Транзистор, общие понятия, основные правила.

Общее понятие

Транзистор – это один из основных «активных» компонентов. Он представляет собой устройство, которое может усиливать входной сигнал по мощности. Увеличение мощности сигнала происходит за счет внешнего источника питания. Отметим, что увеличение амплитуды сигнала не является в данном случае определяющим. Так, например, повышающий трансформатор – «пассивный» компонент, такой же, как резистор или конденсатор, обеспечивает усиление по напряжению, но не может усилить сигнал по мощности. Устройства, которые обладают свойством усиления по мощности, характеризуются способностью к генерации, обусловленной передачей выходного сигнала обратно на вход.

Изобретателей транзистора когда‑то заинтересовала именно способность устройства усиливать сигнал по мощности. Для начала они соорудили с помощью транзистора усилитель звуковых частот для громкоговорителя и убедились, что на выходе сигнал больше, чем на входе.

Транзистор является неотъемлемой частью всякой электронной схемы, начиная от простейшего усилителя или генератора до сложнейшей цифровой вычислительной машины. Интегральные схемы (ИС), которые в основном заменили схемы, собранные из дискретных транзисторов, представляют собой совокупности транзисторов или других компонентов, построенные на едином кристалле полупроводникового материала.

Обязательно следует разобраться в том, как работает транзистор, даже если вам придется пользоваться в основном интегральными схемами. Дело в том, что, для того чтобы собрать электронное устройство из интегральных схем и подключить его к внешним цепям, необходимо знать входные и выходные характеристики каждой используемой ИС. Кроме того, транзистор служит основой построения межсоединений, как внутренних (между ИС), так и внешних.

Основные правила, описывающие биполярный транзистор

Напряжение на выводе транзистора, взятое по отношению к потенциалу земли, обозначается буквенным индексом (К, Б или Э): например,

U _к ‑ это напряжение на коллекторе. Напряжение между выводами обозначается двойным индексом, например, U_БЭ ‑ это напряжение между базой и эмиттером. Если индекс образован двумя одинаковыми буквами, то это – напряжение источника питания: U _KK ‑ это напряжение питания (обычно положительное) коллектора, U_ЭЭ – напряжение питания (обычно отрицательное) эмиттера.

Транзистор – это электронный прибор, имеющий три вывода.

Условные обозначения транзистора

Различают биполярные транзисторы

n‑р‑n ‑ и p‑n‑p ‑типа. Транзисторы n‑р‑n ‑типа, подчиняются следующим правилам (для транзисторов р‑n‑р ‑ типа, правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

Правило1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.

Правило2. Цепи база‑эмиттер и база‑коллектор работают как диоды. Обычно диод база‑эмиттер открыт, а диод база‑коллектор смещен в обратном направлении, т.  е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через, него.

Выводы транзистора с точки зрения омметра.

Правило3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями I_K, I_Б и U_КЭ. За превышение этих значений приходится расплачиваться новым транзистором. Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности (I_КЭU_КЭ), температуры, U_БЭ и др.

Правило4. Если правила 1–3 соблюдены, то ток I_К прямо пропорционален току I_Б и можно записать следующее соотношение:

I_K = h_21ЭI_Б = βI_Б

где

h _21Э ‑ коэффициент усиления по току (обозначаемый также β), обычно составляет около 100 (легко определяется, например,тестером ESR meter DIY MG328). Токи I_K и I_Э втекают в эмиттер. Замечание: коллекторный ток не связан с прямой проводимостью диода база‑коллектор; этот диод смещен в обратном направлении. Будем просто считать, что «транзистор так работает».

Правило4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Запомните: параметр

h_21Э  нельзя назвать «удобным»; для различных транзисторов одного и того же типа его величина может изменяться от 50 до 250. Он зависит также от тока коллектора, напряжения между коллектором и эмиттером, и температуры. Схему можно считать плохой, если на ее характеристики влияет величина параметра h_21Э.

Из правила 2 следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как если потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6–0,8 В (прямое напряжение диода), то возникнет очень большой ток.

Следовательно, в работающем транзисторе напряжения на базе и эмиттере связаны следующим соотношением: U_Б = U_Э + 0,6 В (U_Б = U_Э + U_БЭ). Еще раз уточним, что полярности напряжений указаны для транзисторов n‑р‑n ‑типа, их следует изменить на противоположные для транзисторов р‑n‑р ‑ типа.

Следует обратить внимание, что ток коллектора не связан с проводимостью диода. Дело в том, что обычно к диоду коллектор‑база приложено обратное напряжение. Более того, ток коллектора очень мало зависит от напряжения на коллекторе (этот диод подобен небольшому источнику тока), в то время как прямой ток, а следовательно, и проводимость диода резко увеличиваются при увеличении приложенного напряжения.

Смотрите больше:

ГЛАВА 2. ТРАНЗИСТОРЫ

Подразделы: Введение 2.01

Транзистор — это один из основных «активных» компонентов. Он представляет собой устройство, которое может усиливать входной сигнал по мощности. Увеличение мощности сигнала происходит за счет внешнего источника питания. Отметим, что увеличение амплитуды сигнала не является в данном случае определяющим. Так, например, повышающий трансформатор — «пассивный» компонент, такой же, как резистор или конденсатор, обеспечивает усиление по напряжению, но не может усилить сигнал по мощности. Устройства, которые обладают свойством усиления по мощности, характеризуются способностью к генерации, обусловленной передачей выходного сигнала обратно на вход.

Изобретателей транзистора когда-то заинтересовала именно способность устройства усиливать сигнал по мощности. Для начала они соорудили с помощью транзистора усилитель звуковых частот для громкоговорителя и убедились, что на выходе сигнал больше, чем на входе.

Транзистор является неотъемлемой частью всякой электронной схемы, начиная от простейшего усилителя или генератора до сложнейшей цифровой вычислительной машины. Интегральные схемы (ИС). которые в основном заменили схемы, собранные из дискретных транзисторов, представляют собой совокупности транзисторов или других компонентов, построенные на едином кристалле полупроводникового материала.

Обязательно следует разобраться в том, как работает транзистор, даже если вам придется пользоваться в основном интегральными схемами. Дело в том, что, для того чтобы собрать электронное устройство из интегральных схем и подключить его к внешним цепям, необходимо знать входные и выходные характеристики каждой используемой ИС. Кроме того, транзистор служит основой построения межсоединений, как внутренних (между ИС), так и внешних. И наконец, иногда (и даже довольно часто) случается, что подходящей ИС промышленность не выпускает и приходится прибегать к схемам, собранным из дискретных компонентов. Как вы сами вскоре убедитесь, транзисторы сами по себе очень интересны, и ознакомление с их работой доставит вам удовольствие.

Мы будем рассматривать транзисторы совершенно не так, как авторы других книг. Обычно изучая транзистор, пользуются его эквивалентной схемой и h — параметрами. На наш взгляд, такой подход сложен и надуман. И дело не только в том, что, глядя на мудреные уравнения, вы едва ли поймете, как работает схема, скорее всего вы будете иметь смутное представление о параметрах транзистора, их значениях и самое главное диапазонах изменения.

Мы предлагаем вам другой подход. В этой главе мы построим простую модель транзистора и с ее помощью создадим несколько схем. Как только начнут проявляться ограничения модели, дополним ее с учетом уравнений Эберса-Молла. Полученная таким образом модель даст правильное представление о работе транзистора; с ее помощью вы сможете создавать самые хорошие схемы, не прибегая к большим расчетам. Кроме того, характеристики ваших схем не будут серьезно зависеть от таких неуправляемых параметров транзистора как, например, коэффициент усиления по току.

И наконец, несколько слов о принятых в инженерной практике условностях. Напряжение на выводе транзистора, взятое по отношению к потенциалу земли, обозначается буквенным индексом (К, Б или Э): например, U_к — это напряжение на коллекторе. Напряжение между выводами обозначается двойным индексом, например, U_бэ — это напряжение между базой и эмиттером. Если индекс образован двумя одинаковыми буквами, то это — напряжение источника питания: U_кк — это напряжение питания (обычно положительное) коллектора, U_ээ — напряжение питания (обычно отрицательное) эмиттера.

Подразделы: Введение 2.01

Некоторые основные транзисторные схемы

Транзисторы объяснили — что это такое и для чего они нужны

Содержание

– Почему важны транзисторы

– Что такое транзистор?

— История транзистора

– Как работают транзисторы?

• Роль полупроводников

• Транзисторы n-типа и p-типа

– Какие типы транзисторов существуют?

• БЮТ и МОП-транзистор

• Конструкции транзисторов – планарные, FinFET и Gate-all-around

– Как делают транзисторы

– Кто производит транзисторы?

Транзистор – сочетание слов передача fer и res istor – тип полупроводникового устройства, которое обычно используется для усиления или переключения электронных сигналов и является одним из строительных блоков современной электроники. Он состоит из трех слоев полупроводникового материала, обычно кремния, причем каждый слой имеет разный заряд. Триллионы транзисторов встроены в электронные устройства на Земле и в космосе.

Внешние слои называются «слив» и «исток», а средний слой — «ворота». Транзистор работает, используя напряжение, подаваемое на затвор, для управления потоком тока между стоком и истоком. Когда на затвор подается небольшое напряжение, между стоком и истоком протекает большой ток, эффективно усиливающий входной сигнал. Когда напряжение, подаваемое на затвор, увеличивается, он блокирует протекание тока между стоком и истоком, эффективно отключая транзистор.

Транзисторы широко используются в электронных схемах, потому что они могут усиливать или коммутировать сигналы с очень небольшим энергопотреблением, и их можно легко интегрировать в различные конфигурации схем. Они являются важным компонентом широкого спектра электронных устройств, включая компьютеры, смартфоны и другую бытовую электронику.

Почему важны транзисторы

Транзисторы важны, потому что они являются строительными блоками современных электронных схем и используются в самых разных электронных устройствах. Они являются ключевым компонентом многих продуктов, которые мы используем ежедневно, включая компьютеры, смартфоны и другую бытовую электронику.

Транзистор называют «рабочей лошадкой электронных технологий» и «нервными клетками века информации». Без них мы до сих пор жили бы в 1950-х, говоря электронным языком: без портативных компьютеров, игровых приставок, электронных камер, смартфонов, смарт-часов и интернета, без GPS, без космических телескопов и марсоходов, без современных автомобилей. никаких крошечных слуховых аппаратов и громоздких черно-белых телевизоров. Производство, финансы, здравоохранение, наука и исследования, транспорт — затронуты будут почти все аспекты современной жизни. Транзисторы также используются для высокочастотных приложений, таких как схемы генератора, используемые для генерации радиосигналов.

Транзисторы обладают несколькими важными характеристиками, которые делают их подходящими для использования в электронных схемах. Они могут усиливать или переключать сигналы с очень низким энергопотреблением, их можно легко интегрировать в различные конфигурации схем, и они могут быть изготовлены с использованием различных материалов и процессов.

Помимо практического применения, транзисторы также оказали значительное влияние на общество и культуру. Разработка транзистора сыграла решающую роль в развитии компьютерной и телекоммуникационной индустрии и способствовала быстрому темпу технологических изменений, которые мы наблюдаем в течение последних нескольких десятилетий.

С момента своего изобретения в 1947 году транзисторы стали невообразимо маленькими, размером с одну цепочку ДНК! Например, новейшая 2-нанометровая (нм) технология IBM позволяет компании втиснуть ошеломляющие 50 миллиардов транзисторов в чип размером с ноготь. Даже используемые в коммерческих целях устройства, такие как нынешние топовые процессоры M2, используемые Apple, представляют собой чипы, построенные по 5-нм технологии, которые уже содержат 20 миллиардов транзисторов.

Пластина с узловыми чипами 2 нм. (Изображение: IBM)

На сегодняшний день транзисторы чаще всего используются в микросхемах компьютерной памяти и микропроцессорах.

Что такое транзистор?

Транзисторы являются активными компонентами компьютерного чипа (также называемого микрочипом, интегральной схемой или ИС), который может содержать миллиарды этих устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. На чипе транзисторы действуют как взаимосвязанные миниатюрные электрические переключатели, которые могут усиливать электрические сигналы или включать или выключать ток.

Как и любой электрический переключатель, транзистор должен исключительно хорошо выполнять три задачи: пропускать максимальный ток во включенном состоянии; не допускайте утечки тока, когда он выключен; и включать и выключать как можно быстрее, чтобы гарантировать оптимальную производительность.

Это означает, что каждый транзистор может находиться в двух разных состояниях, сохраняя два числа — ноль и единицу. С миллиардами транзисторов чип может содержать миллиарды нулей и единиц, отправляя, получая и обрабатывая значительный объем данных.

Ряд из шести 2-нм транзисторов, каждый с четырьмя затворами, как видно с помощью просвечивающей электронной микроскопии. 2 нм не больше ширины одной цепи ДНК человека. (Изображение: IBM)

История транзистора

В 1940-х годах электронные лампы и электромеханические реле широко использовались в быстро растущих телефонных сетях. Электромеханические реле сделали реальностью полностью автоматический телефонный набор и переключение, но реле имели низкую скорость.

Вакуумные лампы широко использовались в качестве диодов и триодов в электронной промышленности того времени. Первый компьютер, который будет использовать электронные лампы, Электронный числовой интегратор и компьютер, также известный как ENIAC, был построен в 1946 году. Фактически, ENIAC использовал более 17 000 электронных ламп для своей работы, что позволяло отправлять сигналы и выполнять вычисления. выполняться быстрее за счет использования электрического переключения, а не более медленного механического переключения.

Проблема с электронными лампами заключалась в том, что они были не очень надежными и были огромными по сравнению с транзисторами — как следствие, ENIAC занимал 15×9метров (50х30 футов) большая комната. Он обрабатывал около 500 операций с плавающей запятой в секунду (FLOPS). Теоретическая производительность процессора Apple M2 в последних iPhone оценивается в 3,6 терафлопс, то есть 3,6 трлн флопс — и это умещается на ногте.

Вакуумные трубки. (Фото)

В 1940-х годах в лабораториях Bell Labs в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси, физики Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли приступили к изучению полупроводниковых материалов, чтобы выяснить, смогут ли они создать прочную альтернативу, которая в конечном итоге сможет заменить электронные лампы. в телефонных сетях.

Бардин, Браттейн и Шокли тестировали различные комбинации полупроводников p-типа и n-типа в различных условиях, пока наконец не нашли конфигурацию, которая позволила бы тонкому слою полупроводника регулировать большой ток между двумя электродами.

16 декабря 1947 года они продемонстрировали первый работающий транзистор, теперь известный как транзистор с точечным контактом (подвиг, за который они были удостоены Нобелевской премии по физике 1956 года). Первый транзистор был размером примерно с большой палец.

Первый собранный транзистор. Он был назван транзистором с точечным контактом, потому что усиление происходило, когда два заостренных металлических контакта прижимались к поверхности полупроводникового материала. (Изображение: Nokia Bell Labs)

Хотя транзистор с точечным контактом был первым изобретённым транзистором, он так и не стал коммерчески успешным, поскольку трудно контролируемые изменения в точечных контактах металл-полупроводник затрудняли их надёжное производство. и с едиными рабочими характеристиками.

Коммерческие транзисторы начали набирать обороты после того, как в июле 1951 года Bell Labs объявила об успешном изобретении и разработке переходного транзистора.

К концу 1950-х годов транзисторы с биполярным переходом почти полностью заменили электронные лампы в компьютерных приложениях.

Транзистор работал эффективнее электронной лампы и потреблял меньше энергии. Это не только произвело революцию в телефонных сетях и компьютерных технологиях, но также позволило компьютерам стать меньше и экономичнее, а также развиваться более быстрыми темпами. Транзисторы стали ступенькой между электронными лампами и современными компьютерными технологиями.

В 1971 году появился первый микропроцессор: Intel 4004, включающий 2300 транзисторов и первую память. Ширина линии схемы микропроцессора Intel 4004 составляла 10 микрон или 10 000 нанометров. 40 лет спустя процессор Intel Core с 32-нм кристаллом содержал 560 миллионов транзисторов. Еще через 10 лет, к 2021 году, топовые процессоры M2, используемые Apple, представляют собой чипы, построенные по 5-нм технологии и содержащие 20 миллиардов транзисторов.

Сложность интегральных схем росла экспоненциально, удваиваясь каждые 2-3 года в соответствии с законом Мура, по мере того как транзисторы продолжали становиться все более миниатюрными.

Закон Мура, постулированный одним из основателей Intel Гордоном Муром в 1965 году, соблюдает эмпирическую закономерность, согласно которой количество транзисторов в интегральных схемах удваивается примерно каждые два года. Это наблюдение остается в силе уже более 50 лет и способствует развитию вычислительной техники, в том числе скорости обработки и стоимости компьютеров.

Закон Мура: Количество транзисторов удваивается каждые два года. (щелкните изображение, чтобы увеличить его) (Источник: OurWorldInData.org, лицензия CC-BY)

Как работают транзисторы?

Транзистор — это устройство для управления, усиления и генерации электрических сигналов практически во всех современных электронных устройствах. Он основан на электронных свойствах полупроводникового материала для его функции регулировать или контролировать ток или поток напряжения, усиливая и генерируя эти электрические сигналы и действуя для них как переключатель / ворота.

Транзистор работает как электронный переключатель, который может включать и выключать ток. Таким образом, его основной принцип работы применяется непосредственно к обработке двоичного кода (0, ток заблокирован, 1 он проходит) в логических схемах (инверторах, логических элементах, сумматорах и ячейках памяти). Но транзистор также может быть частично включен, что полезно для создания усилителей.

Роль полупроводников

В отличие от проводников, таких как металлы, которые имеют множество свободных электронов для передачи электрического тока, полупроводники, такие как кремний и германий, имеют очень мало носителей заряда. Однако добавление небольшого количества определенных примесей — процесс, называемый легированием, — может изменить количество носителей заряда. Легирование модулирует его электрические, оптические и структурные свойства и, как следствие, позволяет кремнию приобретать свободные электроны, которые переносят электрический ток.

Когда полупроводник подвергся легированию, его называют внешним полупроводником . Напротив, полупроводник в чистом нелегированном виде представляет собой собственный полупроводник .

При легировании кремния существует два типа примесей, по которым классифицируются кремниевые полупроводники: n-типа, когда из него вытекают электроны, и p-типа, когда электроны в него втекают. В любом случае полупроводник позволяет транзистору функционировать как переключатель или усилитель.

Транзисторы n-типа и p-типа

Например, если в кремний добавить небольшое количество фосфора или мышьяка, получится хороший полупроводник, в котором электроны, отданные фосфором или мышьяком, действуют как носители заряда. Полупроводники, полученные таким образом, называются полупроводниками n-типа, так как заряд носителей отрицательный.

Более примечательный тип полупроводника образуется при легировании кремния небольшим количеством бора или галлия. Бор или галлий обеспечивают положительно заряженный носитель, похищая электрон у кремния. Вместо электрона остается дырка, и эта дырка может перемещаться внутри полупроводника, действуя как носитель положительного заряда. Эти полупроводники называются полупроводниками р-типа.

Техническое значение полупроводников во многом связано с взаимодействием дырок и электронов. Существенная разница между легированием n- и p-типа заключается в направлении, в котором электроны текут через осажденные слои полупроводника. Кремний как n-, так и p-типа является хорошим (но не отличным) проводником электричества. Кремний N- и p-типа сам по себе не представляет ничего удивительного. Однако, когда вы соединяете их вместе, интересное поведение проявляется на стыке между ними.

Работа переходных транзисторов, как и большинства других полупроводниковых устройств, сильно зависит от поведения электронов и дырок на границе раздела двух разнородных слоев, известной как p-n переход.

Какие типы транзисторов существуют?

Конструкция транзистора со временем претерпела изменения: от планарных до FinFET-транзисторов и транзисторов со сквозным затвором (GAA).

BJT и MOSFET

Обычно транзистор, основанный на транспорте электронов в твердом теле (т. е. твердотельное устройство), а не в вакууме, как в старых вакуумных лампах, состоит как минимум из три вывода для подключения к электронной схеме: база, эмиттер и коллектор, как они называются в классическом транзисторе с биполярным переходом (BJT). В современных переключающих приложениях, в которых используются полевые транзисторы (FET), они называются вентиль , сток и источник .

Источник действует как эмиттерная нить накала электронной лампы; слив действует как пластина коллектора; и ворота действуют как контроллер. Эти элементы работают по-разному в двух основных типах транзисторов, используемых сегодня: транзисторах с биполярным переходом, которые появились первыми, и полевых транзисторах металл-оксид-полупроводник (MOSFET).

Схематический обзор планарного MOSFET n-типа с легированными областями истока и стока. (Изображение: Азал Алотмани, Лундский университет)

При работе в качестве усилителя транзистор преобразует небольшой входной ток в больший выходной ток. В качестве переключателя он может находиться в одном из двух различных состояний — ВКЛ или ВЫКЛ — для управления потоком электронных сигналов через электрическую цепь или электронное устройство.

Сегодня МОП-транзисторы являются наиболее распространенным типом транзисторов. Это связано с уникальными характеристиками этого транзистора, в основном с низким энергопотреблением и высокой производительностью. Его можно использовать в качестве переключателя, а также для усиления сигналов в электронных устройствах.

Конструкции транзисторов

Планарные транзисторы

(Изображение: ASML)

Эта конструкция является классическим транзистором с биполярным переходом (так называемый, потому что он имеет два p-n перехода транзистора), который соединяет ключевые элементы двумерная плоскость, включающая затвор, который модулирует проводимость через канал, исток, через который управляющий ток входит в канал, и сток, через который ток выходит из канала.

Типы биполярных переходных транзисторов: транзисторы n-p-n и p-n-p. Транзистор n-p-n изготавливается путем помещения материала p-типа между двумя материалами n-типа. Транзистор p-n-p изготавливается путем помещения материала n-типа между двумя материалами p-типа.

Все эти компоненты построены на основе полупроводникового материала кремния. Эта концепция транзистора была промышленно внедрена в 1950-х и 60-х годах и очень подходила для массового производства и миниатюризации.

Транзисторы FinFET

(Изображение: ASML)

Со временем инженеры обнаружили, что можно лучше контролировать поток тока в канале, поднимая ворота над плоскостью кремния, как плавник над водой. . В то время как биполярный транзистор управляется током, полевой транзистор (FET) управляется напряжением. Кроме того, полевой транзистор является униполярным устройством, что означает, что он изготовлен с использованием материала p-типа или n-типа в качестве основной подложки. Следовательно, проводимость тока полевого транзистора осуществляется либо электронами, либо дырками.

Основным преимуществом полевого транзистора является то, что он имеет очень высокий входной импеданс, порядка мегаОм. Дополнительными преимуществами являются низкое энергопотребление и низкое тепловыделение, что делает полевые транзисторы высокоэффективными устройствами. Следовательно, промышленность переключилась с 2D-планарных транзисторов на полевые транзисторы с 3D-ребрами, сокращенно FinFET.

В транзисторах FinFET затвор охватывает канал с трех сторон кремниевого ребра, а не через его верхнюю часть, как в планарных транзисторах. Это создает инверсионный слой с гораздо большей площадью поверхности, что позволяет затвору лучше контролировать протекание тока через транзистор. Это означает, что через транзистор может протекать больший ток с меньшей утечкой, а для работы транзистора требуется более низкое напряжение затвора. Кроме того, вертикальная геометрия FinFET позволила инженерам упаковать больше транзисторов в микросхему, еще больше продвинув закон Мура. Результатом стал чип с более высокой производительностью, меньшим энергопотреблением и лидирующим статусом в 2010-х годах.

Транзисторы со сквозным затвором

(Изображение: ASML)

Благодаря современным узлам микросхем, которые производят ведущие производители микросхем, полевые транзисторы FinFET достигают предела своих возможностей. сколько ребер можно поставить рядом друг с другом, чтобы увеличить их пропускную способность по току, не страдая от проблем с электричеством.

Чтобы еще больше улучшить управление транзисторным каналом, инженеры нашли способ заменить вертикальное ребро стопкой горизонтальных листов, создав новую концепцию, называемую полевыми транзисторами с открытым затвором, которые сокращенно называются GAA-транзисторами. или GAAFET.

Транзисторы со сквозным затвором используют многослойные нанолисты. Эти отдельные горизонтальные листы уложены друг на друга вертикально, так что затвор окружает канал со всех четырех сторон, дополнительно уменьшая утечку и увеличивая управляющий ток. Это означает, что превосходные электрические сигналы проходят через транзисторы и между ними, улучшая производительность чипа.

Кроме того, у производителей микросхем теперь есть возможность варьировать ширину нанолистов в соответствии с конкретной конструкцией микросхемы. В частности, широкие нанолисты обеспечивают более высокий и лучший управляющий ток, а узкие нанолисты могут оптимизировать энергопотребление.

Как изготавливаются транзисторы

Транзисторы на микросхемах изготавливаются путем создания слоев взаимосвязанных структур на кремниевой пластине. Этот производственный процесс представляет собой очень сложное предприятие, включающее сотни высокоточных шагов, выполняемых в сверхчистых помещениях со сложным и специализированным оборудованием.

С самого начала транзисторы изготавливались из кремния (Si), который остается наиболее широко используемым полупроводником из-за исключительного качества интерфейса, создаваемого кремнием и оксидом кремния (SiO2), который служит изолятором.

Вот краткий обзор основных этапов:

1) Осаждение

Первым этапом создания микрочипа обычно является нанесение тонких пленок материалов на кремниевую пластину. Эти материалы могут быть проводниками, изоляторами или полупроводниками.

2) Литография

Литография, или фотолитография, является важным этапом в процессе изготовления компьютерных микросхем. Он включает в себя покрытие пластины светочувствительным материалом и экспонирование ее светом внутри литографической машины.

3) Покрытие фоторезистом

Для печати слоя чипа пластина сначала покрывается светочувствительным слоем, называемым «фоторезистом» или для краткости «резистом». Затем он поступает в литографическую машину.

4) Экспонирование

Внутри литографической машины свет проецируется на пластину через сетку, содержащую план печатаемого рисунка. Оптика системы сжимает рисунок и фокусирует его на резисте. Когда свет попадает на резист, он вызывает химические изменения, воссоздавая рисунок сетки на резисте.

5) Компьютерная литография

Сетку, содержащую рисунок, который будет напечатан на пластине, иногда необходимо оптимизировать путем преднамеренной деформации рисунка, чтобы компенсировать физические и химические эффекты, возникающие во время литографии.

6) Запекание и проявление

После выхода из литографической машины пластина запекается и проявляется, чтобы сделать эти изменения постоянными, а часть фоторезиста смывается, чтобы создать узор из открытых пространств в резисте.

7) Травление

Такие материалы, как газы, используются для травления материала из открытых пространств, образующихся на этапе разработки, оставляя трехмерную версию рисунка.

8) Метрология и контроль

На протяжении всего процесса производства чипов пластина измеряется и проверяется на наличие ошибок. Эти измерения возвращаются в системы и используются для оптимизации и стабилизации оборудования.

9) Ионная имплантация

Пластина также может быть подвергнута бомбардировке положительными или отрицательными ионами для настройки полупроводниковых свойств частей шаблона перед удалением оставшегося фоторезиста.

10) Повторять, повторять, повторять

Шаги 1-9, от осаждения до удаления сопротивления, повторяются до тех пор, пока пластина не будет покрыта узором, завершая один слой чипов пластины. Чтобы сделать весь чип, этот процесс можно повторить до 100 раз, накладывая шаблоны поверх шаблонов, чтобы создать интегральную схему.

11) Обработанная пластина

На последнем этапе производства пластина нарезается на отдельные чипсы, которые помещаются в защитные пакеты.

Процесс производства чипов состоит из двух этапов: предварительный процесс, при котором чипы формируются на пластинах, и завершающий процесс, когда готовые пластины разрезаются и чипы размещаются в своих упаковках. (Изображение: Toshiba)

Здесь, на веб-сайте Toshiba, есть отличная карта производственного процесса, от начального роста пленки оксида кремния до окончательного процесса создания слоя проводки.

Кто производит транзисторы?

Транзисторы производятся различными компаниями, в том числе крупными транснациональными корпорациями, а также небольшими специализированными фирмами. Некоторые из ведущих производителей транзисторов включают:

• Intel
• Самсунг
• TSMC (Тайваньская компания по производству полупроводников)
• СК Хайникс
• Qualcomm
• Бродком
• Техасские инструменты
• ПО Полупроводник

Эти компании используют различные материалы и процессы для производства транзисторов, включая кремний, германий и другие полупроводниковые материалы. Они также могут производить различные типы транзисторов, такие как биполярные транзисторы, полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (МОП-транзисторы) и другие типы устройств. Многие из этих компаний также разрабатывают и производят полупроводниковые устройства других типов, такие как интегральные схемы, микросхемы памяти и датчики.

Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (которая производит все чипы Apple), Intel и Samsung Electronics — единственные компании, которые могут производить самые современные микрочипы. Причина, по которой этот клуб настолько эксклюзивен, заключается в огромных капитальных затратах на строительство заводов по производству полупроводников (

фабрики или литейных цеха ), которые производят эти микросхемы. Например, TSMC, как сообщается, тратит 34 миллиарда долларов на свой последний литейный завод, который будет производить будущие 2-нм чипы.

Однако эти фабрики не могли существовать сами по себе. Передовая полупроводниковая промышленность представляет собой сложную сеть специализированных компаний из Америки, Европы и Азии.

Просто чтобы дать вам представление об этой экосистеме: используя сложные инструменты автоматизированного проектирования и программное обеспечение от Synopsys и Cadence, такие компании, как AMD, Qualcomm, Intel, Apple и Nvidia, преуспевают в разработке самых передовых чипов. Applied Materials разрабатывает и производит оборудование, используемое на различных этапах процесса изготовления пластин. ASML обеспечивает литографию. Zeiss SMT специализируется на оптических линзах, которые рисуют трафареты на кремниевых пластинах этих конструкций, используя как глубокий, так и экстремальный ультрафиолетовый свет. Lam Research, KLA и другие фирмы поставляют различное сложное и узкоспециализированное оборудование для изготовления пластин.

 

Транзистор | Инжиниринг | Fandom

Файл:Transistors.agr.jpg

Транзисторы в ассортименте

Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами, который можно использовать для усиления, переключения, стабилизации напряжения, модуляции сигнала и многих других функций. Транзистор является основным строительным блоком как цифровых, так и аналоговых интегральных схем — схем, управляющих работой компьютеров, сотовых телефонов и всей другой современной электроники.

Содержание

• 1 Введение
• 2 Важность
• 3 История
• 4 типа
  • 4.1 Биполярный транзистор
  • 4.2 Полевой транзистор
  • 4.3 Другие типы транзисторов
  • 4.4 Полупроводниковый материал
  • 4.5 Упаковка
• 5 Использование
  • 5.1 Переключатели
  • 5.2 Усилители
  • 5.3 Компьютеры
• 6 Преимущества транзисторов перед электронными лампами
• 7 Галерея
• 8 Производители транзисторов
• 9 См. также
• 10 ссылок
  • 10.1 Патенты
  • 10.2 Книги
  • 10.3 Прочее
• 11 Внешние ссылки

Введение []

Слово транзистор , придуманное Джоном Робинсоном Пирсом в 1949 году, является сокращением от транс-сопротивление или передаточный варистор (см. раздел истории ниже).

Транзисторы делятся на две основные категории: транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET). Применение тока в биполярных транзисторах и напряжения в полевых транзисторах между входной и общей клеммами увеличивает проводимость между общей и выходной клеммами, тем самым контролируя протекание тока между ними. Для получения дополнительной информации о работе этих двух типов транзисторов см. Полевой транзистор и транзистор с биполярным переходом .

В аналоговых схемах транзисторы используются в усилителях (усилителях постоянного тока, аудиоусилителях, радиочастотных усилителях) и линейных регулируемых источниках питания. Транзисторы также используются в цифровых схемах, где они функционируют как электронные переключатели. Цифровые схемы включают в себя логические элементы, оперативную память (RAM), микропроцессоры и процессоры цифровых сигналов (DSP).

Важность[]

Многие считают транзистор одним из величайших изобретений в современной истории, стоящим по важности наравне с печатным станком, автомобилем и телефоном. Это ключевой активный компонент практически всей современной электроники. Его важность в современном обществе основывается на возможности его массового производства с использованием высокоавтоматизированного процесса (изготовления), который обеспечивает исчезающе низкую стоимость транзистора.

Хотя миллионы отдельных (известных как дискретных ) транзисторов все еще используются, подавляющее большинство транзисторов изготовлено в виде интегральных схем (также называемых микросхемами или просто микросхемами ) вместе с диодами, резисторами, конденсаторами и другими электронными устройствами.

компонентов для создания полных электронных схем. Логический вентиль состоит примерно из двадцати транзисторов, тогда как усовершенствованный микропроцессор по состоянию на 2006 год может использовать до 1,7 миллиарда транзисторов (MOSFET) [1].

Низкая стоимость, гибкость и надежность транзистора сделали его универсальным устройством для немеханических задач, таких как цифровые вычисления. Транзисторные схемы также заменили электромеханические устройства для управления приборами и механизмами. Часто дешевле и эффективнее использовать стандартный микроконтроллер и написать компьютерную программу для выполнения функции управления, чем разрабатывать эквивалентную функцию механического управления.

Из-за низкой стоимости транзисторов и, следовательно, цифровых компьютеров существует тенденция к оцифровке информации. С цифровыми компьютерами, предлагающими возможность быстро находить, сортировать и обрабатывать цифровую информацию, все больше и больше усилий было направлено на то, чтобы сделать информацию цифровой. В результате сегодня многие медиаданные передаются в цифровой форме, а компьютеры преобразуют их и представляют в аналоговой форме. Области, на которые повлияла цифровая революция, включают телевидение, радио и газеты.

История[]

Первые патенты на принцип транзистора были зарегистрированы в Германии в 1928 году Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом. В 1934 году немецкий физик доктор Оскар Хайль запатентовал полевой транзистор. Неясно, была ли когда-либо построена какая-либо конструкция, и это обычно считается маловероятным.

22 декабря 1947 года Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтеру Браттейну удалось создать в Bell Labs первый практичный транзистор с точечным контактом. Эта работа последовала за их усилиями военного времени по производству «кристаллических» смесительных диодов из чрезвычайно чистого германия, используемых в радиолокационных устройствах в качестве элемента смесителя частоты в микроволновых радиолокационных приемниках. Ранние ламповые технологии не подходили для этой роли достаточно быстро, поэтому команда Bell вместо этого использовала твердотельные диоды. Имея в руках эти знания, они обратились к конструкции триода, но обнаружили, что это совсем не просто. В конце концов Бардин разработал новую ветвь физики поверхности, чтобы объяснить наблюдаемое ими «странное» поведение, а Бардину и Браттейну в конце концов удалось создать работающее устройство.

Bell Telephone Laboratories требовалось общее название для нового изобретения: «Полупроводниковый триод», «Твердый триод», «Триод с поверхностными состояниями», «Кристаллический триод» и «Иотатрон» — все рассматривались, но «транзистор», придуманный Джоном Р. Пирс выиграл внутреннее голосование. Обоснование названия описано в следующем отрывке из Технического меморандума компании, призывающего к голосованию:

Шаблон:Цитата

Пирс вспоминал название несколько иначе:

Шаблон:Цитата

Компания Bell запустила производство транзистора в Western Electric в Аллентауне, штат Пенсильвания. Они также передали лицензию ряду других компаний, производящих электронику, в том числе Texas Instruments, которая произвела ограниченный тираж транзисторных радиоприемников в качестве инструмента продаж. Другой компании идея понравилась, и она тоже решила получить лицензию, представив собственное радио под торговой маркой Sony. Ранние транзисторы были «нестабильными» и подходили только для маломощных низкочастотных приложений, но по мере развития конструкции транзисторов эти проблемы постепенно преодолевались. В течение следующих двух десятилетий транзисторы постепенно заменили более ранние электронные лампы в большинстве приложений, а позже сделали возможным множество новых устройств, таких как интегральные схемы и персональные компьютеры.

Шокли, Бардин и Браттейн были удостоены Нобелевской премии по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Бардин впоследствии получил вторую Нобелевскую премию по физике, став одним из двух человек, получивших более одной Нобелевской премии по одной и той же дисциплине за свою работу по исследованию сверхпроводимости.

В августе 1948 года немецкие физики Герберт Ф. Матаре (1912–) и Генрих Уокер (ок. 1912–1981), работавшие в Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse в Париже, Франция, подали заявку на патент на усилитель на основе неосновной несущей. процесс впрыска, который они назвали «транзистроном». Поскольку Bell Labs не делала публичных заявлений о транзисторе до 19 июня.48, трансистрон считался самостоятельно разработанным. Матаре впервые наблюдал эффекты крутизны при производстве германиевых дуодиодов для немецкого радиолокационного оборудования во время Второй мировой войны. Транзистроны серийно производились для французской телефонной компании и военных, а в 1953 году на Дюссельдорфской радиоярмарке был продемонстрирован твердотельный радиоприемник с четырьмя трансистронами.

Динамическая характеристика транзистора могла отображаться в виде кривых на ранней версии Transistor Curve Tracer

Types[]

Template:Float begin |- выровнять = «по центру» | Файл:BJT-символ PNP.svg || ПНП || Файл:JFET P-Channel Labelled.svg || P-канал |- выровнять = «по центру» | Файл:BJT-символ NPN. svg || НПН || Файл:JFET N-Channel Labelled.svg || N-канал |- выровнять = «по центру» | БЮТ || || JFET || Шаблон:Плавающий конец

Транзисторы классифицируются по:

• Полупроводниковый материал: германий, кремний, арсенид галлия, карбид кремния
• Структура: BJT, JFET, IGFET (MOSFET), IGBT, «другие типы»
• Полярность: NPN, PNP, N-канал, P-канал
• Максимальная номинальная мощность: низкая, средняя, ​​высокая
• Максимальная рабочая частота: низкая, средняя, ​​высокая, радиочастота (РЧ), микроволновая (Максимальная эффективная частота транзистора обозначается термином , сокращение от «частота перехода». Частота перехода — это частота, при которой транзистор дает единичное усиление).
• Применение: переключатель, общего назначения, аудио, высоковольтный, супер-бета, согласованная пара
• Физическая упаковка: сквозное металлическое отверстие, сквозное пластиковое отверстие, поверхностный монтаж, матрица шариковой сетки

Таким образом, конкретный транзистор может быть описан как: кремний, поверхностный монтаж, BJT, NPN, маломощный, высокочастотный переключатель .

Биполярный транзистор[]

Биполярный транзистор (BJT) был первым типом транзистора, который производился серийно. Биполярные транзисторы названы так потому, что в них используются как основные, так и неосновные носители. Три терминала называются эмиттер , база и коллектор . Внутри биполярного транзистора существуют два p-n перехода: переход база/коллектор и переход база/эмиттер . BJT обычно называют устройством, работающим от тока, потому что ток эмиттера/коллектора контролируется током, протекающим между выводами базы и эмиттера. В отличие от полевого транзистора, биполярный транзистор представляет собой устройство с низким входным сопротивлением. BJT имеет более высокую крутизну, чем FET. Биполярные транзисторы можно заставить проводить как свет (фотоны), так и ток. Устройства, предназначенные для этой цели, называются фототранзисторами.

Полевой транзистор[]

Полевой транзистор (FET), иногда называемый униполярным транзистором , использует либо электроны (N-канальный полевой транзистор), либо дырки (P-канальный полевой транзистор) для проводимости. Три основных вывода полевого транзистора называются исток , затвор и сток . На некоторых полевых транзисторах предусмотрено четвертое соединение с корпусом (подложкой), но обычно корпус соединяется с истоком внутри.

Напряжение между затвором и истоком управляет током, протекающим между истоком и стоком. В полевых транзисторах ток истока/стока протекает по проводящему каналу около ворота . Этот канал соединяет область источника с областью стока . Проводимость канала изменяется электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным между выводами затвора/истока. Таким образом, ток, протекающий между истоком и стоком, контролируется. Как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы могут работать как со светом (фотонами), так и с напряжением. Устройства, предназначенные для этой цели, называются фототранзисторами.

Полевые транзисторы делятся на два семейства: переходной полевой транзистор (JFET) и полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET). IGFET более известен как металл-оксид-полупроводник FET (MOSFET) из-за его первоначальной конструкции, состоящей из слоя металла (затвор), слоя оксида (изоляция) и слоя полупроводника. В отличие от IGFET, затвор JFET образует PN-диод с каналом, расположенным между истоком и стоком. Функционально это делает N-канальный JFET твердотельным эквивалентом лампового триода, который аналогичным образом образует диод между сеткой и катодом. Также оба устройства работают в режиме режим истощения , они оба имеют высокий входной импеданс, и оба они проводят ток под контролем входного напряжения.

MESFET представляют собой полевые транзисторы JFET, в которых PN-переход с обратным смещением заменен переходом Шоттки полупроводник-металл. Они, а также HEMFET (полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов), в которых двумерный электронный газ с очень высокой подвижностью носителей используется для переноса заряда, особенно подходят для использования на очень высоких частотах (микроволновые частоты; несколько ГГц).

FET дополнительно делятся на типы с режимом истощения и с режимом расширения . Мода относится к полярности напряжения затвора по отношению к источнику на пороге проводимости. Для N-канальных полевых транзисторов с режимом истощения затвор является отрицательным по отношению к истоку, в то время как для N-канальных полевых транзисторов с расширенным режимом затвор положительный на пороге проводимости. Для обоих режимов, если напряжение затвора сделать более положительным, ток истока/стока увеличится. Для P-канальных устройств полярность обратная. Почти все JFET работают в режиме истощения, а большинство IGFET — в режиме улучшения.

Другие типы транзисторов[]

• Однопереходные транзисторы можно использовать в качестве простых генераторов импульсов. Они состоят из основного корпуса полупроводника P-типа или N-типа с омическими контактами на каждом конце (клеммы Base1 и Base2 ). Переход с противоположным типом полупроводника формируется в точке по длине корпуса для третьего вывода ( Излучатель ).
• Полевые транзисторы с двумя затворами имеют один канал с двумя затворами в каскоде; конфигурация, оптимизированная для усилители высокой частоты , смесители и генераторы.
• Массивы транзисторов используются для приложений общего назначения, функции генерации и низкоуровневых, малошумящих усилителей . Они включают два или более транзистора на общей подложке для обеспечения точного согласования параметров и теплового отслеживания, характеристик, которые особенно важны для усилителей с длинной хвостовой парой .
Транзисторы Дарлингтона
• состоят из биполярного транзистора средней мощности, соединенного с силовым биполярным транзистором. Это обеспечивает высокий коэффициент усиления по току, равный произведению коэффициентов усиления по току двух транзисторов. Силовые диоды часто подключаются между определенными клеммами в зависимости от конкретного использования.
• В биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT) используется IGFET средней мощности, аналогично подключенный к мощному BJT, для обеспечения высокого входного сопротивления. Силовые диоды часто подключаются между определенными клеммами в зависимости от конкретного использования. БТИЗ особенно подходят для тяжелых промышленных применений. Asea Brown Boveri (ABB) 5SNA2400E170100 [2] показывает, насколько далеко продвинулась технология силовых полупроводников. Это устройство, предназначенное для трехфазных источников питания, содержит три NPN IGBT в корпусе размером 38 на 140 на 19 дюймов.0 мм и весом 1,5 кг. Каждый IGBT рассчитан на 1700 вольт и может выдерживать 2400 ампер.
• Одноэлектронные транзисторы (SET) состоят из затворного острова между двумя туннельными переходами. Туннельный ток управляется напряжением, подаваемым на затвор через конденсатор. [3][4]
• Полный список типов транзисторов T-Transistor.com

Полупроводниковый материал[]

Первые биполярные транзисторы были сделаны из германия (Ge), а некоторые мощные типы все еще изготавливаются. В настоящее время преобладают кремниевые (Si) типы, но некоторые усовершенствованные микроволновые и высокопроизводительные версии теперь используют составной полупроводник материал арсенид галлия (GaAs) и полупроводниковый сплав кремний-германий (SiGe). Одноэлементный полупроводниковый материал (Ge и Si) описывается как элементный .

Характеристики наиболее распространенных полупроводниковых материалов, используемых для изготовления транзисторов, приведены в таблице ниже:

Характеристики полупроводниковых материалов

Материал полупроводника	Развязка вперед напряжение В при 25 °C	Подвижность электронов м/с при 25 °C	Подвижность отверстий м/с при 25 °C	Макс. температура соединения °С
Ге	0,27	0,39	0,19	от 70 до 100
Си	0,71	0,14	0,05	от 150 до 200
GaAs	1,03	0,85	0,05	от 150 до 200
Соединение Al-Si	0,3	—	—	от 150 до 200

Прямое напряжение перехода — это напряжение, прикладываемое к переходу эмиттер-база биполярного транзистора, чтобы заставить базу проводить заданный ток. Ток увеличивается экспоненциально по мере увеличения прямого напряжения перехода. Значения, приведенные в таблице, типичны для тока 1 мА (те же значения относятся к полупроводниковым диодам). Чем ниже прямое напряжение перехода, тем лучше, так как это означает, что для «управления» транзистором требуется меньшая мощность. Прямое напряжение перехода для данного тока уменьшается с температурой. Для типичного кремниевого перехода изменение составляет примерно -2,1 мВ/°C.

Столбцы подвижность электронов и подвижность дырок показывают среднюю скорость, с которой электроны и дырки диффундируют через полупроводниковый материал с электрическим полем 1 вольт на метр, приложенным к материалу. В общем, чем выше подвижность электронов, тем быстрее транзистор. Таблица показывает, что Ge в этом отношении является лучшим материалом, чем Si. Однако Ge имеет четыре основных недостатка по сравнению с кремнием и арсенидом галлия: его максимальная температура ограничена, он имеет относительно высокий ток утечки, не выдерживает высоких напряжений и менее пригоден для изготовления интегральных схем. Поскольку подвижность электронов выше, чем подвижность дырок для всех полупроводниковых материалов, данный биполярный NPN-транзистор имеет тенденцию быть быстрее, чем эквивалентный тип PNP-транзистора. GaAs имеет самую быструю подвижность электронов из трех полупроводников. Именно по этой причине GaAs используется в высокочастотных приложениях. Относительно недавняя разработка FET, 9Транзистор 0329 с высокой подвижностью электронов (HEMT) имеет гетероструктуру (соединение между различными полупроводниковыми материалами) из арсенида алюминия-галлия (AlGaAs)-арсенида галлия (GaAs), которая имеет удвоенную подвижность электронов по сравнению с барьерным переходом GaAs-металл. Благодаря высокой скорости и низкому уровню шума HEMT используются в спутниковых приемниках, работающих на частотах около 12 ГГц.

Макс. Значения температуры перехода представляют поперечное сечение, взятое из спецификаций различных производителей. Эта температура не должна быть превышена, иначе транзистор может быть поврежден.

Переход Al-Si относится к быстродействующему (алюминий-кремний) полупроводниково-металлическому барьерному диоду, широко известному как диод Шоттки. Это включено в таблицу, потому что некоторые кремниевые силовые IGFET имеют паразитный обратный диод Шоттки , сформированный между истоком и стоком как часть производственного процесса.

Упаковка[]

Файл:Transistor-photo.JPG

Транзисторы со сквозным отверстием (рулетка отмечена в сантиметрах)

Транзисторы поставляются в различных упаковках (чипкорпусах) (см. изображения). Две основные категории со сквозным отверстием (или с выводами ) и для поверхностного монтажа , также известное как устройство для поверхностного монтажа (SMD). Массив шариковых решеток (BGA) — новейший корпус для поверхностного монтажа (в настоящее время только для больших массивов транзисторов ). На нижней стороне вместо выводов имеются «шарики» припоя. Поскольку они меньше и имеют более короткие межсоединения, SMD имеют лучшие высокочастотные характеристики, но более низкую номинальную мощность.

Корпуса транзисторов изготавливаются из стекла, металла, керамики или пластмассы. Пакет часто диктует номинальную мощность и частотные характеристики. Мощные транзисторы имеют большие корпуса, которые можно прикрепить к радиаторам для улучшения охлаждения. Кроме того, у большинства мощных транзисторов коллектор или сток физически соединены с металлической банкой/металлической пластиной. С другой стороны, некоторые устройства для поверхностного монтажа 9Микроволновые транзисторы 0329 размером с песчинку.

Часто данный тип транзистора доступен в различных корпусах. Транзисторные блоки в основном стандартизированы, но назначение функций транзистора клеммам нет: разные типы транзисторов могут назначать разные функции клеммам корпуса. Даже для одного и того же типа транзистора назначение клемм может различаться (обычно обозначается суффиксной буквой к номеру детали, например, BC212L и BC212K).

Usage[]

На заре разработки транзисторных схем биполярный переходной транзистор, или BJT, был наиболее часто используемым транзистором. Даже после того, как МОП-транзисторы стали доступны, биполярные транзисторы оставались предпочтительным транзистором для цифровых и аналоговых схем из-за их простоты изготовления и скорости. Тем не менее, полевой МОП-транзистор обладает несколькими желательными свойствами для цифровых схем, и, поскольку основные достижения в области цифровых схем подтолкнули конструкцию МОП-транзистора к современному уровню техники. МОП-транзисторы в настоящее время широко используются как для аналоговых, так и для цифровых функций.

Файл:BJT Switch.png

Транзистор BJT, используемый в качестве электронного переключателя

Файл:BJT Amplifier.png

Схема усилителя

Переключатели[]

Транзисторы обычно используются в качестве электронных переключателей, как для приложений высокой мощности, включая питание| импульсные источники питания]] и приложения с низким энергопотреблением, такие как логические вентили.

Усилители[]

Огромное количество продуктов, от мобильных телефонов до телевизоров, включает усилители для воспроизведения звука, радиопередачи и обработки сигналов. Первые усилители звука на дискретных транзисторах едва выдавали несколько сотен милливатт, но мощность и качество звука постепенно увеличивались по мере того, как становились доступнее более совершенные транзисторы и развивалась архитектура усилителя.

Транзисторы обычно используются в усилителях современных музыкальных инструментов, где широко распространены и относительно дешевы схемы мощностью до нескольких сотен ватт. Транзисторы в значительной степени заменили лампы в инструментальных усилителях. Некоторые производители усилителей для музыкальных инструментов смешивают транзисторы и электронные лампы в одной схеме, чтобы использовать преимущества обоих устройств.

Компьютеры[]

В «первом поколении» электронных компьютеров использовались вакуумные лампы, которые выделяли большое количество тепла, были громоздкими и ненадежными. Разработка транзистора была ключом к миниатюризации и надежности компьютеров. «Второе поколение» компьютеров, до конца 19 в.В 50-х и 1960-х годах использовались платы, заполненные отдельными транзисторами и магнитными ядрами памяти. Впоследствии транзисторы, другие компоненты и необходимые для них соединения были объединены в единый компонент массового производства: интегральную схему. Транзисторы, встроенные в интегральные схемы, заменили большинство дискретных транзисторов в современных цифровых компьютерах.

Преимущества транзисторов над электронными лампами[]

До разработки транзисторов электронные лампы (или в Великобритании термоэмиссионные клапаны или просто клапаны ) были основными активными компонентами в электронном оборудовании. Ключевые преимущества, которые позволили транзисторам заменить своих ламповых предшественников в большинстве приложений:

• Меньший размер (несмотря на продолжающуюся миниатюризацию электронных ламп)
• Высокоавтоматизированное производство
• Более низкая стоимость (при серийном производстве)
• Более низкие возможные рабочие напряжения (но электронные лампы могут работать при более высоких напряжениях)
• Нет периода прогрева (большинству вакуумных ламп требуется от 10 до 60 секунд для правильной работы)
• Меньшее рассеивание мощности (нет мощности нагревателя, очень низкое напряжение насыщения)
• Более высокая надежность и большая физическая прочность (хотя вакуумные лампы электрически более надежны. Кроме того, вакуумные лампы гораздо более устойчивы к ядерным электромагнитным импульсам (НЭМИ) и электростатическим разрядам (ЭСР))
• Гораздо более длительный срок службы (катоды электронных ламп со временем изнашиваются, и вакуум может загрязняться)
• Доступны дополнительные устройства (допускаются схемы с комплементарной симметрией : электронные лампы с полярностью, эквивалентной PNP BJT или полевым транзисторам P-типа, недоступны)
• Способность управлять большими токами (имеются силовые транзисторы для управления сотнями ампер, электронные лампы для управления даже одним ампером большие и дорогие)
• Гораздо менее микрофонный (вибрация может модулировать характеристики вакуумной лампы, хотя это может влиять на звучание гитарных усилителей)

» Природа не терпит вакуумной лампы » Майрон Гласс (см. John R. Pierce), Bell Telephone Laboratories, около 1948 г.

Галерея[]

Широкий ассортимент транзисторов доступен с 1960-х годов, и производители постоянно выпускают улучшенные типы. Ниже приведены несколько примеров из основных семейств. Если не указано иное, все типы изготовлены из кремниевого полупроводника. Дополнительные пары показаны как каналы NPN/PNP или N/P. Ссылки ведут на таблицы данных производителя в формате PDF. (В некоторых таблицах данных точность заявленной категории транзистора является предметом споров.)

• 2N3904/2N3906, BC182/BC212 и BC546/BC556: вездесущие, BJT, универсальные, маломощные, дополнительные пары. Они имеют пластиковые корпуса и стоят примерно десять центов США в небольших количествах, что делает их популярными среди любителей.

• AF107: Германий, 0,5 Вт, 250 МГц PNP BJT.

• BFP183: Маломощный микроволновый NPN BJT с частотой 8 ГГц.

• LM394: «суперподходящая пара» с двумя NPN BJT на одной подложке.

• 2N2219A/2N2905A: BJT, общего назначения, средней мощности, дополнительная пара. В металлических корпусах они рассчитаны примерно на один ватт.

• 2N3055/MJ2955: В течение многих лет почтенный NPN 2N3055 был «стандартным» силовым транзистором. Его дополнение, PNP MJ2955, появилось позже. Эти биполярные транзисторы с частотой 1 МГц, 15 А, 60 В, 115 Вт используются в усилителях мощности звука, источниках питания и элементах управления.

• 2SC3281/2SA1302: Изготовленные Toshiba, эти биполярные транзисторы имеют характеристики с низким уровнем искажений и используются в мощных аудиоусилителях. Их широко подделывали [5].

• BU508: NPN, питание 1500 В BJT. Разработанный для телевизионного горизонтального отклонения, его способность к высокому напряжению также делает его пригодным для использования в системах зажигания.

• MJ11012/MJ11015: 30 А, 120 В, 200 Вт, дополнительная пара биполярных транзисторов Дарлингтона высокой мощности. Используется в усилителях звука, управлении и переключении питания.

• 2N5457/2N5460: JFET (режим истощения), общего назначения, малой мощности, дополнительная пара.

• BSP296/BSP171: IGFET (расширенный режим), средней мощности, почти комплементарная пара. Используется для преобразования логического уровня и управления силовыми транзисторами в усилителях.

• IRF3710/IRF5210: IGFET (расширенный режим), 40 А, 100 В, 200 Вт, рядом с комплементарной парой. Для мощных усилителей и силовых выключателей, особенно в автомобилях.

Производители транзисторов[]

• APT
• Фэирчайлд Полупроводник
• Инфинеон Технологии
• ИРФ
• Корпорация IXYS
• ПО Полупроводник
• Панасоник Полупроводники
• Powerex
• Ром
• Транзисторы Sanyo
• Семикрон
• STMicroelectronics
• Тошиба Полупроводник
• Zetex Semiconductors

См. также[]

• Лавинный транзистор
• Ширина запрещенной зоны
• Биполярный переходной транзистор
• Составной транзистор
• Транзистор Дарлингтона
• Полевой транзистор
• ФРЕДФЕТ
• БТИЗ
• НПН
• ПНП
• Полупроводник
• Транскондуктивность
• Транссопротивление
• Количество транзисторов
• Модели транзисторов
• Транзистор с тремя затворами
• Вакуумная трубка
• Закон Мура
• Очень крупномасштабная интеграция

Ссылки[]

Патенты[]

• Шаблон: Патент США – Джулиус Эдгар Лилиенфельд 1930
• Шаблон: патент США — J. Bardeen et. др.
• Шаблон:патент США — W. Shockley

Книги[]

• Шаблон:Cite book
• Шаблон:Цитировать книгу
• Template:Citebook Изобретение транзистора и рождение информационной эры
• Шаблон:Цитировать книгу

Другое[]

• Шаблон:Цитировать конференцию
• Шаблон:Цитировать новости
• Шаблон:Цитировать журнал
• Template:Cite book

Внешние ссылки[]

Template:Wikibooks

• Вехи AudioUK . Фотография первого работающего транзистора
.
• Транзисторный . Историческая и техническая информация Службы общественного вещания
• Виртуальный музей IEEE, Давайте станем меньше: сокращающийся мир микроэлектроники . Все об истории транзисторов и интегральных схем.
• Транзисторное наследие тогда и сейчас . От Lucent Technologies (Bell Telephone Laboratories/AT&T)
• Этот месяц в истории физики: с 17 ноября по 23 декабря 1947: Изобретение первого транзистора .