Radijoelektroninis elementas, pagamintas iš puslaidininkinės medžiagos, sukuria, sustiprina ir modifikuoja impulsus integrinėse grandinėse ir sistemose, skirtose informacijai saugoti, apdoroti ir perduoti naudojant įvesties signalą. Tranzistorius - tai varža, kurios funkciją reguliuoja įtampa tarp emiterio ir bazės arba šaltinio ir užtūros, priklausomai nuo modulio tipo.
Turinys
Tranzistorių tipai
Tranzistoriai plačiai naudojami skaitmeninių ir analoginių grandynų gamyboje, kad būtų panaikinta statinė vartotojo srovė ir pagerintas tiesiškumas. Tranzistorių tipai skiriasi tuo, kad vieni jų valdomi keičiant įtampą, o kiti - keičiant srovę.
Lauko tranzistoriai veikia esant didesnei nuolatinės srovės varžai, o transformuojant dideliu dažniu energijos sąnaudos nepadidėja. Paprastai tariant, tranzistorius yra modulis su dideliu stiprinimo kraštu. Ši savybė labiau būdinga lauko tipams nei dvipoliams tipams. Pirmieji neturi krūvininkų nešiklių išsklaidymo, o tai pagreitina veikimą.
Lauko puslaidininkiai dažniau naudojami dėl jų pranašumų, palyginti su dvipoliais:
- Didelė įėjimo varža esant nuolatinei srovei ir aukštam dažniui, todėl sumažėja valdymo galios nuostoliai;
- Nesikaupia nepagrindinių elektronų, todėl tranzistorius veikia greičiau;
- judriųjų dalelių transportavimas;
- stabilumas svyruojant temperatūrai;
- Mažas triukšmas dėl įpurškimo nebuvimo;
- Mažas energijos suvartojimas darbo metu.
Tranzistorių tipai ir jų savybės apibrėžia paskirtį. Šildant dvipolį tranzistorių, padidėja srovė kelyje nuo kolektoriaus iki emiterio. Jų varžos koeficientas yra neigiamas, o judantys nešikliai iš emiterio teka į kolektorių. Plonas pagrindas yra atskirtas p-n sandūromis ir srovė atsiranda tik tada, kai judančios dalelės kaupiasi ir patenka į pagrindą. Dalį krūvininkų sulaiko kaimyninė p-n sandūra ir juos pagreitina, todėl taip yra suprojektuoti tranzistoriai.
Lauko tranzistoriai turi dar vieną privalumą, kurį reikia paminėti manekenams. Jie jungiami lygiagrečiai be jokio varžų išlyginimo. Rezistoriai šiam tikslui nenaudojami, nes keičiantis apkrovai jų vertė didėja automatiškai. Norint gauti didelę perjungimo srovės vertę, įdarbinamas modulių kompleksas, kuris naudojamas keitikliuose ar kituose įrenginiuose.
Bipolinis tranzistorius neturi būti jungiamas lygiagrečiai, funkcinių parametrų nustatymas leidžia aptikti negrįžtamo pobūdžio terminį gedimą. Šios savybės susijusios su paprastų p-n kanalų techninėmis savybėmis. Moduliai jungiami lygiagrečiai naudojant rezistorius, kad būtų išlyginta srovė emiterio grandinėse. Atsižvelgiant į funkcines savybes ir individualius ypatumus, tranzistoriai skirstomi į dvipolius ir lauko efekto tranzistorius.
Bipoliniai tranzistoriai
Bipolinės konstrukcijos gaminamos kaip puslaidininkiniai įtaisai su trimis laidininkais. Kiekviename iš elektrodų yra sluoksnių, pasižyminčių skyliniu p laidumu arba priemaišiniu n laidumu. Sluoksnių išdėstymo pasirinkimas lemia p-n-p arba n-p-n tipo įtaisų išleidimą. Kai prietaisas įjungiamas, skylutės ir elektronai tuo pačiu metu perneša skirtingų tipų krūvius - tai 2 tipų dalelės.
Pernešėjai pernešami difuzijos būdu. Medžiagos atomai ir molekulės prasiskverbia į gretimos medžiagos tarpmolekulinę gardelę ir jų koncentracija visame tūryje susilygina. Perkėlimas vyksta iš didelio tankio teritorijų į mažo tankio teritorijas.
Elektronai taip pat sklinda veikiant jėgos laukui aplink daleles, kai legiruojantys priedai netolygiai įeina į pagrindinę masę. Siekiant pagreitinti prietaiso veikimą, elektrodas, prijungtas prie vidurinio sluoksnio, yra plonas. Kraštiniai laidininkai vadinami emiteriu ir kolektoriumi. Jungties atvirkštinės įtampos charakteristika nesvarbi.
Lauko tranzistoriai
Lauko efekto tranzistorius valdo varžą naudodamas elektrinį skersinį lauką, atsirandantį dėl prijungtos įtampos. Vieta, iš kurios elektronai patenka į kanalą, vadinama šaltiniu, o nutekėjimas - galutine krūvininkų patekimo vieta. Valdymo įtampa teka per laidininką, vadinamą užtūra. Prietaisai skirstomi į 2 tipus:
- p-n sandūra;
- TIR tranzistoriai su izoliuotais užtūrais.
Pirmajame tipe yra puslaidininkinė plokštelė, kuri prie valdomos grandinės prijungta priešingose pusėse esančiais elektrodais (drain ir source). Kitoks laidumas atsiranda po to, kai plokštelė prijungiama prie užtūros. Į įvesties grandinę įjungtas nuolatinės srovės šališkumo šaltinis sukuria blokavimo įtampą sandūroje.
Sustiprinto impulso šaltinis taip pat yra įvesties grandinėje. Pasikeitus įėjimo įtampai, atitinkamas skaičius p-n sandūroje transformuojasi. Pakeičiamas kristalo kanalo jungties, per kurią teka įkrauti elektronai, sluoksnio storis ir skerspjūvio plotas. Kanalo plotis priklauso nuo erdvės tarp išeikvojimo srities (po užtūra) ir pagrindo. Valdymo srovė pradžios ir pabaigos taškuose valdoma keičiant išeikvojimo srities plotį.
TIR tranzistoriui būdinga tai, kad jo užtūra nuo kanalo sluoksnio atskirta izoliatoriumi. Puslaidininkio kristale, vadinamame substratu, sukuriamos priešingo ženklo legiruotos vietos. Ant jų tvirtinami laidininkai - nutekėjimo ir šaltinio - su dielektriku, tarp kurių atstumas tarp jų mažesnis nei mikronas. Ant izoliatoriaus uždedamas metalinis elektrodas - užtūra. Dėl susidariusios struktūros, kurią sudaro metalas, dielektriko sluoksnis ir puslaidininkis, tranzistoriai vadinami TIR santrumpa.
Dizainas ir valdymas pradedantiesiems
Technologijos veikia ne tik elektros krūviu, bet ir magnetiniu lauku, šviesos kvantais ir fotonais. Tranzistoriaus veikimo principas - būsenos, tarp kurių prietaisas persijungia. Priešingas mažas ir didelis signalas, atvira ir uždara būsena - tai dvigubas prietaisų veikimas.
Kartu su puslaidininkine medžiaga, kurios sudėtyje naudojamas monokristalas, kai kuriose vietose legiruotas, tranzistorius turi savo konstrukciją:
- metaliniai laidai;
- dielektriniai izoliatoriai;
- Tranzistoriaus korpusas pagamintas iš stiklo, metalo, plastiko, metalo keramikos.
Prieš išrandant bipolinius arba poliarinius įtaisus, kaip aktyvūs elementai buvo naudojami elektroniniai vakuuminiai vamzdžiai. Jiems sukurtos grandinės, jas modifikavus, naudojamos puslaidininkinių prietaisų gamyboje. Juos galima prijungti kaip tranzistorių ir taikyti, nes daugelis vakuuminių lempų funkcinių charakteristikų tinka apibūdinant lauko įtaisų veikimą.
Elektroninių lempų pakeitimo tranzistoriais privalumai ir trūkumai
Tranzistorių išradimas yra varomoji jėga, lėmusi naujoviškų technologijų diegimą elektronikoje. Tinkle naudojami šiuolaikiniai puslaidininkiniai elementai, o palyginti su senesnėmis lempinėmis grandinėmis, tokie patobulinimai turi privalumų:
- Mažas dydis ir mažas svoris, o tai svarbu miniatiūrinei elektronikai;
- galimybė prietaisų gamybai taikyti automatizuotus procesus ir grupuoti etapus, o tai sumažina gamybos sąnaudas;
- Mažų srovės šaltinių naudojimas dėl mažos reikalaujamos įtampos;
- akimirksniu suaktyvėja, nereikia kaitinti katodo;
- Didesnis energijos vartojimo efektyvumas dėl mažesnio energijos išsklaidymo;
- tvirtumą ir patikimumą;
- sklandi sąveika su papildomais tinklo elementais;
- atsparumas vibracijai ir smūgiams.
Trūkumai pasireiškia šiomis nuostatomis:
- Silicio tranzistoriai neveikia esant didesnei nei 1 kW įtampai; lempos veikia esant didesnei nei 1-2 kW įtampai;
- Naudojant tranzistorius didelės galios transliavimo arba UHF siųstuvuose, lygiagrečiai sujungti mažos galios stiprintuvai turi būti suderinti;
- Puslaidininkinių elementų pažeidžiamumas elektromagnetiniam signalui;
- jautriai reaguoja į kosminius spindulius ir radiaciją, todėl reikia kurti radiacijai atsparias mikroschemas.
Perjungimo schemos
Kad tranzistorius veiktų vienoje grandinėje, jam reikia 2 įvesties ir išvesties kontaktų. Beveik visuose puslaidininkiniuose įtaisuose yra tik 3 prijungimo taškai. Norint išsisukti iš keblios situacijos, vienas iš galų nurodomas kaip bendras. Taigi yra 3 bendros jungčių schemos:
- bipolinio tranzistoriaus;
- poliarinis prietaisas;
- su atviru nutekėjimu (kolektoriumi).
Bipolinis blokas sujungtas su bendru emiteriu ir įtampai, ir srovei stiprinti (OE). Kitais atvejais jis atitinka skaitmeninio lusto kaiščius, kai tarp išorinės grandinės ir vidinės jungties plano yra aukšta įtampa. Taip veikia bendra kolektoriaus jungtis, ir srovė tik padidėja (gerai). Jei reikia padidinti įtampą, elementas įvedamas su bendra baze (CB). Ši parinktis gerai veikia sudėtinėse kaskadinėse grandinėse, tačiau retai naudojama vieno tranzistoriaus konstrukcijose.
Į grandinę įtraukti TIR ir p-n sandūros lauko puslaidininkiniai įtaisai:
- bendrasis emiteris (JE) - jungtis, panaši į dvipolio modulio JE.
- su bendra išvestimi (OC) - jungtis, panaši į OC tipo jungtį
- su bendraisiais vartais (SW) - panašiai kaip OE.
Atvirojo įleidimo planuose tranzistorius yra įtrauktas į mikroschemą su bendru emiteriu. Kolektoriaus kaištis nėra sujungtas su jokiomis kitomis modulio dalimis, o apkrova perduodama į išorinę jungtį. Įtampos ir kolektoriaus srovės pasirenkamos po projekto surinkimo. Atvirojo nutekėjimo įtaisai veikia grandinėse su galingais išėjimo pakopomis, magistralės tvarkyklėmis ir TTL loginėmis grandinėmis.
Kam skirti tranzistoriai?
Taikymas skirstomas pagal tai, ar prietaisas yra bipolinis modulis, ar lauko tranzistorius. Kam reikalingi tranzistoriai? Jei reikalingos mažos srovės, pvz., skaitmeniniuose planuose, naudojami lauko tipai. Analoginėse grandinėse pasiekiamas didelis stiprinimo tiesiškumas plačiame maitinimo įtampų ir išėjimo parametrų diapazone.
Bipolinių tranzistorių taikymo sritys - stiprintuvai, deriniai, detektoriai, moduliatoriai, tranzistorinės loginės grandinės ir loginiai keitikliai.
Tranzistorių taikymo sritys priklauso nuo jų savybių. Jie veikia 2 režimais:
- Reguliuojant stiprintuvą, išėjimo impulsas keičiamas esant nedideliems valdymo signalo nuokrypiams;
- Kai įėjimo srovė yra maža, tranzistorius yra visiškai uždarytas arba visiškai atidarytas, valdant apkrovų maitinimą, kai įėjimo srovė yra maža.
Puslaidininkinio modulio tipas nekeičia jo veikimo sąlygų. Šaltinis prijungtas prie apkrovos, pavyzdžiui, jungiklio, garso stiprintuvo, šviestuvo, tai gali būti elektroninis jutiklis arba didelės galios gretimas tranzistorius. Nuo srovės pradeda veikti apkrovos blokas, o tranzistorius yra prijungtas grandinėje tarp bloko ir šaltinio. Puslaidininkinis modulis riboja į įrenginį tiekiamą galią.
Tranzistoriaus išėjimo varža transformuojama pagal valdymo laidininko įtampas. Srovė ir įtampa grandinės pradžioje ir pabaigoje keičiasi, didėja arba mažėja ir priklauso nuo tranzistoriaus tipo ir jo prijungimo būdo. Valdant valdomą maitinimo šaltinį, padidėja srovė, galios impulsas arba įtampa.
Abiejų tipų tranzistoriai naudojami šiose srityse:
- Skaitmeniniame reguliavime. Sukurti skaitmeninių stiprintuvų grandinių, pagrįstų skaitmeniniais-analoginiais keitikliais (DAC), eksperimentiniai projektai.
- Impulsų generatoriuose. Priklausomai nuo įrenginio tipo, tranzistorius veikia raktine arba linijine tvarka, kad būtų atkurti stačiakampiai arba savitiksliai signalai.
- Elektroninės aparatūros prietaisuose. Apsaugoti informaciją ir programas nuo vagystės, neteisėto klastojimo ir naudojimo. Veikiama rakto režimu, srovė valdoma analogiškai ir reguliuojama impulso pločiu. Tranzistoriai naudojami elektros variklių pavarose, impulsiniuose įtampos reguliatoriuose.
Monokristaliniai puslaidininkiai ir moduliai, skirti grandinėms atidaryti ir uždaryti, padidina galią, tačiau veikia tik kaip jungikliai. Skaitmeniniuose prietaisuose lauko tranzistoriai naudojami kaip ekonomiški moduliai. Integruotų eksperimentų koncepcijos gamybos metodai apima tranzistorių gamybą viename silicio luste.
Miniatiūrizuojant kristalus, kompiuteriai tampa greitesni, suvartoja mažiau energijos ir išskiria mažiau šilumos.
Susiję straipsniai:
