Транзистор - Transistor

Разборные дискретные транзисторы. Пакеты по порядку сверху вниз: ТО-3 , ТО-126 , ТО-92 , СОТ-23 .
Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) с выводами затвора (G), корпуса (B), истока (S) и стока (D). Ворота отделены от корпуса изоляционным слоем (розового цвета).

Транзистор представляет собой полупроводниковое устройство , используемое для усиления или переключений электронных сигналов и электроэнергии . Транзисторы - один из основных строительных блоков современной электроники . Он состоит из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами для подключения к внешней цепи. Напряжения или ток применяется к одной паре клемм управления транзистором тока через другую пару клемм. Поскольку управляемая (выходная) мощность может быть выше управляющей (входной) мощности, транзистор может усиливать сигнал. Сегодня некоторые транзисторы упакованы индивидуально, но гораздо больше встроено в интегральные схемы .

Австро-венгерский физик Юлиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора в 1926 году, но в то время было невозможно построить работающее устройство. Первым рабочим устройством, которое было создано, был точечный транзистор, изобретенный в 1947 году американскими физиками Джоном Бардином и Уолтером Браттейном, когда они работали под руководством Уильяма Шокли в Bell Labs . Эти трое разделили Нобелевскую премию по физике 1956 года за свои достижения. Наиболее широко используемым типом транзисторов является полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), который был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. Транзисторы произвели революцию в области электроники и проложили путь к меньшим размерам. а также более дешевые радиоприемники , калькуляторы и компьютеры , среди прочего.

Большинство транзисторов изготовлено из очень чистого кремния , а некоторые из германия , но иногда используются некоторые другие полупроводниковые материалы. Транзистор может иметь носитель заряда только одного типа, в полевом транзисторе, или может иметь два типа носителей заряда в устройствах с биполярным переходом . По сравнению с вакуумной лампой транзисторы обычно меньше по размеру и требуют меньше энергии для работы. Некоторые электронные лампы имеют преимущества перед транзисторами при очень высоких рабочих частотах или высоких рабочих напряжениях. Многие типы транзисторов изготавливаются по стандартизованным спецификациям несколькими производителями.

История

Юлиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора в 1925 году.

Термоэлектронной триод , вакуумная трубка изобретен в 1907 году, позволило усиленный радио технологии и междугородной телефонной связи . Однако триод был хрупким устройством, потреблявшим значительное количество энергии. В 1909 году физик Уильям Эклс открыл генератор на кристаллическом диоде. Австро-венгерский физик Юлиус Эдгар Лилиенфельд подал патент на полевой транзистор (FET) в Канаде в 1925 году, который должен был стать твердотельной заменой триода. Лилиенфельд также зарегистрировал идентичные патенты в Соединенных Штатах в 1926 и 1928 годах. Однако Лилиенфельд не публиковал никаких исследовательских статей о своих устройствах, и в его патентах не приводились какие-либо конкретные примеры работающего прототипа. Поскольку до производства высококачественных полупроводниковых материалов оставалось еще несколько десятилетий, идеи твердотельных усилителей Лилиенфельда не нашли бы практического применения в 1920-х и 1930-х годах, даже если бы такое устройство было построено. В 1934 году немецкий изобретатель Оскар Хайль запатентовал подобное устройство в Европе.

Биполярные транзисторы

Копия первого рабочего транзистора, точечный транзистор, изобретенный в 1947 году.

С 17 ноября 1947 года по 23 декабря 1947 года , Джон Бардин и Уолтер Браттейн в AT & T «s Bell Labs в Мюррей - Хилл, штат Нью - Джерси , провели эксперименты и наблюдали , что , когда две точки контакта золота были применены к кристаллу германия , сигнал был произведен с выходной мощностью больше входной. Руководитель группы по физике твердого тела Уильям Шокли увидел в этом потенциал и в течение следующих нескольких месяцев работал над значительным расширением знаний о полупроводниках. Термин « транзистор» был придуман Джоном Р. Пирсом как сокращение от термина « трансрезистентность» . По словам Лилиан Ходдсон и Вики Дэйч, авторов биографии Джона Бардина, Шокли предложил, чтобы первый патент Bell Labs на транзистор был основан на полевом эффекте и чтобы он был назван его изобретателем. Обнаружив патенты Лилиенфельда, которые ушли в безвестность несколькими годами ранее, юристы Bell Labs посоветовали не соглашаться с предложением Шокли, поскольку идея полевого транзистора, использующего электрическое поле в качестве «сетки», не нова. Вместо этого в 1947 году Бардин, Браттейн и Шокли изобрели первый транзистор с точечным контактом . В знак признания этого достижения Шокли, Бардин и Браттейн были совместно удостоены Нобелевской премии по физике 1956 года «за свои исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».

Группа исследователей Шокли первоначально пыталась создать полевой транзистор (FET), пытаясь модулировать проводимость полупроводника , но безуспешно, в основном из-за проблем с поверхностными состояниями , оборванной связью и материалами соединений германия и меди. . В ходе попыток понять загадочные причины того, что им не удалось создать работающий полевой транзистор, они вместо этого изобрели биполярные точечные и переходные транзисторы .

Герберт Матаре в 1950 году. Он независимо изобрел точечный транзистор в июне 1948 года.

В 1948 году точечный транзистор был независимо изобретен немецкими физиками Гербертом Матаре и Генрихом Велкером во время работы в Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse , дочерней компании Westinghouse, расположенной в Париже . Матаре ранее имел опыт разработки кристаллических выпрямителей из кремния и германия в немецких радиолокационных станциях во время Второй мировой войны . Используя эти знания, он начал исследовать явление «интерференции» в 1947 году. К июню 1948 года, наблюдая токи, протекающие через точечные контакты, Матаре получил последовательные результаты, используя образцы германия, произведенные Велкером, аналогично тому, что Бардин и Браттейн достигли ранее в Декабрь 1947 года. Понимая, что ученые Bell Labs уже изобрели транзистор до них, компания поспешила осуществить его «переход» в производство для усиленного использования в телефонной сети Франции и подала свою первую заявку на патент транзистора 13 августа 1948 года.

Первые биполярные транзисторы с переходом были изобретены Уильямом Шокли из Bell Labs, который подал заявку на патент (2569347) 26 июня 1948 года. 12 апреля 1950 года химики Bell Labs Гордон Тил и Морган Спаркс успешно создали работающий усилитель биполярного NPN перехода. германиевый транзистор. Bell Labs объявила об открытии этого нового транзистора-сэндвича в пресс-релизе 4 июля 1951 года.

Поверхностно-барьерный транзистор Philco разработан и произведен в 1953 году.

Первым высокочастотным транзистором стал германиевый транзистор с поверхностным барьером, разработанный Philco в 1953 году и способный работать на частоте до 60 МГц . Они были сделаны путем травления углублений в германиевой основе n-типа с обеих сторон струями сульфата индия (III) до тех пор, пока они не достигли толщины в несколько десятитысячных дюйма. Индий, нанесенный гальваническим способом в углубления, образовал коллектор и эмиттер.

Первый «прототип» карманного транзисторного радиоприемника был продемонстрирован INTERMETALL (компания, основанная Гербертом Матаре в 1952 году) на Internationale Funkausstellung Düsseldorf между 29 августа 1953 года и 6 сентября 1953 года. Первым «серийным» карманным транзисторным радиоприемником был Regency TR. -1 , выпущенный в октябре 1954 года. TR-1 производился в Индианаполисе, штат Индиана, в рамках совместного предприятия Regency Division of Industrial Development Engineering Associates, IDEA и Texas Instruments из Далласа, штат Техас. Это был почти карманный радиоприемник с четырьмя транзисторами и одним германиевым диодом. Промышленный дизайн был передан чикагской фирме Painter, Teague and Petertil. Первоначально он был выпущен в одном из шести разных цветов: черном, слоновой кости, мандариновом красном, облачно-сером, красном дереве и оливково-зеленом. Вскоре должны были появиться и другие цвета.

Первый "серийный" полностью транзисторный автомобильный радиоприемник был разработан корпорациями Chrysler и Philco, и о нем было объявлено в выпуске Wall Street Journal от 28 апреля 1955 года. Осенью 1955 года компания Chrysler выпустила полностью транзисторное автомобильное радио Mopar model 914HR в качестве опции для новой линейки автомобилей Chrysler и Imperial 1956 года, которые впервые появились в автосалоне 21 октября 1955 года.

Sony TR-63, выпущенный в 1957 году, был первым серийно транзисторные радиоприемники, что приводит к проникновению на массовый рынок транзисторных радиоприемников. К середине 1960-х TR-63 было продано семь миллионов единиц по всему миру. Успех Sony с транзисторными радиоприемниками привел к тому, что транзисторы заменили электронные лампы в качестве доминирующей электронной технологии в конце 1950-х годов.

Первый рабочий кремниевый транзистор был разработан в Bell Labs 26 января 1954 года Моррисом Таненбаумом . Первый коммерческий кремниевый транзистор был произведен компанией Texas Instruments в 1954 году. Это была работа Гордона Тила , специалиста по выращиванию кристаллов высокой чистоты, ранее работавшего в Bell Labs.

MOSFET (МОП-транзистор)

Мохамед Аталла (слева) и Давон Канг (справа) изобрели MOSFET (МОП-транзистор) в Bell Labs в 1959 году.

Полупроводниковые компании первоначально сосредоточились на переходных транзисторах в первые годы полупроводниковой промышленности . Однако переходной транзистор был относительно громоздким устройством, которое было трудно производить в серийном производстве , что ограничивало его применение в нескольких специализированных областях. Полевые транзисторы (FET) теоретизировались как потенциальная альтернатива переходным транзисторам, но исследователи не могли заставить полевые транзисторы работать должным образом, в основном из-за проблемного барьера поверхностного состояния, который не позволял внешнему электрическому полю проникать в материал.

В 1950-х годах египетский инженер Мохамед Аталла исследовал поверхностные свойства кремниевых полупроводников в Bell Labs, где он предложил новый метод изготовления полупроводниковых устройств , покрывая кремниевую пластину изолирующим слоем оксида кремния, чтобы электричество могло надежно проникать в проводящие провода. кремний внизу, преодолевая поверхностные состояния, которые не позволяли электричеству достигать полупроводникового слоя. Это известно как пассивация поверхности , метод, который стал критически важным для полупроводниковой промышленности, поскольку позже он сделал возможным массовое производство кремниевых интегральных схем . Он представил свои открытия в 1957 году. Основываясь на своем методе пассивации поверхности, он разработал процесс металл-оксид-полупроводник (МОП). Он предложил использовать процесс MOS для создания первого работающего кремниевого полевого транзистора, над созданием которого он начал работать с помощью своего корейского коллеги Давона Канга .

Металл-оксид-полупроводник полевой транзистор (MOSFET), также известный как МОП - транзистора, был изобретен Mohamed Atalla и Давон Канг в 1959 году полевого МОП - транзистора был первым по- настоящему компактный транзистор , который может быть миниатюрного и массового производства для а широкий спектр использования. Благодаря своей высокой масштабируемости , гораздо более низкому энергопотреблению и более высокой плотности, чем у транзисторов с биполярным переходом, MOSFET позволил создавать интегральные схемы высокой плотности , позволяющие объединить более 10 000 транзисторов в одной ИС.

КМОП (комплементарный МОП ) был изобретен Чжи-Тан Sah и Франк Уонласс на Fairchild Semiconductor в 1963 г. Первый отчет о транзистор с плавающим затвором было сделано Давон Канг и Саймона Sze в 1967 году с двойным затвором полевого МОП - транзистора был впервые продемонстрирован в 1984 г. - исследователи Электротехнической лаборатории Тосихиро Секигава и Ютака Хаяси. FinFET (плавниковый полевой транзистор), тип трехмерного неплоского полевого МОП - транзистора с несколькими затворами , возник в результате исследования Дая Хисамото и его команды в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году.

Важность

Транзисторы являются ключевыми активными компонентами практически всей современной электроники . Таким образом, многие считают транзистор одним из величайших изобретений 20 века.

Изобретение первого транзистора в Bell Labs было названо вехой IEEE в 2009 году. Список вех IEEE также включает изобретения переходного транзистора в 1948 году и полевого МОП-транзистора в 1959 году.

МОП - транзистор (металл-оксид-полупроводник полевой транзистор), также известный как МОП - транзистор, на сегодняшний день является наиболее широко используемый транзистор, используемый в приложениях , начиная от компьютеров и электроники для коммуникационных технологий , таких как смартфоны . MOSFET считается самым важным транзистором, возможно, самым важным изобретением в электронике и рождением современной электроники. МОП-транзистор был фундаментальным строительным блоком современной цифровой электроники с конца 20-го века, прокладывая путь в цифровую эпоху . Управление по патентам и товарным знакам США называет это «революционным изобретением, которое изменило жизнь и культуру во всем мире». Его важность в современном обществе основывается на его способности массового производства с использованием высокоавтоматизированного процесса ( изготовление полупроводниковых устройств ), который обеспечивает поразительно низкие затраты на транзистор. Полевые МОП-транзисторы являются наиболее массово производимыми искусственными объектами, когда к 2018 году было произведено более 13 секстиллионов.

Хотя каждая из нескольких компаний производит более миллиарда МОП-транзисторов в индивидуальной упаковке (известных как дискретные ) каждый год, подавляющее большинство транзисторов в настоящее время производятся в виде интегральных схем (часто сокращенных до микросхем , микрочипов или просто микросхем ), а также диодов , резисторов , конденсаторов. и другие электронные компоненты для производства полных электронных схем. Логический элемент состоит из примерно до двадцати транзисторов , тогда как передовой микропроцессор , по состоянию на 2021, можно использовать целых 39 миллиардов транзисторов ( МОП - транзисторы ).

Низкая стоимость, гибкость и надежность транзистора сделали его повсеместным устройством. Транзисторные мехатронные схемы заменили электромеханические устройства в управляющих устройствах и механизмах. Часто проще и дешевле использовать стандартный микроконтроллер и написать компьютерную программу для выполнения функции управления, чем разработать эквивалентную механическую систему для управления той же функцией.

Упрощенная операция

Транзистор Дарлингтона открыл поэтому фактический чип транзистора (маленький квадрат) можно увидеть внутри. Транзистор Дарлингтона - это фактически два транзистора на одной микросхеме. Один транзистор намного больше другого, но оба они больше по сравнению с транзисторами в крупномасштабной интеграции, потому что этот конкретный пример предназначен для силовых приложений.
Простая принципиальная схема, показывающая маркировку биполярного транзистора n – p – n.

Транзистор может использовать слабый сигнал, подаваемый между одной парой его выводов, для управления гораздо более сильным сигналом на другой паре выводов. Это свойство называется усилением . Он может производить более сильный выходной сигнал, напряжение или ток, который пропорционален более слабому входному сигналу, и, таким образом, он может действовать как усилитель . В качестве альтернативы транзистор можно использовать для включения или выключения тока в цепи в качестве переключателя с электрическим управлением , где величина тока определяется другими элементами схемы.

Есть два типа транзисторов, которые имеют небольшие различия в том, как они используются в схеме. Биполярный транзистор имеет клеммы меченых базы , коллектора и эмиттера . Небольшой ток на выводе базы (то есть, протекающий между базой и эмиттером) может управлять или переключать гораздо больший ток между выводами коллектора и эмиттера. Для полевого транзистора выводы помечены как затвор , исток и сток , а напряжение на затворе может управлять током между истоком и стоком.

Изображение представляет собой типичный биполярный транзистор в цепи. Заряд будет течь между выводами эмиттера и коллектора в зависимости от тока в базе. Поскольку внутренне соединения базы и эмиттера ведут себя как полупроводниковый диод, между базой и эмиттером возникает падение напряжения, пока существует ток базы. Величина этого напряжения зависит от материала, из которого изготовлен транзистор, и обозначается как V BE .

Транзистор как переключатель

BJT используется в качестве электронного переключателя в конфигурации с заземленным эмиттером.

Транзисторы обычно используются в цифровых схемах в качестве электронных переключателей, которые могут находиться в состоянии «включено» или «выключено» как для мощных приложений, таких как импульсные источники питания, так и для приложений с низким энергопотреблением, таких как логические вентили . Важные параметры для этого приложения включают коммутируемый ток, обрабатываемое напряжение и скорость переключения, характеризующуюся временем нарастания и спада .

В схеме транзистора с заземленным эмиттером, такой как показанная схема выключателя света, по мере увеличения напряжения базы эмиттерный и коллекторный токи возрастают по экспоненте. Напряжение коллектора падает из-за уменьшения сопротивления коллектора к эмиттеру. Если бы разность напряжений между коллектором и эмиттером была равна нулю (или близка к нулю), ток коллектора ограничивался бы только сопротивлением нагрузки (лампочка) и напряжением питания. Это называется насыщением, потому что ток свободно течет от коллектора к эмиттеру. Когда насыщенный, переключатель называется на .

Обеспечение достаточного базового тока возбуждения является ключевой проблемой при использовании биполярных транзисторов в качестве переключателей. Транзистор обеспечивает усиление по току, позволяя переключать относительно большой ток в коллекторе гораздо меньшим током на вывод базы. Соотношение этих токов варьируется в зависимости от типа транзистора и даже для конкретного типа меняется в зависимости от тока коллектора. В показанном примере схемы выключателя света резистор выбран так, чтобы обеспечить достаточный базовый ток, чтобы транзистор был насыщен.

В схеме переключения идея состоит в том, чтобы как можно ближе имитировать идеальный переключатель, имеющий свойства разомкнутой цепи в выключенном состоянии, короткого замыкания во включенном состоянии и мгновенного перехода между двумя состояниями. Параметры выбираются таким образом, что выход «выключено» ограничен токами утечки, слишком малыми, чтобы повлиять на подключенную схему, сопротивление транзистора в состоянии «включено» слишком мало, чтобы повлиять на схему, а переход между двумя состояниями был достаточно быстрым. не иметь пагубного воздействия.

Транзистор как усилитель

Схема усилителя, схема с общим эмиттером и схемой смещения делителя напряжения.

Усилитель с общим эмиттером разработан таким образом , что небольшое изменение напряжения ( V в ) изменяет малый ток через базу транзистора которого усиление тока в сочетании со свойствами средств цепи , что небольшие колебания в V в производить большие изменения в V из .

Возможны различные конфигурации одинарных транзисторных усилителей, некоторые из которых обеспечивают усиление по току, некоторые по напряжению, а некоторые и то и другое.

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 точность воспроизведения звука постепенно увеличивались по мере появления лучших транзисторов и развития архитектуры усилителя.

Современные транзисторные усилители звука мощностью до нескольких сотен ватт распространены и относительно недороги.

Сравнение с электронными лампами

До того, как были разработаны транзисторы, вакуумные (электронные) лампы (или в Великобритании «термоэлектронные клапаны» или просто «клапаны») были основными активными компонентами в электронном оборудовании.

Преимущества

Ключевые преимущества, которые позволили транзисторам заменить электронные лампы в большинстве приложений:

  • Отсутствие катодного нагревателя (который дает характерное оранжевое свечение ламп), снижение энергопотребления, устранение задержки при разогреве трубчатых нагревателей и иммунитет к катодному отравлению и истощению.
  • Очень маленький размер и вес, уменьшающие габариты оборудования.
  • Большое количество сверхмалых транзисторов можно изготавливать как одну интегральную схему .
  • Низкое рабочее напряжение, совместимое с батареями, состоящими всего из нескольких ячеек.
  • Обычно возможны схемы с большей энергоэффективностью. В частности, для приложений с низким энергопотреблением (например, для усиления напряжения) потребление энергии может быть намного меньше, чем для ламп.
  • Доступны дополнительные устройства, обеспечивающие гибкость конструкции, включая схемы дополнительной симметрии , что невозможно с электронными лампами.
  • Очень низкая чувствительность к механическим ударам и вибрации, что обеспечивает физическую прочность и практически исключает вызванные ударами паразитные сигналы (например, микрофон в аудиоприложениях).
  • Не подвержен разрушению стеклянной оболочки, протечкам, выделению газов и другим физическим повреждениям.

Ограничения

Транзисторы могут иметь следующие ограничения:

  • Им не хватает более высокой подвижности электронов, обеспечиваемой вакуумом в электронных лампах, что желательно для мощной высокочастотной работы, например, используемой в некоторых эфирных телевизионных передатчиках и в лампах бегущей волны, используемых в качестве усилителей в некоторых спутники
  • Транзисторы и другие твердотельные устройства подвержены повреждениям в результате очень коротких электрических и тепловых событий, включая электростатический разряд при обращении. Вакуумные лампы электрически намного прочнее.
  • Они чувствительны к излучению и космическим лучам ( для аппаратов космических аппаратов используются специальные радиационно-стойкие микросхемы).
  • В аудиоприложениях транзисторам не хватает искажений на более низких гармониках - так называемого лампового звука,  - который характерен для электронных ламп и некоторыми предпочтительнее.

Типы

Классификация

BJT PNP symbol.svg PNP P-канал JFET Labelled.svg P-канал
BJT NPN symbol.svg NPN N-канал JFET Labelled.svg N-канал
BJT JFET
Символы BJT и JFET
IGFET P-Ch Enh Labelled.svg IGFET P-Ch Enh Обозначенный упрощенный.svg IGFET P-Ch Dep Labelled.svg P-канал
IGFET N-Ch Enh Labelled.svg IGFET N-Ch Enh с пометкой simpleified.svg IGFET N-Ch Dep Labelled.svg N-канал
МОП-транзистор enh МОП-транзистор
Символы MOSFET

Транзисторы классифицируются по

Следовательно, конкретный транзистор может быть описан как кремниевый, поверхностный, BJT, NPN, маломощный высокочастотный переключатель .

Мнемоника

Удобная мнемоника для запоминания типа транзистора (представленного электрическим символом ) включает направление стрелки. Для BJT на символе npn- транзистора стрелка будет « N ot P oint i . На символе транзистора pnp стрелка « P oints i N P roudly». Однако это не относится к символам транзисторов на основе MOSFET, поскольку стрелка обычно перевернута (то есть стрелка для npn указывает внутри).

Полевой транзистор (FET)

Работа полевого транзистора и его кривая I d - V g . Сначала, когда напряжение на затвор не подается, в канале нет инверсионных электронов, поэтому устройство выключено. По мере увеличения напряжения затвора плотность инверсионных электронов в канале увеличивается, ток увеличивается, и, таким образом, устройство включается.

Полевой транзистор , который иногда называют однополярного транзистор , использует либо электронов (в п-канального полевого транзистора ) или отверстия (в р-канального полевого транзистора ) для проводимости. Четыре вывода полевого транзистора называются исток , затвор , сток и корпус ( подложка ). На большинстве полевых транзисторов корпус подключен к источнику внутри корпуса, и это предполагается в следующем описании.

В полевом транзисторе ток сток-исток протекает через проводящий канал, который соединяет область истока с областью стока . Электропроводность изменяется электрическим полем, которое создается при приложении напряжения между выводами затвора и истока, следовательно, ток, протекающий между стоком и истоком, регулируется напряжением, приложенным между затвором и истоком. По мере увеличения напряжения затвор-исток ( V GS ) ток сток-исток ( I DS ) экспоненциально увеличивается для V GS ниже порогового значения, а затем примерно с квадратичной скоростью: ( I DS ∝ ( V GS - V T ) 2 , где V T - пороговое напряжение, при котором начинается ток стока) в области « ограниченного пространственным зарядом » выше порога. В современных устройствах, например, на технологическом узле 65 нм, квадратичного поведения не наблюдается .

Для низкого уровня шума при узкой полосе пропускания более высокое входное сопротивление полевого транзистора является преимуществом.

Полевые транзисторы делятся на два семейства: полевые транзисторы с переходом ( JFET ) и полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET). IGFET более известен как полевой транзистор металл-оксид-полупроводник ( MOSFET ), что отражает его первоначальную конструкцию из слоев металла (затвор), оксида (изоляция) и полупроводника. В отличие от IGFET, затвор JFET образует p – n-диод с каналом, который находится между истоком и стоками. Функционально это делает n-канальный полевой транзистор JFET твердотельным эквивалентом триода для электронных ламп, который аналогично образует диод между своей сеткой и катодом . Кроме того, оба устройства работают в режиме истощения , оба имеют высокий входной импеданс и проводят ток под контролем входного напряжения.

Металл-полупроводник (полевые транзисторы ПТШ ) являются JFETs , в которых смещен в обратном направлении р-п переход заменяется на металл-полупроводник . Они, а также HEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов или HFET), в которых для переноса заряда используется двумерный электронный газ с очень высокой подвижностью носителей, особенно подходят для использования на очень высоких частотах (несколько ГГц).

Полевые транзисторы далее разделены на истощение режима и усиление режима типов, в зависимости от того, включен ли канал включен или выключен с нулевой затвор-исток. Для режима улучшения канал отключен при нулевом смещении, и потенциал затвора может «улучшить» проводимость. Для режима обеднения канал включен при нулевом смещении, и потенциал затвора (противоположной полярности) может «истощить» канал, уменьшая проводимость. Для любого режима более положительное напряжение затвора соответствует большему току для n-канальных устройств и более низкому току для p-канальных устройств. Почти все полевые транзисторы JFET работают в режиме истощения, поскольку диодные переходы будут направлять смещение и проводить, если бы они были устройствами расширенного режима, в то время как большинство IGFET-транзисторов относятся к типам расширенного режима.

Полевой транзистор металл – оксид – полупроводник (MOSFET)

Металл-оксид-полупроводник полевой транзистор (МОП - транзистор, МОП - транзистор, или МОП ПТ), также известный как транзистор металл-оксид-кремний (МОП - транзистор или МОП), представляет собой тип полевого транзистора , который изготовленных с помощью контролируемого окисления в виде полупроводника , обычно кремния . Он имеет изолированный затвор , напряжение которого определяет проводимость устройства. Эта способность изменять проводимость в зависимости от приложенного напряжения может использоваться для усиления или переключения электронных сигналов . MOSFET на сегодняшний день является наиболее распространенным транзистором и основным строительным блоком самой современной электроники . MOSFET составляет 99,9% всех транзисторов в мире.

Биполярный переходной транзистор (BJT)

Биполярные транзисторы названы так потому, что они проводят с использованием как мажоритарных, так и неосновных носителей . Биполярный транзистор с переходным соединением, первый тип транзистора, который будет производиться серийно, представляет собой комбинацию двух переходных диодов и состоит из тонкого слоя полупроводника p-типа, зажатого между двумя полупроводниками n-типа (n – p – n транзистор), или тонкий слой полупроводника n-типа, зажатый между двумя полупроводниками p-типа (транзистор p – n – p). Эта конструкция создает два p – n перехода : переход база-эмиттер и переход база-коллектор, разделенные тонкой областью полупроводника, известной как базовая область. (Два переходных диода, соединенные вместе без разделения промежуточной полупроводниковой области, не образуют транзистор).

Биполярные транзисторы имеют три вывода, соответствующие трем слоям полупроводника: эмиттер , база и коллектор . Они полезны в усилителях, поскольку токами на эмиттере и коллекторе можно управлять с помощью относительно небольшого тока базы. В n − p − n-транзисторе, работающем в активной области, переход эмиттер-база смещен в прямом направлении ( электроны и дырки рекомбинируют на переходе), а переход база-коллектор смещен в обратном направлении (электроны и дырки образуются при удаляются от перехода), а электроны инжектируются в базовую область. Поскольку база узкая, большая часть этих электронов диффундирует в смещенный в обратном направлении переход база-коллектор и унесется в коллектор; возможно, одна сотая электронов рекомбинирует в базе, что является доминирующим механизмом в токе базы. Кроме того, поскольку база слегка легирована (по сравнению с областями эмиттера и коллектора), скорость рекомбинации низка, что позволяет большему количеству носителей диффундировать через область базы. Контролируя количество электронов, которые могут покинуть базу, можно контролировать количество электронов, попадающих в коллектор. Ток коллектора примерно в β (коэффициент усиления по току общего эмиттера) умножается на ток базы. Обычно оно больше 100 для малосигнальных транзисторов, но может быть меньше для транзисторов, предназначенных для мощных приложений.

В отличие от полевого транзистора (см. Ниже), BJT представляет собой устройство с низким входным сопротивлением. Кроме того, по мере увеличения напряжения база-эмиттер ( V BE ) ток база-эмиттер и, следовательно, ток коллектор-эмиттер ( I CE ) экспоненциально возрастают в соответствии с моделью диода Шокли и моделью Эберса-Молла . Из-за этой экспоненциальной зависимости BJT имеет более высокую крутизну, чем FET.

Биполярные транзисторы можно заставить проводить под воздействием света, потому что поглощение фотонов в базовой области генерирует фототок, который действует как базовый ток; ток коллектора примерно в β раз больше фототока. Устройства, предназначенные для этой цели, имеют в корпусе прозрачное окошко и называются фототранзисторами .

Использование полевых МОП-транзисторов и биполярных транзисторов

MOSFET на сегодняшний день является наиболее широко используемых транзисторов для обоих цифровых схем , а также аналоговых схем , что составляет 99,9% от всех транзисторов в мире. Биполярный плоскостной транзистор (BJT) ранее был наиболее часто используемый транзистор в 1950 - х до 1960 - х годов. Даже после того, как полевые МОП-транзисторы стали широко доступны в 1970-х годах, БЮТ оставался предпочтительным транзистором для многих аналоговых схем, таких как усилители, из-за их большей линейности, до тех пор, пока полевые МОП- транзисторы (такие как силовые МОП-транзисторы , ЛДМОП и РЧ-КМОП ) не заменили их для большей мощности. электронные приложения в 1980-е годы. В интегральных схемах желательные свойства полевых МОП-транзисторов позволили им захватить почти всю долю рынка цифровых схем в 1970-х годах. Дискретные полевые МОП-транзисторы (обычно силовые полевые МОП-транзисторы) могут применяться в транзисторных приложениях, включая аналоговые схемы, регуляторы напряжения, усилители, передатчики мощности и драйверы двигателей.

Другие типы транзисторов

Символ транзистора создан на португальском асфальте в университете Авейру

Стандарты / спецификации нумерации деталей

Типы транзисторов можно определить по артикулу. Существует три основных стандарта наименования полупроводников. В каждом из них буквенно-цифровой префикс указывает на тип устройства.

Объединенный совет по разработке электронных устройств (JEDEC)

Американская схема нумерации деталей JEDEC появилась в 1960-х годах. Номера транзисторных устройств JEDEC EIA-370 обычно начинаются с "2N", что указывает на трехконтактное устройство ( полевые транзисторы с двумя затворами - это четырехконтактные устройства, поэтому начинаются с 3N), затем 2-, 3- или 4-значное число. порядковый номер, не имеющий значения для свойств устройства (хотя ранние устройства с низкими номерами, как правило, были германиевыми). Например, 2N3055 - кремниевый силовой транзистор n – p – n, 2N1301 - германиевый коммутирующий транзистор ap – n – p. Буквенный суффикс (например, «A») иногда используется для обозначения более нового варианта, но редко позволяет группировать.

Таблица префиксов JEDEC
Приставка Тип и использование
1N двухполюсное устройство, например диоды
2N трехконтактное устройство, такое как транзисторы или полевые транзисторы с одним затвором
3N четырехконтактное устройство, такое как полевые транзисторы с двойным затвором

Японский промышленный стандарт (JIS)

Японская спецификация JIS-C-7012 для номеров деталей транзисторов начинается с «2S», например, 2SD965, но иногда префикс «2S» не указывается на упаковке - 2SD965 может иметь только маркировку «D965»; 2SC1815 может быть указан поставщиком просто как «C1815». В этой серии иногда есть суффиксы (например, «R», «O», «BL», обозначающие «красный», «оранжевый», «синий» и т. Д.) Для обозначения вариантов, таких как более узкие группы h FE (усиление). .

Таблица префиксов транзисторов JIS
Приставка Тип и использование
2SA высокочастотный p – n – p БЮТ
2SB звуковая частота p – n – p BJT
2SC высокочастотный n – p – n БЮТ
2SD звуковая частота n – p – n BJT
2SJ P-канальный полевой транзистор (как JFET, так и MOSFET)
2SK N-канальный полевой транзистор (как JFET, так и MOSFET)

Европейская ассоциация производителей электронных компонентов (EECA)

Европейская схема нумерации деталей EECA была унаследована от Pro Electron, когда она объединилась с EECA в 1983 году. Эта схема нумерации деталей начинается с двух букв: первая обозначает тип полупроводника (A для германия, B для кремния и C для таких материалов, как GaAs) ; вторая буква обозначает предполагаемое использование (A для диода, C для транзистора общего назначения и т. д.). Далее следует трехзначный порядковый номер (или одна буква, затем две цифры для промышленных типов). В ранних устройствах это указывало на тип корпуса. Могут использоваться суффиксы с буквой (например, «C» часто означает высокий h FE , например, в BC549C) или другие коды могут следовать, чтобы показать усиление (например, BC327-25) или номинальное напряжение (например, BUK854-800A). Наиболее распространенные префиксы:

Таблица префиксов транзисторов EECA
Приставка Тип и использование Пример Эквивалент Ссылка
AC Германий , малосигнальный AF- транзистор AC126 NTE102A
ОБЪЯВЛЕНИЕ Германий, силовой транзистор AF AD133 NTE179
AF Германий, малосигнальный ВЧ- транзистор AF117 NTE160
AL Германий, силовой высокочастотный транзистор ALZ10 NTE100
В КАЧЕСТВЕ Германий, переключающий транзистор ASY28 NTE101
Австралия Германий, силовой переключающий транзистор AU103 NTE127
до н.э Кремниевый малосигнальный транзистор («общего назначения») BC548 2N3904 Техническая спецификация
BD Кремний, силовой транзистор BD139 NTE375 Техническая спецификация
BF Кремний, RF (высокочастотный) BJT или FET BF245 NTE133 Техническая спецификация
BS Кремний, переключающий транзистор (BJT или MOSFET ) BS170 2N7000 Техническая спецификация
BL Кремний, высокая частота, большая мощность (для передатчиков) BLW60 NTE325 Техническая спецификация
BU Кремний, высоковольтный (для цепей горизонтального отклонения ЭЛТ ) BU2520A NTE2354 Техническая спецификация
CF Арсенид галлия , малосигнальный СВЧ- транзистор ( MESFET CF739 - Техническая спецификация
CL Арсенид галлия, силовой СВЧ- транзистор ( FET ) CLY10 - Техническая спецификация

Проприетарный

Производители устройств могут иметь свою собственную систему нумерации, например CK722 . Поскольку устройства поставляются из вторых источников , префикс производителя (например, «MPF» в MPF102, который первоначально обозначал Motorola FET ) теперь является ненадежным индикатором того, кто изготовил устройство. Некоторые проприетарные схемы именования используют части других схем именования, например, PN2222A - это (возможно, Fairchild Semiconductor ) 2N2222A в пластиковом корпусе (но PN108 - это пластиковая версия BC108, а не 2N108, а PN100 не имеет отношения к другие устройства xx100).

Номерам военных частей иногда присваиваются их коды, такие как британская система именования военных резюме .

Производители, покупающие большое количество одинаковых деталей, могут снабжать их «номерами домов», указывающими конкретную спецификацию покупки, и не обязательно устройство со стандартизованным зарегистрированным номером. Например, деталь HP 1854,0053 представляет собой транзистор (JEDEC) 2N2218, которому также присвоен номер CV: CV7763.

Проблемы с именованием

При таком большом количестве независимых схем наименования и сокращении номеров деталей при печати на устройствах иногда возникает двусмысленность. Например, два различных устройство может быть помечено «J176» (один J176 с низким энергопотреблением JFET , другие более мощным МОП - транзистор 2SJ176).

Поскольку более старые транзисторы со сквозным отверстием поставляются в виде корпусов для поверхностного монтажа , им обычно присваивается много разных номеров деталей, потому что производители имеют свои системы, позволяющие справиться с разнообразием схем расположения выводов и вариантов для двойных или согласованных n – p – n + п – н – п устройства в одной упаковке. Таким образом, даже если исходное устройство (например, 2N3904) могло быть назначено органом по стандартизации и хорошо известно инженерам на протяжении многих лет, новые версии далеки от стандартизации в их именах.

Строительство

Полупроводниковый материал

Характеристики полупроводникового материала
Полупроводниковый
материал
Прямое
напряжение перехода
В при 25 ° C
Подвижность электронов
м 2 / (В · с) при 25 ° C
Подвижность отверстия
м 2 / (В · с) при 25 ° C
Максимум.
температура соединения.
° C
Ge 0,27 0,39 0,19 От 70 до 100
Si 0,71 0,14 0,05 От 150 до 200
GaAs 1.03 0,85 0,05 От 150 до 200
Переход Al – Si 0,3 - - От 150 до 200

Первые БЮТ были изготовлены из германия (Ge). Типы кремния (Si) в настоящее время преобладают, но в некоторых усовершенствованных микроволновых и высокопроизводительных версиях теперь используется составной полупроводниковый материал арсенид галлия (GaAs) и полупроводниковый сплав кремний-германий (SiGe). Одноэлементный полупроводниковый материал (Ge и Si) описывается как элементарный .

Примерные параметры наиболее распространенных полупроводниковых материалов, используемых для изготовления транзисторов, приведены в таблице рядом. Эти параметры будут изменяться с увеличением температуры, электрического поля, уровня примесей, деформации и многих других факторов.

Перехода вперед напряжения является напряжение , приложенное к эмиттер-база биполярного транзистора , чтобы сделать основание поведения заданный ток. Ток экспоненциально увеличивается с увеличением прямого напряжения перехода. Значения, приведенные в таблице, типичны для тока 1 мА (те же значения применимы к полупроводниковым диодам). Чем ниже прямое напряжение перехода, тем лучше, поскольку это означает, что для «управления» транзистором требуется меньшая мощность. Прямое напряжение перехода для заданного тока уменьшается с увеличением температуры. Для типичного кремниевого перехода изменение составляет -2,1 мВ / ° C. В некоторых схемах необходимо использовать специальные компенсирующие элементы ( сенсоры ) для компенсации таких изменений.

Плотность мобильных носителей в канале полевого МОП-транзистора является функцией электрического поля, формирующего канал, и различных других явлений, таких как уровень примесей в канале. Некоторые примеси, называемые легирующими добавками, специально вводятся при изготовлении полевого МОП-транзистора, чтобы контролировать его электрические характеристики.

В подвижности электронов и подвижность дырок колонок показывают среднюю скорость , что электроны и дырки диффундируют через полупроводниковый материал с электрическим полем 1 вольт на метр , приложенный к материалу. Как правило, чем выше подвижность электронов, тем быстрее может работать 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:

  1. Его максимальная температура ограничена.
  2. Он имеет относительно высокий ток утечки .
  3. Он не выдерживает высоких напряжений.
  4. Он менее подходит для изготовления интегральных схем.

Поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок для всех полупроводниковых материалов, данный биполярный n – p – n транзистор имеет тенденцию быть быстрее, чем эквивалентный p – n – p транзистор . GaAs имеет самую высокую подвижность электронов из трех полупроводников. Именно по этой причине GaAs используется в высокочастотных приложениях. Относительно недавняя разработка полевого транзистора, транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT), имеет гетероструктуру (соединение между различными полупроводниковыми материалами) из арсенида алюминия-галлия (AlGaAs) -арсенида галлия (GaAs), который имеет в два раза большую подвижность электронов, чем GaAs- металлический барьерный переход. Из-за их высокой скорости и низкого уровня шума HEMT используются в спутниковых приемниках, работающих на частотах около 12 ГГц. HEMTs на основе нитрида галлия и нитрида галлия алюминия (AlGaN / GaN HEMTs) обеспечивают еще более высокую подвижность электронов и разрабатываются для различных применений.

Максимальные значения температуры перехода представляют собой поперечное сечение, взятое из технических данных различных производителей. Эту температуру нельзя превышать, иначе можно повредить транзистор.

Переход Al – Si относится к быстродействующим (алюминий-кремний) барьерным диодам металл – полупроводник, широко известному как диод Шоттки . Это включено в таблицу, потому что некоторые кремниевые силовые IGFET-транзисторы имеют паразитный обратный диод Шоттки, сформированный между истоком и стоком как часть процесса изготовления. Этот диод может доставлять неудобства, но иногда он используется в схеме.

Упаковка

Разные дискретные транзисторы
Советские транзисторы КТ315б

Дискретные транзисторы могут представлять собой транзисторы в индивидуальной упаковке или неупакованные транзисторные кристаллы (матрицы).

Транзисторы выпускаются в различных полупроводниковых корпусах (см. Изображение). Двумя основными категориями являются устройства для сквозного монтажа (или выводы ) и для поверхностного монтажа , также известные как устройства для поверхностного монтажа ( SMD ). Массива мяч сетки ( BGA ) является последним для поверхностного монтажа пакета ( в настоящее время только для больших интегральных схем). Он имеет припойные «шарики» на нижней стороне вместо выводов. Поскольку они меньше по размеру и имеют более короткие межсоединения, SMD имеют лучшие высокочастотные характеристики, но более низкие номинальные мощности.

Корпуса транзисторов изготавливаются из стекла, металла, керамики или пластика. Пакет часто диктует номинальную мощность и частотные характеристики. Силовые транзисторы имеют большие корпуса, которые можно прикрепить к радиаторам для улучшения охлаждения. Кроме того, у большинства силовых транзисторов коллектор или сток физически соединены с металлическим корпусом. С другой стороны, некоторые СВЧ- транзисторы для поверхностного монтажа размером с песчинки.

Часто транзисторы данного типа доступны в нескольких корпусах. Пакеты транзисторов в основном стандартизированы, но назначение функций транзистора клеммам - нет: другие типы транзисторов могут назначать другие функции клеммам корпуса. Назначение выводов может меняться даже для одного и того же типа транзистора (обычно обозначается буквой суффикса к номеру детали, qe BC212L и BC212K).

В настоящее время большинство транзисторов выпускается в широком диапазоне корпусов SMT, для сравнения, список доступных корпусов сквозных транзисторов относительно невелик, вот краткий список наиболее распространенных корпусов сквозных транзисторов в алфавитном порядке: ATV, E-line, MRT, HRT, SC-43, SC-72, TO-3, TO-18, TO-39, TO-92, TO-126, TO220, TO247, TO251, TO262, ZTX851.

Неупакованные транзисторные чипы (кристаллы) могут быть собраны в гибридные устройства. Модуль IBM SLT 1960-х годов является одним из примеров такого гибридного схемного модуля, использующего пассивированный стеклом кристалл транзистора (и диода). Другие методы упаковки дискретных транзисторов в виде микросхем включают прямое присоединение микросхемы (DCA) и микросхему на плате (COB).

Гибкие транзисторы

Исследователи создали несколько видов гибких транзисторов, в том числе органические полевые транзисторы . Гибкие транзисторы используются в некоторых типах гибких дисплеев и другой гибкой электронике .

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

Книги
  • Горовиц, Пол и Хилл, Уинфилд (2015). Искусство электроники (3-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521809269.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  • Амос SW, Джеймс MR (1999). Принципы транзисторных схем . Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-4427-3.
  • Риордан, Майкл и Ходдесон, Лилиан (1998). Хрустальный огонь . WW Norton & Company Limited. ISBN 978-0-393-31851-7. Изобретение транзистора и рождение информационного века
  • Варнс, Лайонел (1998). Аналоговая и цифровая электроника . Macmillan Press Ltd. ISBN 978-0-333-65820-8.
  • Силовой транзистор - температура и теплопередача ; 1-е изд; Джон Маквейн, Дана Робертс, Малком Смит; Макгроу-Хилл; 82 страницы; 1975; ISBN  978-0-07-001729-0 . (архив)
  • Анализ схем транзисторов - теория и решения 235 задач ; 2-е изд; Альфред Гроннер; Саймон и Шустер; 244 страницы; 1970г. (Архив)
  • Физика и схемы транзисторов ; Р.Л. Риддл и депутат Ристенбатт; Прентис-Холл; 1957 г.
Периодические издания
Датабуки

внешние ссылки

Распиновка