Transistor

Cos'è il transistor

Un transistor è un dispositivo a semiconduttore utilizzato per amplificare o cambiare segnali elettrici e potenza. È uno dei mattoni di base dell'elettronica moderna. È composto da materiale a semiconduttore, di solito con almeno tre terminali per il collegamento a un circuito elettronico. Una tensione o una corrente applicata a una coppia di terminali del transistor controlla la corrente attraverso un'altra coppia di terminali. Poiché la potenza controllata (output) può essere superiore alla potenza di controllo (input), un transistor può amplificare un segnale. Alcuni transistor sono confezionati singolarmente, ma molti altri in forma in miniatura si trovano incorporati nei circuiti integrati.

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Vantaggi del transistor

Basso consumo energetico

I transistor richiedono meno potenza dei tubi a vuoto, rendendoli ideali per dispositivi a batteria come i telefoni cellulari.

Dimensioni ridotte

I transistor sono molto più piccoli dei tubi a vuoto, rendendoli ideali per i circuiti elettronici miniaturizzati. Questa riduzione delle dimensioni ha portato allo sviluppo di dispositivi elettronici portatili come laptop e smartphone.

Alta affidabilità

I transistor sono più affidabili dei tubi a vuoto perché non hanno un filamento che possa esaurirsi. Ciò rende i transistor ideali per l'uso in applicazioni critiche come attrezzature mediche e tecnologia aerospaziale.

Velocità di commutazione rapide

I transistor possono accendere e spegnere molto più velocemente dei tubi a vuoto. Questo li rende ideali per l'uso in circuiti digitali come microprocessori e chip di memoria.

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Come funzionano i transistor

Un transistor può fungere da interruttore o gate per segnali elettronici, aprendo e chiudendo un cancello elettronico molte volte al secondo. Garantisce che il circuito sia acceso se la corrente sta scorrendo e spento se non lo è. I transistor sono utilizzati in circuiti di commutazione complessi che comprendono tutti i moderni sistemi di telecomunicazione. I circuiti offrono anche velocità di commutazione molto elevate, come centinaia di gigahertz o più di 100 miliardi di cicli al secondo.

I transistor possono essere combinati per formare un gate logico, che confronta più correnti di input per fornire un output diverso. I computer con porte logiche possono prendere decisioni semplici utilizzando l'algebra booleana. Queste tecniche sono la base del calcolo e dei programmi di computer moderni.

I transistor svolgono anche un ruolo importante nell'amplificazione dei segnali elettronici. Ad esempio, nelle applicazioni radio, come i ricevitori FM, in cui il segnale elettrico ricevuto può essere debole a causa di disturbi, è necessaria l'amplificazione per fornire un'uscita udibile. I transistor forniscono questa amplificazione aumentando la potenza del segnale.

Modalità di funzionamento del transistor

Quando viene applicato un piccolo segnale tra una coppia di terminali in un transistor, è possibile gestire un segnale per controllare un segnale molto più grande in un'altra coppia di terminali. In questa parte, la proprietà del transistor viene acquisita a causa della potenza del segnale nel processo di commutazione e l'uscita generata può essere una tensione o di corrente o segnali elettronici. Se l'ingresso aumenta, anche l'uscita aumenta. In altre parole, è semplice dire che l'output è proporzionale all'input. A causa di questa particolare attività, il transistor può fungere da amplificatore.

L'uso principale di un transistor è che rende il circuito più controllabile e il flusso di corrente è determinato da altri elementi del circuito. A seconda delle condizioni di distorsione come in avanti o invertito, i transistor hanno tre principali modalità di interruzione delle operazioni, attive e regioni di saturazione.

Modalità attiva:In questa modalità, il transistor viene generalmente usato come amplificatore di corrente. In modalità attiva, due giunzioni sono distorte in modo diverso, il che significa che la giunzione in base all'emettitore è distorta in avanti mentre la giunzione a base di collezione è distorta inversa. In questa modalità, la corrente scorre tra emettitore e collettore e la quantità di flusso di corrente in proporzionale alla corrente di base.

Modalità di cutoff:Qui sia la giunzione di base del collettore che la giunzione dell'emettitore sono distorti inversi. Poiché entrambi la giunzione PN sono distorti inversi, non vi è quasi alcun flusso di corrente se non perdite molto piccole di correnti. In modalità BJT è spento ed è essenzialmente un circuito aperto. Questa regione viene utilizzata principalmente nei circuiti di commutazione e logica digitale.

Modalità di saturazione:In questa particolare modalità di funzionamento, sia le giunzioni basate su emettitore che quella della base del collettore sono distorte in avanti. Qui la corrente scorre liberamente da Collector a emettitore con quasi 0 resistenza. In questa modalità, il transistor è completamente acceso ed è un circuito chiuso. È utilizzato principalmente nei circuiti di commutazione e logica digitale.

Materiali transistor e processo di produzione

I materiali utilizzati per produrre transistor e il loro processo di produzione sono fondamentali per le loro prestazioni e funzionalità. Il silicio, un semiconduttore, è il materiale più comunemente usato nella produzione di transistor a causa delle sue eccellenti proprietà dei semiconduttori, abbondanza e costi relativamente bassi. Ha una struttura cristallina che consente l'introduzione controllata di impurità, un processo noto come doping, che è cruciale per il funzionamento dei transistor.

Il doping implica l'introduzione di impurità nel silicio per cambiare la sua conducibilità. Esistono due tipi di doping: di tipo N, in cui gli atomi droganti hanno più elettroni di valenza rispetto al silicio, e di tipo p, in cui gli atomi droganti hanno meno elettroni di valenza. L'interazione tra materiali di tipo N e di tipo P in un transistor consente il controllo e l'amplificazione dei segnali elettrici.

Il processo di produzione dei transistor è complesso e comporta diversi passaggi. Il processo inizia con la creazione di un wafer di silicio, una sottile fetta di cristallo di silicio. Quindi, il wafer è sottoposto a vari processi, tra cui ossidazione, fotolitografia, incisione e diffusione o impianto ionico, per creare la struttura del transistor. L'ossidazione prevede la coltivazione di uno strato di biossido di silicio sul wafer, che funge da isolante. La fotolitografia viene utilizzata per trasferire il modello del transistor sul wafer, l'attacco rimuove il materiale indesiderato per rivelare la struttura del transistor e l'impianto di diffusione o ione introduce i droganti nel silicio.

Gli ultimi passaggi prevedono il deposito di contatti metallici per collegare il transistor al resto del circuito e imballare il transistor finito per dispositivi elettronici. L'intero processo viene effettuato in un ambiente di camera pulita per prevenire la contaminazione, il che potrebbe influire negativamente sulle prestazioni del transistor.

Il processo di produzione dei transistor si è evoluto in modo significativo grazie ai progressi tecnologici, consentendo la produzione di transistor sempre più piccoli e più potenti. Oggi, i transistor sono fabbricati utilizzando tecniche avanzate come la tecnologia FinFET (Fin Field-Effect Transistor) e Gaafet (Transistor-Field-Effect-Field-Field-Field Transistor), che consentono la produzione di transistor con caratteristiche piccole di pochi nanometri.

Questi progressi nei materiali e nei processi di produzione sono stati fondamentali per l'evoluzione in corso della tecnologia dei transistor, consentendo lo sviluppo di dispositivi elettronici sempre più potenti ed efficienti dal punto di vista energetico.

Tipi di transistor

Transistor bipolare giunction (BJT)
I transistor di giunzione bipolare sono transistor costruiti da 3 regioni, la base, il collezionista e l'emettitore. I transistor di giunzione bipolare, diversi transistor FET, sono dispositivi controllati da corrente. Una piccola corrente che entra nella regione di base del transistor provoca un flusso di corrente molto più grande dall'emettitore alla regione del collettore. I transistor di giunzione bipolare sono disponibili in due tipi principali, NPN e PNP. Un transistor NPN è quello in cui la maggior parte dei vettori attuali sono elettroni.

L'elettrone che scorre dall'emettitore al collettore forma la base della maggior parte del flusso di corrente attraverso il transistor. Gli ulteriori tipi di carica, buchi, sono una minoranza. I transistor PNP sono l'opposto. Nei transistor PNP, la maggior parte degli attuali fori del vettore. I transistor BJT sono disponibili in due tipi, vale a dire PNP e NPN.

Transistor PNP
Questo transistor è un altro tipo di transistor BJT-giunzione bipolare e contiene due materiali a semiconduttore di tipo P. Questi materiali sono divisi attraverso uno strato di semiconduttore di tipo N. In questi transistor, i portatori di carica di maggioranza sono buchi mentre i portatori di carica di minoranza sono elettroni.

In questo transistor, il simbolo della freccia indica il flusso di corrente convenzionale. La direzione del flusso di corrente in questo transistor è dal terminale dell'emettitore al terminale del collettore. Questo transistor verrà acceso una volta che il terminale di base viene trascinato a basso rispetto al terminale dell'emettitore. Il transistor PNP con un simbolo è mostrato di seguito.

Transistor NPN
NPN è anche un tipo di BJT (transistor bipolari di giunzione) e include due materiali a semiconduttore di tipo N che sono divisi attraverso uno strato di semiconduttore di tipo P sottile. Nel transistor NPN, i portatori di carica di maggioranza sono elettroni mentre i portatori di carica di minoranza sono buchi. Gli elettroni fluiscono dal terminale di emettitore al terminale del collettore costituiranno il flusso di corrente all'interno del terminale di base del transistor.

Nel transistor, la minore quantità di alimentazione di corrente al terminale di base può causare un'enorme quantità di corrente dal terminale dell'emettitore al collettore. Al momento, i BJT comunemente usati sono transistor NPN, poiché la mobilità degli elettroni è più alta rispetto alla mobilità dei buchi. Il transistor NPN con un simbolo è mostrato di seguito.

Transistor effetto campo
I transistor dell'effetto sul campo sono costituiti da 3 regioni, un gate, una fonte e uno scarico. Transistor bipolari diversi, FET sono dispositivi controllati dalla tensione. Una tensione posizionata sul gate controlla il flusso di corrente dalla sorgente al drenaggio del transistor. I transistor dell'effetto sul campo hanno un'impedenza di input molto elevata, da diversi mega ohm (Mω) di resistenza a valori molto più grandi.

Questa elevata impedenza input fa sì che la corrente di loro poca passa attraverso di essi. (Secondo la legge di Ohm, la corrente è inversamente influenzata dal valore dell'impedenza del circuito. Se l'impedenza è alta, la corrente è molto bassa.) Quindi i FETS prendono entrambi pochissimi corrente da una fonte di alimentazione di un circuito.

Pertanto, questo è l'ideale perché non disturbano gli elementi di alimentazione del circuito originale a cui sono collegati. Non farà caricare la fonte di alimentazione. Lo svantaggio di FETS è che non forniranno la stessa amplificazione che potrebbe essere ottenuta dai transistor bipolari.

I transistor bipolari sono superiori nel fatto che forniscono una maggiore amplificazione, anche se i FET sono migliori in quanto causano meno carico, sono più economici e più facili da produrre. I transistor dell'effetto sul campo sono disponibili in 2 tipi principali: JFET e MOSFET. JFET e MOSFET sono molto simili ma i MOSFET hanno valori di impedenza di input ancora più elevati rispetto ai JFET. Questo provoca ancora meno carico in un circuito. I transistor FET sono classificati in due tipi, vale a dire JFET e MOSFET.

Jfet
Il JFET sta per il transistor a effetto a campo di giunzione. Questo è semplice e un tipo iniziale di transistor FET che vengono utilizzati come resistori, amplificatori, interruttori, ecc. Questo è un dispositivo controllato dalla tensione e non utilizza alcuna corrente di polarizzazione. Una volta applicata la tensione tra i terminali di gate e sorgente, controlla il flusso di corrente tra la sorgente e il drenaggio del transistor JFET.

L'effetto del campo di giunzione transistor (jugfet o JFET) non ha giunzioni PN ma al suo posto ha una parte ristretta del materiale semiconduttore ad alta resistività che forma un "canale" di tipo N o silicio di tipo P per i vettori di maggioranza per fluire attraverso due connessioni elettriche ohmiche a una fine normalmente chiamata e la fonte rispettivamente.

Esistono due configurazioni di base di un transistor ad effetto campo di giunzione, il JFET N-channel e il canale P JFET. Il canale JFET del canale N è drogato con impurità del donatore, il che significa che il flusso di corrente attraverso il canale è negativo (da cui il termine N-canale) sotto forma di elettroni. Questi transistor sono accessibili nei tipi di canali P e N-canali.

MOSFET
Il transistor a effetto di campo MOSFET o metallo-ossido-semiconduttore viene utilizzato più frequentemente tra tutti i tipi di transistor. Come suggerisce il nome, include il terminale del cancello metallico. Questo transistor include quattro terminali come sorgente, scarico, gate e substrato o corpo.
Rispetto a BJT e JFET, MOSFET ha diversi vantaggi in quanto fornisce un'elevata impedenza I/P e una bassa impedenza O/P. I MOSFET sono utilizzati principalmente nei circuiti a bassa potenza, specialmente durante la progettazione di chip. Questi transistor sono disponibili in due tipi come l'esaurimento e il miglioramento. Inoltre, questi tipi sono classificati in tipi di canali p e cannelli n.

Come selezionare un transistor

Corrente del collettore
Dal foglio dati Transistor, cerca la valutazione corrente del collettore (IC). Il limite massimo è 2A. Pertanto, nel tuo design, non superare la corrente del collettore effettiva superiore a questo livello. Imposta la corrente di collettore effettiva solo al 50% della valutazione massima e il design andrà bene. È possibile impostare in modo superiore al 50% in realtà, ma fai attenzione e assicurati che il calcolo corrente effettivo sia abbastanza accurato.

Corrente collettore di impulsi di picco (ICM)
Questa valutazione è importante quando il transistor viene utilizzato nell'applicazione in cui la corrente del collettore non è dr o pura DC, ad esempio, nella commutazione del convertitore, del PSU e degli inverter.

Tensione da collezione-emettitore (VCEO)
Le prime due importanti valutazioni sopra su come selezionare un transistor sono entrambe attuali. Un'altra valutazione altrettanto importante è la tensione emetter collettore. In realtà, questa è la tensione vista dal transistor quando la base è aperta. Per misurare questo, basta ottenere un volt metro. Metti la sonda positiva al collettore mentre la sonda negativa sull'emettitore.

Tensione di base emettita (VEBO)
Questa è la tensione attraverso l'emettitore per la giunzione di base mentre il collettore è aperto. L'emettitore di base di un transistor è fondamentalmente un diodo. In altre parole, la tensione di base dell'emettitore è la massima tensione inversa che può essere applicata a questo diodo.

Tensione di base collettore (VCBO)
Questa è la tensione attraverso il collettore alla giunzione di base quando l'emettitore è aperto. Il collettore di base di un transistor è un diodo. Pertanto, la tensione della base del collettore è la massima tensione inversa che può essere applicata su questo diodo. Prendi nota per non superare questo valore. Altrimenti, il transistor riceverà subito danni.

Tensione di saturazione
Un altro parametro che è importante è la tensione di saturazione. La tensione di saturazione da collezione - è necessaria per calcolare l'effettiva dissipazione della potenza del transistor. Il caso ideale è che questa dissipazione di potenza è bassa. Per raggiungerlo, il collettore - la tensione di saturazione dell'emettitore deve essere molto bassa.

Dissipazione del potere
La prossima valutazione molto importante di un transistor è la dissipazione del potere. È indicato nel foglio dati come di seguito.

Resistenza termica
Quando il transistor viene utilizzato per funzionare a temperatura superiore al valore tipico, è necessaria la resistenza termica per ottenere la massima potenza del transistor. Questo è anche chiamato potere de-rated. La resistenza termica è potrebbe essere definita come giunzione all'ambiente o alla giunzione al caso.

Applicazioni del transistor

Interruttore:I transistor possono funzionare come interruttori elettronici. Applicando una piccola tensione, un flusso di corrente grande può essere controllato o disattivato. Questa capacità è cruciale per i circuiti digitali, la base dei computer moderni e molti altri dispositivi.

Amplificatore:I transistor possono prendere un segnale elettrico debole e renderlo molto più forte. Ciò è essenziale per applicazioni come apparecchi acustici, amplificatori per strumenti musicali e tecnologia radio.

Circuiti integrati (ICS):I transistor sono miniaturizzati e incorporati in gran numero su piccoli chip di silicio per creare circuiti integrati complessi. Questi IC sono il cuore dell'elettronica moderna, che si trovano in tutto, dagli smartphone e nei computer alle auto e ai dispositivi medici.

Memoria:I transistor sono utilizzati in vari dispositivi di memoria, come la memoria di accesso casuale (RAM) e la memoria flash, che consentono ai dispositivi elettronici di archiviare e recuperare i dati.

Gate logiche:I transistor possono essere combinati per formare porte logiche, i mattoni di base dei circuiti digitali. Le porte logiche eseguono operazioni di base come e, o, e non, che consentono calcoli complessi all'interno di dispositivi elettronici.

FAQ

D: Qual è la funzione di un transistor?

A: I transistor hanno la funzione di amplificazione e commutazione di segnali elettrici. Nel caso della radio, i segnali estremamente deboli trasmessi attraverso l'aria sono ingranditi (amplificati) prima di giocare attraverso gli altoparlanti. Questa è l'azione di amplificazione di un transistor.

D: Come funziona il transistor?

A: Un transistor è costituito da due diodi PN collegati sul retro. Ha tre terminali, vale a dire emettitore, base e collezionista. L'idea di base alla base di un transistor è che ti consente di controllare il flusso di corrente attraverso un canale variando l'intensità di una corrente molto più piccola che scorre attraverso un secondo canale.

D: Che cos'è un transistor PNP e NPN?

A: I transistor di giunzione bipolare sono ulteriormente divisi in transistor NPN e PNP. Il transistor NPN è costituito da due materiali semiconduttori di tipo N separati da un sottile strato di tipo P. Al contrario, il transistor PNP è costituito da due semiconduttori di tipo P separati da un sottile strato di tipo N.

D: Quali sono gli usi principali dei transistor?

A: I transistor sono usati nella nostra vita quotidiana in molte forme, di cui siamo a conoscenza come amplificatori e apparati di commutazione. Come amplificatori, vengono utilizzati in vari oscillatori, modulatori, rilevatori e quasi tutti i circuiti per svolgere una funzione. In un circuito digitale, i transistor vengono utilizzati come interruttori.

D: Come capire se un transistor è NPN o PNP?

A: La modesta quantità di corrente di base regolava sia l'emettitore che le correnti del collettore. I simboli schematici per i transistor NPN e PNP sono estremamente simili. La sola distinzione è l'orientamento della freccia sull'emettitore. Punta verso l'esterno in un NPN (a sinistra) e verso l'interno in un PNP (a destra).

D: In che modo un transistor cambia DC in AC?

A: I transistor sono semplicemente dispositivi in miniatura che hanno la capacità in modo da controllare o regolare il flusso del segnale elettronico. È un dato di fatto, il transistor da solo non può svolgere la funzione di conversione di DC in AC e non è anche la funzione primaria di un transistor.

D: I transistor consentono AC o DC?

A: Ma molte volte i transistor vengono utilizzati per operare con segnali CA. Un amplificatore audio transistor, ad esempio, è un amplificatore del segnale CA, poiché il microfono genera generalmente un'uscita CA. Ed ecco un punto che molte persone confondono: i transistor non sono componenti AC: i transistor possono operare solo con i segnali DC!

D: Quale tensione è necessaria per attivare un transistor?

A: Quel VBE (SAT) è la tensione di base richiesta che deve essere presente per distorcere la giunzione di base/emettitore del transistor (cioè, per accendere il transistor). In generale, questo valore è tra. 6 a. 7 volt per un transistor per uso generale.

D: Come faccio a scegliere un transistor di potenza?

A: La selezione del transistor per un'applicazione elettronica di alimentazione dipende da alcuni criteri. Il più comune è identificare la tensione inversa richiesta e la corrente in avanti. La frequenza di commutazione appare come criteri direttamente correlati al volume di elementi passivi, come induttori e condensatori.

D: più transistor significano più potenza?

A: Più transistor per chip significano più velocemente, computer più potenti che possono adattarsi a dispositivi più piccoli. Questi microprocessori hanno reso possibile l'ascesa dell'elettronica di consumo moderna, incluso il PC su cui stai leggendo questo blog e lo smartphone in tasca.

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