dziedzinie stopowanie umożliwiło uzyskanie materiałów nadających się do seryjnej produkcji półprzewodników urządzenia.

Później w elektronice komercyjnej zamiast germanu zastosowano krzem. Oparte na nim półprzewodniki są bardziej niezawodne i niedrogie niż german. Krzem nadaje się do produkcji komputerów. W układach scalonych tranzystory nie są izolowane jako oddzielne komponenty, ale są częścią tzw obwodu i są umieszczone na jednym krysztale półprzewodnikowym wraz z innymi elementami - kondensatorami i rezystory. Współczesne urządzenia krzemowe w mikroczipie są tak małe, że ich wymiary mierzone są w nanometrach.

Ewolucja materiałów do produkcji tych urządzeń nie stoi w miejscu. Dzięki ostatnim postępom materiał zwany grafenem może stać się podstawą triod w XXI wieku. Przenosi elektrony znacznie szybciej niż krzem i może stanowić podstawę chipów komputerowych, które są o rząd wielkości wydajniejsze niż półprzewodniki na bazie krzemu.

To, czym są tranzystory, nie ogranicza się do ich podziału ze względu na materiał kryształu. Istnieją dwie duże grupy różniące się metodami zarządzania:

• pole;
• dwubiegunowy.

Słowo „pole” oznacza, że ​​bramka jest sterowana polem elektrycznym, czyli aby zmienić prąd między drenem a źródłem wystarczy zmienić napięcie. A w reakcjach dwubiegunowych prąd kolektora uzyskuje się poprzez zmianę prądu u podstawy. Urządzenia bipolarne były masowo używane w latach 60. i 70. i są poszukiwane w naszych czasach jako elementy układów analogowych głównie ze względu na to, że są łatwe w produkcji i mają duży liniowość. Dziedzina zdobyła prawie cały udział w rynku obwodów cyfrowych.

Istnieją inne rodzaje tranzystorów. Są one skatalogowane nie tylko według zasady działania, ale także mocy, częstotliwości pracy, struktury, zastosowania i innych wskaźników. Rozwój tych urządzeń trwa bez spowolnienia. Na przykład naukowcy z Korei Południowej stworzyli niedawno złącze p-n wykonane z pojedynczej cząsteczki benzenu. Nowoczesne chipy generują dużo traconego ciepła. Pod tym względem tranzystory molekularne mogą mieć wspaniałą przyszłość – mogą stać się kluczem do poprawy efektywności energetycznej.

Niezależnie od kierunków, w jakich będzie prowadzony rozwój technologii, oczywiste jest, że dzięki aktywnym badaniom sposoby na ulepszenie tranzystorów, komputery staną się szybsze, tańsze i bardziej niezawodne, a telefony komórkowe – jeszcze lżejsze i bardziej kompaktowy. Te małe urządzenia nadal zmieniają krajobraz technologiczny, a ostatecznie nasze społeczeństwo jako całość. To wspaniały los prostego urządzenia wynalezionego ponad 60 lat temu.