Что такое транзисторы?

Давайте проанализируем наше определение транзисторов выше. Во-первых, транзисторы — это полупроводниковые устройства. Как и другие полупроводниковые устройства, такие как диоды, транзисторы состоят из легированных областей на полупроводниковой подложке.

Транзисторы — это устройства, имеющие несколько (два или три) входа и один выход . Ток протекает только между одним из входов и выходом. Основное действие транзистора заключается в управлении током между первичным входом и выходом. Другие входы используются для управления этим током.

Модель транзистора

Самый простой тип транзистора называется транзистором с биполярным переходом (BJT). Транзисторы с биполярным переходом (BJT), по сути, представляют собой всего лишь два PN-перехода, расположенных спина к спине, в конфигурациях NPN или PNP. Таким образом, BJT имеют три легированные области и по одному терминалу для каждой области.

Три клеммы соответствуют двум входам и одному выходу. Две входные клеммы называются база и коллектор , а выходная клемма называется эмиттер . Напряжение на базе (измеренное между базой и эмиттером) управляет током между коллектором и эмиттером.

Транзисторы можно представить себе как клапан, управляющий потоком тока между двумя клеммами. Подобно тому, как клапан может быть механически (или электрически) переведен в различные положения для управления потоком жидкости, напряжение на базе BJT управляет потоком тока между эмиттером и коллектором.

Если напряжение между базой и эмиттером равно нулю, транзистор находится в выключенном состоянии. Между коллектором и эмиттером тока не будет.

Это позволяет транзистору функционировать как переключатель , включая или выключая ток между коллектором и эмиттером.

Когда напряжение подается на базу и эмиттер, транзистор включается, позволяя току течь между коллектором и эмиттером. Только небольшое количество тока проходит от базы к эмиттеру.

Более высокие напряжения вызывают гораздо большее изменение выходного напряжения между коллектором и эмиттером. Это позволяет транзистору работать как усилитель , при этом напряжение на базе усиливает напряжение на коллекторе и эмиттере. Обратите внимание, что энергия не создается в усилителе; функция усилителя состоит в том, чтобы использовать один сигнал для непропорционального усиления другого сигнала, а не создавать энергию из ничего (что физически невозможно).

Транзисторы работают как переключатели или усилители только тогда, когда они помещены в правильно спроектированную схему. Вот почему лучше всего думать о транзисторах как о 9Клапаны 0402 , а не переключатели или усилители .

Другой распространенный тип транзистора называется полевым транзистором (FET). В полевом транзисторе (FET) функциональность почти такая же, но три вывода имеют разные названия. Полевые транзисторы используют термины вентиль , исток и сток для описания трех выводов.

В полевом транзисторе ток течет от стока к истоку и регулируется напряжением между затвором и истоком.

Транзистор в качестве переключателя

В качестве переключателей транзисторы невероятно полезны в логических схемах, где один вход (на базе в BJT или на затворе в полевом транзисторе) может управлять выходным сигналом, который соответствует двоичный сигнал, «0» для ложного и «1» для истинного.

Ранние компьютеры использовали электронные лампы и реле для выполнения функции переключения, а системы, основанные на логических системах переключения, были разработаны задолго до изобретения транзисторов. Фактически систематическая теория логики, основанная на бинарной системе, была разработана в XIX в.век.

В современной электронике коммутационное действие транзистора облегчает использование двоичной логики в схемах. Когда транзистор пропускает ток путем включения, он функционирует как значение «1». Когда он выключается и предотвращает ток, он функционирует как значение «0». Затем этот вход используется в логических схемах для выполнения более сложных операций, позволяющих функционировать компьютерам.

Двоичная логика с использованием полевого транзистора

Большинство компьютерных технологий используют полевые транзисторы для выполнения двоичной логики.

Давайте посмотрим, как компьютеры используют полевые транзисторы в качестве переключателей для обеспечения двоичной логики. Когда между затвором и истоком нет напряжения, транзистор «закрыт», потому что ток между стоком и истоком не течет. Это соответствует двоичному значению «0».

Когда на затвор и исток подается напряжение, транзистор переключается в состояние «включено». Теперь ток может течь между стоком и истоком. Это соответствует двоичному значению «1».

Два значения «0» и «1» используются для выполнения всех логических операций, а также для хранения информации в памяти компьютера. Таким образом, транзисторы являются наиболее важными частями как компьютерных процессоров, так и микросхем памяти. Вот почему так важны транзисторы; они имеют решающее значение для работы современных компьютерных систем.

Двоичные и троичные и другие сложные системы

Двоичные системы используют только два значения, «0» и «1», вместо нескольких значений. Двоичный используется в первую очередь потому, что в нем труднее ошибиться. Например, троичные системы используют три значения и были ранним конкурентом двоичных систем. Троичная система может использовать значения «0», «1» и «2». Что происходит, когда сигнал равен 1,4 или 0,6? Система может выполнить расчет неправильно из-за небольшой разницы в значении. В двоичной системе есть только два значения, которые разнесены достаточно далеко друг от друга, чтобы сделать этот тип ошибки необычным.

Транзистор в качестве усилителя

Точно так же, как вход на базу (в биполярном транзисторе) или затвор (в полевом транзисторе) позволяет транзистору переключаться, увеличение также приводит к усилению. Это делает транзистор полезным во многих различных приложениях, включая усилители мощности, звука и радиосигналов.

Транзисторы следует тщательно выбирать в зависимости от их применения, особенно когда они используются для усиления. Например, те же транзисторы, используемые в качестве переключателей в логических схемах (МОП-транзисторы), не оптимизированы для использования в усилителях мощности.

Что делает транзисторы такими важными?

Транзисторы действительно лежат в основе современной электроники, включая практически все производимые в настоящее время компьютерные устройства. От сотовых телефонов до ноутбуков и телевизоров транзисторы являются важными компонентами нашего современного существования.

Чем больше транзисторов в схеме, тем мощнее может быть эта схема. Это приводит к более быстрым и мощным процессорам и большему объему памяти в каждом устройстве.

Увеличение количества транзисторов в интегральных схемах (ИС) было основной целью полупроводниковой промышленности в соответствии с законом Мура. Это достигается в первую очередь за счет уменьшения размера и улучшения конструкции транзисторов, что позволяет увеличивать размер транзистора с течением времени.

Типы транзисторов

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор (BJT) самый простой тип транзистора. BJT, по сути, представляют собой P-N-переходы с дополнительной легированной областью. Существует два типа BJT, соответствующих трем легированным областям; ПНП и НПН. PNP BJT имеет n-легированную область, расположенную между двумя p-легированными областями. NPN BJT имеет одну p-допированную область, расположенную между двумя n-допированными областями. Они оба функционируют одинаково, а средняя область выступает в качестве основы.

Полевой транзистор

Полевые транзисторы (FET) имеют несколько преимуществ по сравнению с биполярными транзисторами. Для них требуется напряжение смещения, но не ток через затвор и исток. Это означает, что они могут иметь значительно более высокий входной импеданс и, следовательно, потреблять гораздо меньше энергии, чем биполярные транзисторы. Их также можно уменьшить до меньших размеров, чем BJT, что делает их более эффективными для использования в интегральных схемах. Одним из недостатков полевых транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами является то, что они обеспечивают меньшее усиление или коэффициент усиления.