Transistor

Transistor
Størrelsen og pakken definerer hvor mye kraft den kan spre.
Fyr	Halvleder
Oppfinnelse	John Bardeen, Walter Houser Brattain og William Bradford Shockley ( 1947 )
elektronisk symbol

terminaler	emitter, base og samler

Transistoren er en elektronisk halvlederenhet . Den tillater passering av ett signal som svar på et annet. Den kan konfigureres eller "oppføre seg" som en forsterker , oscillator , bryter eller likeretter . Begrepet " transistor ", fra akronymet overføringsmotstand . Det finnes i praktisk talt alle elektroniske enheter som radioer , TVer og datamaskiner . Vanligvis innenfor de såkalte integrerte kretsene .

Historikk

Den østerriksk-ungarske fysikeren Julius Edgar Lilienfeld søkte patent i Canada i 1925 [ 1 ] for det han kalte "en metode og apparat for å kontrollere elektriske strømmer" og som regnes som forgjengeren til strømfelteffekttransistorer . , slik det var ment . å være en solid-state erstatning for trioden . Lilienfeld søkte også om patenter i USA i årene 1926 [ 2 ] og 1928. [ 3 ] [ 4 ] Imidlertid publiserte ikke Lilienfeld noen forskningsartikler på enhetene sine, og patentene hans siterer heller ikke noen spesifikke eksempler på en fungerende prototype . Fordi produksjon av høykvalitets halvledermaterialer ikke var tilgjengelig på den tiden, fikk ikke Lilienfelds ideer om solid state-forsterkere praktisk bruk på 1920- og 1930-tallet, selv om han nettopp hadde bygget en slik enhet. [ 5 ]

I 1934 patenterte den tyske oppfinneren Oskar Heil en lignende enhet i Tyskland og Storbritannia [ 6 ] . Fire år senere utførte Robert Pohl og Rudolf Hilsch, også tyskere, eksperimenter ved universitetet i Göttingen, med kaliumbromidkrystaller, ved bruk av tre elektroder, som de oppnådde forsterkningen av 1 Hz-signaler med, men undersøkelsene deres førte ikke til bruk praktisk. [ 7 ] I mellomtiden førte eksperimentering ved Bell Laboratories med kobberoksidbaserte likerettere og forklaringer på halvlederbaserte likerettere av tyskeren Walter Schottky og engelskmannen Nevill Mott, til at William Shockley i 1938 trodde at det var mulig å oppnå konstruksjon av forsterkere. basert på halvledere, i stedet for vakuumrør. [ 7 ]

Fra 17. november 1947 til 23. desember 1947 utførte amerikanske fysikere John Bardeen og Walter Houser Brattain fra Bell Laboratories [ 8 ] forskjellige eksperimenter og observerte at når to gullpunktkontakter ble påført en germaniumkrystall , var det et signal med høyere utgangseffekt. enn inngangseffekten ble produsert. [ 9 ] Solid State Physics Group- leder William Shockley så potensialet i dette og arbeidet i de påfølgende månedene for å utvide forståelsen av halvledere kraftig. Begrepet "transistor" ble foreslått av den amerikanske ingeniøren John R. Pierce, basert på halvlederenheter som allerede var kjent på den tiden, for eksempel termistoren og varistoren , og basert på egenskapen til transresistens utstilt av enheten. [ 10 ] I følge en biografi av John Bardeen hadde Shockley foreslått at Bell Labs første patent på en transistor skulle være basert på felteffekten og at han ble navngitt som oppfinneren. Etter å ha gjenoppdaget Lilienfelds lenge glemte patenter, frarådet Bell Labs' advokater Shockleys forslag fordi ideen om en felteffekttransistor ikke var ny. Det som Bardeen, Brattain og Shockley fant opp i 1947 var i stedet den første punktkontakttransistoren, hvis første patent ble søkt om av de to første navngitt 17. juni 1948, [ 11 ] som ble fulgt av andre patenter på applikasjoner på denne enheten. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] Som en anerkjennelse for denne prestasjonen ble Shockley, Bardeen og Brattain i fellesskap tildelt Nobelprisen i fysikk i 1956 «for deres forskning på halvledere og deres oppdagelse av transistoreffekten». [ 15 ]

I 1948 ble kontakttransistoren uavhengig oppfunnet av de tyske fysikerne Herbert Mataré og Heinrich Welker, mens de jobbet ved Compagnie des Freins et Signaux, et fransk datterselskap av det amerikanske Westinghouse . Mataré hadde tidligere erfaring med å utvikle germanium- og silisiumkrystalllikerettere mens han jobbet med Welker om tysk radarutvikling under andre verdenskrig . Ved å bruke denne kunnskapen begynte han å undersøke "interferens"-fenomenet som han hadde observert i germanium-likerettere under krigen. I juni 1948 produserte Mataré konsistente og reproduserbare resultater ved å bruke Welker-produserte germaniumprøver, lik det Bardeen og Brattain tidligere hadde oppnådd i desember 1947. Da de innså at Bell Labs-forskerne allerede hadde oppfunnet transistoren tidligere. I likhet med dem skyndte selskapet seg å sette sin såkalt "transistron"-enhet i produksjon for bruk på Frankrikes telefonnett. [ 16 ] Den 26. juni 1948 søkte Wiliam Shockley om patent på den bipolare junction transistor [ 17 ] og 24. august 1951 søkte han om det første patentet for en felteffekttransistor [ 18 ] som ble erklært i det dokumentet , der strukturen den nå har ble nevnt. Året etter lyktes George Clement Dacey og Ian Ross fra Bell Laboratories med å lage denne enheten, [ 19 ] som det ble søkt om et nytt patent på 31. oktober 1952. [ 20 ] Måneder tidligere, 9. mai Det året, ingeniør Sidney Darlington søkte patent på to-transistor-arrangementet nå kjent som Darlington-transistoren . [ 21 ]

Den første høyfrekvente transistoren var germanium-overflatebarrieretransistoren utviklet av amerikanerne John Tiley og Richard Williams fra Philco Corporation i 1953, [ 22 ] som var i stand til å operere med signaler opp til 60 MHz . [ 23 ] For å lage det ble en prosedyre laget av de nevnte oppfinnerne brukt hvor fordypninger ble etset inn i en N-type germaniumbase på begge sider med stråler av indiumsulfat til den var omtrent ti tusendels tomme tykk. Elektroplettert indium i fordypningene dannet samleren og emitteren. [ 24 ] Den første bilradiomottakeren ble produsert i 1955 av Chrysler og Philco; han brukte disse transistorene i kretsløpene sine, og de var også de første som passet for datidens høyhastighetsdatamaskiner. [ 25 ] [ 26 ]

Den første fungerende silisiumtransistoren ble utviklet ved Bell Laboratories i januar 1954 av kjemikeren Morris Tanenbaum. [ 27 ] Den 20. juni 1955 søkte Tanenbaum og Calvin Fuller om patent på en prosess de hadde oppfunnet for å produsere halvlederenheter. [ 28 ] Den første kommersielle silisiumtransistoren ble produsert av Texas Instruments i 1954 gjennom arbeidet til ekspert Gordon Teal som tidligere hadde jobbet ved Bell Laboratories med å dyrke krystaller med høy renhet. [ 29 ] Den første MOSFET - transistoren ble bygget av koreansk-amerikanske Dawon Kahng og egyptiske Martin Atalla, begge Bell Labs-ingeniører, i 1960. [ 30 ] [ 31 ]

Operasjon

Transistoren består av tre kunstig dopede deler (forurenset med spesifikke materialer i spesifikke mengder) som danner to bipolare koblinger: emitteren som sender ut bærere , kollektoren som mottar eller samler dem, og den tredje, som er klemt mellom de to første, modulerer passasjen av nevnte bærere (base). I motsetning til ventiler er transistoren en strømstyrt enhet og hvorfra forsterket strøm oppnås. I kretsdesign regnes transistorer som et aktivt element, [ 32 ] i motsetning til motstander , kondensatorer og induktorer , som er passive elementer. [ 33 ]

På en forenklet måte er strømmen som sirkulerer gjennom kollektoren en forsterket funksjon av den som injiseres i emitteren , men transistoren justerer kun strømmen som sirkulerer gjennom seg selv, dersom basen mates fra en likestrømkilde . ladningen gjennom kollektoren , avhengig av hvilken type krets som brukes. Forsterknings- eller forsterkningsfaktoren som oppnås mellom kollektorstrøm og basisstrøm kalles Beta for transistoren. Andre parametere å ta hensyn til og som er spesielle for hver type transistor er: Emitter Collector, Emitter Base, Base Collector breakdown spenninger, Maksimal effekt, varmespredning, arbeidsfrekvens og flere tabeller der de forskjellige parameterne som basisstrøm, Emitter Samlerspenning, Emitter Basisspenning, Emitterstrøm, etc. De tre grunnleggende typene skjemaer (konfigurasjoner) for analog bruk av transistorer er felles emitter, felles kollektor og felles base.

Senere modeller av transistoren beskrevet, den bipolare transistoren (FET, MOSFET, JFET, CMOS, VMOS transistorer, etc.) bruker ikke strømmen som injiseres inn i baseterminalen for å modulere emitter- eller kollektorstrømmen, men snarere spenningen som er tilstede. i gateterminalen og skalerer konduktansen til kanalen mellom Source- og Drain-terminalene. Når konduktansen er null og kanalen er strupet, på grunn av spenningen påført mellom porten og kilden, er det det elektriske feltet som er tilstede i kanalen som er ansvarlig for å drive elektronene fra kilden til avløpet. På denne måten vil utgangsstrømmen i lasten koblet til Drain (D) være en forsterket funksjon av spenningen tilstede mellom porten og kilden, analogt med driften av trioden .

Felteffekttransistorer er det som har muliggjort storskalaintegrasjonen som er tilgjengelig i dag; For å få en grov idé kan flere hundre tusen sammenkoblede transistorer produseres per kvadratcentimeter og i flere overlagrede lag.

Transistortyper

Punktkontakttransistor

Også kalt en kontaktspisstransistor, det var den første forsterkningskompatible transistoren, oppfunnet i 1947 av John Bardeen og Walter Brattain. Den består av en germaniumbase, en halvleder som da er bedre kjent enn kobber - kobberoksid- kombinasjonen , hvor to metallpunkter som utgjør emitteren og kollektoren er støttet, svært tett sammen. Basisstrømmen er i stand til å modulere motstanden som "ses" ved kollektoren, derav navnet overføringsmotstand . Den er basert på overflateeffekter, lite kjent i sin tid. Den er vanskelig å produsere (tappene ble strammet for hånd), sprø (ett slag kan løsne tappene) og bråkete. Imidlertid eksisterte den sammen med koblingstransistoren på grunn av dens større båndbredde. Den har nå forsvunnet.

Bipolar overgangstransistor

Den bipolare koblingstransistoren (eller BJT ) er laget på en enkelt krystall av halvledermateriale som germanium, silisium eller galliumarsenid , hvis kvaliteter er mellomliggende mellom egenskapene til en elektrisk leder og en isolator. Tre påfølgende soner, NPN eller PNP, er forurenset på glassunderlaget på en svært kontrollert måte, noe som gir opphav til to PN-kryss .

N-sonene (hvor negative N ladningsbærere florerer ) oppnås ved å forurense substratet med atomer av elektrondonerende elementer , slik som arsen eller fosfor ; mens P-sonene (hvor positive ladningsbærere eller "hull" genereres ) oppnås ved å forurense med elektronaksepterende atomer , slik som indium , aluminium eller gallium .

De tre forurensede områdene resulterer i PNP- eller NPN-transistorer, der den midterste bokstaven alltid tilsvarer basisområdet, og de to andre til emitteren og kollektoren, som selv om de er av samme type og har motsatt fortegn til basen, de har forskjellig forurensning mellom seg (vanligvis er emitteren mye mer forurenset enn oppsamleren).

Mekanismen som representerer halvlederoppførselen vil avhenge av disse forurensningene, den tilhørende geometrien og typen forurensningsteknologi (gassdiffusjon, epitaksial, etc.) og kvanteoppførselen til krysset.

Felteffekttransistor

Kryssfelteffekttransistoren (JFET), var den første felteffekttransistoren i praksis. Den er dannet av en stang av N-type eller P-type silisium-halvledermateriale En ohmsk kontakt etableres ved stangens terminaler, dermed har vi en N-type felteffekttransistor av den mest grunnleggende form. Hvis to områder P diffunderer inn i en stang av materiale N og er eksternt forbundet med hverandre, vil det oppstå en port. Vi vil kalle en av disse kontaktene for en kilde og den andre et avløp. Ved å legge på en positiv spenning mellom drain og source og koble porten til source, vil vi etablere en strøm, som vi vil kalle drainstrømmen med null bias. Ved et negativt portpotensial, som vi kaller chokespenningen, opphører ledning i kanalen.

Felteffekttransistoren, eller FET for akronymet på engelsk, som styrer strømmen basert på en spenning; De har høy inngangsimpedans .

Junction-felteffekttransistor, JFET , bygget ved hjelp av et PN-kryss.
Isolert portfelteffekttransistor, IGFET, der porten er isolert fra kanalen med et dielektrikum .
MOS Field Effect Transistor, MOSFET , hvor MOS står for Metal-Oxide-Semiconductor, i dette tilfellet er porten metallisk og er atskilt fra halvlederkanalen med et oksidlag .

Fototransistor

Fototransistorer er følsomme for elektromagnetisk stråling ved frekvenser nær frekvensen til synlig lys ; på grunn av dette kan strømstrømmen reguleres ved hjelp av innfallende lys. En fototransistor er i hovedsak det samme som en vanlig transistor, bare den kan fungere på 2 forskjellige måter:

Som en vanlig transistor med basisstrøm (IB) (vanlig modus);
Som en fototransistor, når lyset som treffer dette elementet fungerer som en basisstrøm. (IP) (lysmodus).

Transistorer og kraftelektronikk

Med den teknologiske utviklingen og utviklingen av elektronikk , har evnen til halvlederenheter til å tåle stadig høyere nivåer av spenning og strøm tillatt deres bruk i kraftapplikasjoner. Dette er hvordan transistorer for tiden brukes i statiske kraftomformere , kontroller for motorer og høyeffektnøkler (hovedsakelig invertere), selv om hovedbruken deres er basert på strømforsterkning i en lukket krets.

Konstruksjon

Halvledende materiale

Egenskaper til halvledermaterialet

halvledermateriale _	Foroverkoblingsspenning V @ 25 °C	Elektronmobilitet m²/(V s) @ 25 °C	Tom mobilitet m²/(V s) @ 25 °C	Maksimal overgangstemperatur °C
Ge	0,27	0,39	0,19	70 til 100
Ja	0,71	0,14	0,05	150 til 200
GaAs	1.03	0,85	0,05	150 til 200
Al-Si	0,3	—	—	150 til 200

De første bipolare overgangstransistorene ble laget av germanium (Ge). Silisium (Si) transistorer dominerer for tiden, men visse høyytelses og avanserte mikrobølgeversjoner bruker nå den halvledende forbindelsen galliumarsenid (GaAs) og den halvledende silisium-germanium (SiGe) legeringen. Halvledermateriale basert på ett element (Ge og Si) beskrives som elementært.

Råparametrene til de vanligste halvledermaterialene som brukes til å lage transistorer er gitt i den medfølgende tabellen; disse parameterne vil variere med økende temperatur, elektrisk felt, nivå av urenheter, spenning og forskjellige andre faktorer.

Foroverkoblingsspenningen er spenningen som påføres emitter-base-overgangen til en bipolar overgangstransistor for å få basen til å lede en spesifisert strøm. Strømmen øker eksponentielt når foroverspenningen over krysset øker. Verdiene som er angitt i tabellen er typiske for en strøm på 1 mA (de samme verdiene gjelder for halvlederdioder). Jo lavere foroverkoblingsspenning, jo bedre, da dette betyr at det kreves mindre energi for å slå på transistoren. Foroverkoblingsspenningen for en gitt strøm avtar med økende temperatur. For en typisk silisiumforbindelse er endringen –2,1 mV/°C. [ 34 ] I noen kretser må spesielle kompenserende elementer (sensitorer) brukes for å kompensere for slike endringer.

Tettheten av bevegelige bærere i kanalen til en MOSFET er en funksjon av det elektriske feltet som danner kanalen og av forskjellige andre fenomener som nivået av urenheter i kanalen. Noen urenheter, kalt dopingmidler, introduseres bevisst i produksjonen av en MOSFET for å kontrollere dens elektriske oppførsel.

Kolonnene for elektronmobilitet og hullmobilitet i tabellen viser den gjennomsnittlige hastigheten ved hvilken elektroner og hull diffunderer gjennom halvledermaterialet med et elektrisk felt på 1 volt per meter påført gjennom materialet. Generelt, jo høyere elektronmobilitet, jo raskere kan transistoren fungere. Tabellen indikerer at germanium er et bedre materiale enn silisium i så måte. Imidlertid har germanium fire store mangler sammenlignet med silisium og galliumarsenid:

Dens maksimale temperatur er begrenset.
Den har en relativt høy lekkasjestrøm.
Den tåler ikke høye påkjenninger.
Den er mindre egnet for produksjon av integrerte kretser.

Fordi elektronmobiliteten er høyere enn hullmobiliteten for alle halvledermaterialer, har en gitt npn bipolar transistor en tendens til å være raskere enn en ekvivalent pnp-transistor. Galliumarsenid har den høyeste elektronmobilitetsverdien av de tre halvlederne. Det er av denne grunn at den brukes i høyfrekvente applikasjoner. En relativt nylig utviklet FET-transistor, transistoren med høy elektronmobilitet (HEMT), har en galliumarsenid-aluminium (AlGaAs)-galliumarsenid (GaAs) heterostruktur (kryss mellom forskjellige halvledermaterialer), som har dobbelt så mye elektronmobilitet enn en GaAs. -metallbarrierekryss. På grunn av sin høye hastighet og lave støynivå brukes HEMT-er i satellittmottakere som opererer ved frekvenser rundt 12 GHz. HEMT-er basert på galliumnitrid og aluminium-galliumnitrid (AlGaN/GaN HEMT) gir enda høyere elektronmobilitet og utvikles for ulike bruksområder. .

Verdier i kolonnen Maximum Junction Temperature Value er hentet fra ulike produsenters datablader. Denne temperaturen må ikke overskrides, ellers kan transistoren bli skadet.

Dataene i Al-Si-raden i tabellen refererer til høyhastighets metall-halvleder (aluminium-silisium) barrieredioder, vanligvis kjent som Schottky-dioder . Dette er inkludert i tabellen, ettersom noen silisiumkraft IGFET-transistorer har en "parasittisk" revers Schottky-diode dannet mellom kilden og avløpet som en del av produksjonsprosessen. Denne dioden kan være en plage, men den brukes noen ganger i kretsen den er en del av.

Den bipolare transistoren som en forsterker

Oppførselen til transistoren kan sees på som to dioder ( Ebers-Moll Model ), en mellom base og emitter, foroverspent, og en annen diode mellom base og kollektor, revers forspent. Dette betyr at mellom base og emitter vil vi ha en spenning lik likespenningen til en diode, det vil si 0,6 til 0,8 V for en silisiumtransistor og ca. 0,4 for germanium.

Det interessante med enheten er at vi i kollektoren vil ha en strøm proporsjonal med basisstrømmen: I C = β I B , det vil si strømforsterkning når β>1. For normale signaltransistorer varierer β mellom 100 og 300. Det er tre konfigurasjoner for transistorforsterkeren: felles emitter, felles base og felles kollektor.

Vanlig utsteder

Signalet påføres basen av transistoren og trekkes ut av kollektoren. Senderen er koblet til jordpunktet (jord) som vil være felles for både inngangssignalet og utgangssignalet. I denne konfigurasjonen er det både spennings- og strømforsterkning. For å oppnå stabilisering av trinnet før variasjonene av signalet er en emittermotstand tilgjengelig, (RE ) og for lave frekvenser nærmer utgangsimpedansen seg RC . Spenningsforsterkningen er uttrykt:

$G_{V}=-{\frac {R_{C}}{R_{E}}}$

Det negative tegnet indikerer at utgangssignalet er invertert i forhold til inngangssignalet.

Hvis emitteren er koblet direkte til jord, uttrykkes forsterkningen som følger:

$G_{V}=-{\frac {R_{C}}{R_{e}}}$

Siden basen er koblet til emitteren med en foroverforspent diode, kan det mellom dem antas at det er en konstant spenning, kalt og at verdien av forsterkningen (β) er konstant. Fra den vedlagte grafen følger det at emitterspenningen er: $V_{BE}$

$V_{E}=V_{B}-V_{BE}$

Og emitterstrømmen:

$I_{E}={\frac {V_{E}}{R_{E}}}={\frac {V_{B}-V_{BE}}{R_{E}}}$ .

Emitterstrømmen er lik kollektorstrømmen pluss basisstrømmen:

${\begin{aligned}I_{E}&=I_{C}+I_{B}\\&=I_{C}+{\frac {I_{C}}{\beta }}\\& =I_{C}\left(1+{\frac {1}{\beta }}\right)\\\end{aligned}}$

Fjerning av kollektorstrømmen:

$I_{C}={\frac {I_{E}}{1+{\frac {1}{\beta }}}}$

Utgangsspenningen, som er kollektorspenningen, beregnes som følger:

${\begin{aligned}V_{C}&=V_{CC}-I_{C}R_{C}\\&=V_{CC}-R_{C}*{\frac {I_{E} }{1+\displaystyle {\frac {1}{\beta }}}}\end{aligned}}$

Siden β >> 1, kan det tilnærmes:

$1+{\frac {1}{\beta }}=1$

og da er det mulig å beregne kollektorspenningen som:

${\begin{aligned}V_{C}&=V_{CC}-R_{C}I_{E}\\&=V_{CC}-R_{C}*{\bigg (}{\frac {V_{B}-V_{BE}}{R_{E}}}{\bigg )}\\&={\bigg (}V_{CC}+R_{C}{\frac {V_{BE}} {R_{E}}}{\bigg )}-R_{C}{\frac {V_{B}}{R_{E}}}\end{aligned}}$

Delen i parentes er konstant (den avhenger ikke av inngangssignalet), og resten uttrykker utgangssignalet. Det negative tegnet indikerer at utgangssignalet er 180° ute av fase i forhold til inngangssignalet.

Til slutt er gevinsten uttrykt som:

${\begin{aligned}G_{V}&={\frac {V_{C}}{V_{B}}}\\&=-{\frac {R_{C}}{R_{E} }}\end{aligned}}$

Inngangsstrømmen, , hvis kan uttrykkes som følger: $I_{B}={\frac {I_{E}}{1+\beta }}$ $\beta >>1$

${\begin{aligned}I_{B}&={\frac {I_{E}}{\beta }}\\&={\frac {V_{E}}{R_{E}\beta } }\\&={\frac {V_{B}-V_{BE}}{R_{E}\beta }}\end{aligned}}$

Forutsatt at , kan vi skrive: $V_{B}>>V_{BE}$

$I_{B}={\frac {V_{B}}{R_{E}\beta }}$

Ved å dele spenningen og strømmen ved basen, er inngangsimpedansen eller motstanden som følger:

${\begin{aligned}Z_{in}&={\frac {V_{B}}{I_{B}}}\\&={\frac {V_{B}}{\displaystyle {\frac {V_{B}}{R_{E}\beta }}}}\\&=R_{E}\beta \end{aligned}}$

For å ta hensyn til frekvensens påvirkning, må det brukes mer forseggjorte transistormodeller. Det er veldig vanlig å bruke modellen i pi.

Ett-trinns design i vanlig emitterkonfigurasjon

lastelinje

Denne rette linjen er plottet på de karakteristiske kurvene til en transistor levert av produsenten. Punktene for å plotte det er: og spenningen til strømforsyningen $Ic={\frac {Vcc}{Rc+Re}}$ $Vcc$

I endene av den observeres cutoff- og metningssonene, som er nyttige når transistoren fungerer som en bryter. Den vil bytte mellom begge tilstander i henhold til polarisasjonen til basen.

Valget av Q -punktet er grunnleggende for en korrekt polarisering. Et utvidet kriterium er å ta i bruk hvis kretsen ikke har . Hvis det telles som tilfellet for kretsen som skal vurderes, vil verdien av bli målt fra kollektor til jord. $Vce={\frac {Vcc}{2}}$ $Re$ $Re$ $Vce$

Q-punktet forblir statisk så lenge basen til transistoren ikke mottar et signal.

Trening

Vi fortsetter med å bestemme verdiene av $Rc(R3),Re(R4),R1,R2,Zin,Zo\,y\ Gv$

Data: $Vcc=20V,Icq=10mA,Vceq=8V,\beta =100$

$V_{E}={\frac {1}{10}}V_{CC}={\frac {1}{10}}20=2V$

$\mathbf {\mathbb {R} }E}={\frac {V_{E}}{I_{E}}}\approxeq {\frac {V_{E}}{I_{C}} }={\frac {2V}{10mA}}=200\Omega$

Denne tilnærmingen støttes fordi $\beta \gg 10$

$\mathbf {\mathbb {R} }{C}={\frac {V_{RC}}{I_{C}}}={\frac {V_{CC}-V_{CE}-V_{ E }}{I_{C}}}={\frac {20V-8V-2V}{10mA}}=1K\Omega$

$V_{B}=V_{BE}+V_{E}=0.7V+2V=2.7V$

For at kretsen skal fungere i en effektivitetssone, må strømmen gjennom spenningsdeleren y være mye større enn basisstrømmen; minst i forholdet 10:1 $R_{1}$ $R_{2}$

$\mathbf {\mathbb {R} } 2\leq {\frac {1}{10}}\beta {R_{E}}={\frac {1}{10}}(100)(0,2K \Omega )=2k\Omega$

$V_{B}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}V_{CC}$ ved å bruke verdien av oppnådd ovenfor $V_{B}$

$V_{B}=2.7V={\frac {(2k\Omega )(20V)}{R_{1}+2k\Omega }}$ $\quad \derfor \quad$ $\mathbf {\mathbb {R} } 1={\frac {(2k\Omega )(20V)}{2.7V}}-(2k\Omega )=12.8k\Omega$

Den dynamiske motstanden til dioden ved emitterkrysset beregnes ved å ta verdien av den termiske spenningen over den, og er gitt av: $r_{e}$ $r_{e}={\frac {V_{T}}{I_{E}}}\approxeq {\frac {V_{T}}{I_{C}}}={\frac {26mV}{ 10mA}}=2,6\Omega$

Med denne verdien fortsetter vi å beregne spenningsforsterkningen til trinnet; $G_{V}=-{\frac {R_{C}}{r_{e}}}=-{\frac {1K\Omega}{2.6\Omega }}=-385$

Det er ikke tatt hensyn til siden emitteren er på bakkenivå for signalet ved hjelp av , som i diagrammet er vist som ; da tar utgangsimpedansen verdien av hvis transistoren ikke har last. Hvis lasten vurderes , bestemmes den ved å vurdere at den har verdien , $R_{E}$ $C_{E}$ $C_{3}$ $Z_{O}$ $R_{C}$ $R_{L}$ $Z_{O}$ $\mathbf {\mathbb {Z} }{O}={\frac {1}{{\frac {1}{R_{C}}}+{\frac {1}{R_{L}} } }}$ $R_{L}$ $5K\Omega$ $\mathbf {\mathbb {Z} }{O}={\frac {1}{{\frac {1}{1K\Omega }}+{\frac {1}{5K\Omega }}} } =830\Omega$

Når man vurderer , endres spenningsforsterkningen: $R_{L}$ $G_{V}=-{\frac {830\Omega }{2.6\Omega }}=-319$

Inngangsimpedansen ved bunnen av transistoren for eksempelet er gitt av $Z_{b}=r_{e}\beta =(2.6)(100)=260\Omega$

Mens inngangsimpedansen til scenen bestemmes: $\mathbf {\mathbb {Z} }{i}={\frac {1}{{\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}} } +{\frac {1}{Z_{b}}}}}={\frac {1}{{\frac {1}{12.8k\Omega }}+{\frac {1}{2k\Omega } } +{\frac {1}{260\Omega }}}}=226\Omega$

Reaktansen til kondensatorene er ikke tatt med i beregningene, fordi de er valgt med en kapasitet slik at deres reaktans ved de benyttede signalfrekvensene. $X_{C}\rightarrow 0$

Felles base

Signalet tilføres transistorens emitter og trekkes ut av kollektoren. Basen er koblet til jordingen til både inngangs- og utgangssignalene. I denne konfigurasjonen er det bare spenningsforsterkning. Inngangsimpedansen er lav og strømforsterkningen er noe mindre enn én, fordi en del av emitterstrømmen forlater basen. Hvis vi legger til en emittermotstand, som kan være signalkildens egen utgangsimpedans, vil en analyse lik den som utføres i det vanlige emittertilfellet resultere i at den omtrentlige forsterkningen er:

{\displaystyle G_{V}={\frac {R_{C}}{R_{E}}}}

Felles base brukes ofte for å matche signalkilder med lav utgangsimpedans som dynamiske mikrofoner.

Felles samler

Signalet tilføres basen til transistoren og trekkes ut av emitteren. Kollektoren er koblet til jordingen til både inngangs- og utgangssignalene. I denne konfigurasjonen er det en strømforsterkning, men ikke en spenningsforsterkning, som er litt mindre enn enhet. Inngangsimpedansen er høy, omtrent β+1 ganger lastimpedansen. Dessuten er utgangsimpedansen lav, omtrent β ganger mindre enn signalkilden.

Den bipolare transistoren vs. termionisk ventil

Før transistoren dukket opp, ble termioniske ventiler brukt. Ventiler har elektriske egenskaper som ligner på felteffekttransistorer (FET): strømmen gjennom dem avhenger av spenningen ved terminalen som kalles gitteret. Årsakene til at transistoren erstattet den termioniske ventilen er flere:

Ventilene krever svært høye spenninger, i størrelsesorden hundrevis av volt, som er farlige for mennesker.
Ventiler bruker mye strøm, noe som gjør dem spesielt ubrukelige til batteribruk.
Vekt: Chassiset som trengs for å huse ventilene og transformatorene som kreves for deres drift, ble en betydelig vekt, alt fra noen få kilo til titalls kilo.
Den gjennomsnittlige tiden mellom feil på termionventiler, som er svært kort sammenlignet med transistorer, hovedsakelig på grunn av varmen som genereres.
Oppstartsforsinkelse: Ventilene har en viss forsinkelse i å begynne å virke, siden de må være varme for å etablere ledning.
Den mikrofoniske effekten: Svært vanlig i ventiler i motsetning til transistorer, som i seg selv er ufølsomme for den.
Størrelse: Transistorer er mindre enn ventiler. Selv om det er enstemmighet på dette punktet, bør det tas ett forbehold: når det gjelder strømenheter, må de ha en kjøleribbe, så størrelsen som skal vurderes er enhetens (ventil eller transistor) pluss kjøleribben. Fordi ventiler kan operere ved høyere temperaturer, er kjøleribbeeffektiviteten høyere for ventiler enn for transistorer, så en mye mindre kjøleribbe er tilstrekkelig.
Transistorer fungerer med lave impedanser, det vil si med lave spenninger og høye strømmer; mens ventilene har høye impedanser og derfor jobber med høye spenninger og små strømmer.
Kostnad: Transistorer koster mindre enn rør fra den første utgivelsen, og det var et løfte fra produsentene om at kostnadene deres ville fortsette å falle (som de gjorde) med nok forskning og utvikling.

Som et eksempel på alle disse ulempene kan vi nevne den første digitale datamaskinen, kalt ENIAC , som veide mer enn tretti tonn og forbrukte 200 kilowatt, nok til å drive en liten by, på grunn av dens omtrent 18 000 ventiler, hvorav noen brente ut hver dag, noe som krever betydelig logistikk og organisering for å holde dette teamet i gang.

Den bipolare transistoren erstattet gradvis den termioniske ventilen i løpet av 1950-årene, men ikke helt. Faktisk, i løpet av 1960 -tallet fortsatte noen produsenter å bruke termioniske ventiler i avansert radioutstyr, som Collins og Drake; da forskjøv transistoren ventilen i sendere, men ikke helt i radiofrekvensforsterkere. Andre produsenter av elektriske musikkinstrumenter, som Fender, fortsatte å bruke rør i sine lydforsterkere for elektriske gitarer. Årsakene til overlevelsen av termioniske ventiler er flere:

Ikke-linearitet: Transistoren har ikke høyeffekts linearitetsegenskapene til den termioniske ventilen, så den kunne ikke erstattes i profesjonelle og amatørradioforsterkere før flere år senere. [ referanse nødvendig ]
Generering av harmoniske signaler: De harmoniske signalene introdusert av rørenes ikke-linearitet er behagelige for det menneskelige øret, som demonstrert av psykoakustikk , og det er derfor de foretrekkes av audiofile .
Følsomhet for kjernefysiske eksplosjoner: Transistoren er svært følsom for de elektromagnetiske effektene av kjernefysiske eksplosjoner, og det er grunnen til at termionventiler fortsatt ble brukt i noen kontroll- og kommandosystemer til sovjetproduserte jagerfly. [ referanse nødvendig ]
Håndtering av høye effekter: Ventilene er i stand til å håndtere svært store effekter, i motsetning til den som håndteres av de første transistorene; I løpet av årene ble det imidlertid utviklet effekttrinn med flere transistorer parallelt som var i stand til å håndtere høyere effekter.

Se også: Termionventil og bipolar transistor .

Se også

Referanser

^ "Patent 272437 Sammendrag " . Kanadisk kontor for intellektuell eiendom. Arkivert fra originalen 2. mars 2016 . Hentet 19. februar 2016 .
^ "Patent US 1745175: Metode og apparat for å kontrollere elektriske strømmer " . USAs patentkontor . Hentet 19. februar 2016 .
^ "Patent US 1877140: Forsterker for elektriske strømmer " . USAs patentkontor . Hentet 19. februar 2016 .
^ "Patent US 1900018: Enhet for å kontrollere elektrisk strøm " . USAs patentkontor . Hentet 19. februar 2016 .
^ Vardalas, John (mai 2003). "Vridninger i utviklingen av transistoren" . Dagens ingeniør . Arkivert fra originalen 2. mars 2016 . Hentet 19. februar 2016 .
^ "Patent GB439457: Forbedringer i eller relatert til elektriske forsterkere og andre kontrollarrangementer og enheter." (på engelsk) . Det europeiske patentkontoret . Hentet 19. februar 2016 .
^ a b "1926 - Felteffekthalvlederenhetskonsepter patentert " . Datahistorisk museum. 28. desember 2015 . Hentet 19. februar 2016 .
↑ Vardalas, John. "Vridninger i utviklingen av transistoren" . Dagens ingeniør på nett . Arkivert fra originalen 2. mars 2016 . Hentet 7. mars 2016 .
^ "17. november - 23. desember 1947: Oppfinnelsen av den første transistoren " . American Physical Society . Hentet 7. mars 2016 .
^ Braun, Ernest; MacDonald, Stuart (1982). Revolusjon i miniatyr: historien og virkningen av halvlederelektronikk ( 2. utgave). Cambridge [etc.]: Cambridge University Press . s. 45. ISBN 0521247012 . Hentet 7. mars 2016 .
^ "Patent US2524035: Tre-elektrode kretselement som bruker halvledende materialer " . USAs patentkontor . Hentet 13. mars 2016 .
^ "Patent US2569347: Kretselement som bruker halvledende materiale " . USAs patentkontor . Hentet 13. mars 2016 .
^ "Patent US2502479: Halvlederforsterker " . USAs patentkontor . Hentet 13. mars 2016 .
^ "Patent US2600500: Halvledersignaloversettelsesenhet med kontrollerte transporttider for transportør " . USAs patentkontor . Hentet 13. mars 2016 .
^ "Nobelprisen i fysikk 1956" (på engelsk) . Nobel Media AB . Hentet 7. mars 2016 .
^ "1948: Den europeiske transistoroppfinnelsen " . Datahistorisk museum . Hentet 7. mars 2016 .
^ "Patent US2569347: Kretselement som bruker halvledende materiale " . USAs patentkontor . Hentet 30. mars 2016 .
^ "Patent US2744970: Oversettelsesenheter for halvledersignaler " . USAs patentkontor . Hentet 13. mars 2016 .
^ Robinson, C. Paul (2013). "GEORGE C. (CLEMENT) DACEY" . Memorial Tributes ( The National Academies Press) 17 . doi : 10.17226/18477 . Hentet 14. mars 2016 .
^ "Patent US2778956: Oversettende enheter for halvledersignaler " . USAs patentkontor . Hentet 13. mars 2016 .
^ "Patent US2663806: Oversettelsesenhet for halvledersignaler " . USAs patentkontor . Hentet 30. mars 2016 .
^ "Patent US2885571" (på engelsk) . USAs patentkontor . Hentet 8. mars 2016 .
^ Bradley, William (8. januar 2007). "The Surface-Barrier Transistor: Part I-Principles of the Surface-Barrier Transistor" . Proceedings of the IRE (på engelsk) 41 (12). doi : 10.1109/JRPROC.1953.274351 .
^ Bohr, Edwin (august 1957). "The Amazing Surface Barrier Transistor" . Radio- og TV-nyheter (på engelsk) 58 (2) . Hentet 7. mars 2016 .
^ "Elektronikk oppdatert" . Popular Mechanics 16 (5). mai 1955 . Hentet 7. mars 2016 .
^ Rosen, Saul (1991). "PHILCO: Noen minner om PHILCO TRANSAC S-2000 " . Purdue University . Hentet 7. mars 2016 .
^ "1954: Silisiumtransistorer tilbyr overlegne driftsegenskaper " . Datahistorisk museum . Hentet 7. mars 2016 .
^ "Patent US2861018" (på engelsk) . USAs patentkontor . Hentet 7. mars 2014 .
↑ Riordan, Michael. "Transistorens tapte historie" (på engelsk) . IEEE Spektrum . Hentet 7. mars 2016 .
^ "Patent US3102230" (på engelsk) . USAs patentkontor . Hentet 7. mars 2016 .
^ "1960: Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor demonstrert " . Datahistorisk museum . Hentet 7. mars 2016 .
↑ Ordbok for elektronikk, databehandling og kjerneenergi , s. 10. På Google bøker.
↑ Dictionary of Electronics, Computing and Nuclear Energy , side 425. I Google-bøker.
↑ Smith, Kenneth C.; Sedra, Adel (2004). Mikroelektroniske kretsløp (5. utgave). New York: Oxford University Press . s. 397 . ISBN 0-19-514251-9 . Hentet 17. mai 2016 .

Bibliografi

Alley-Atwood. Elektronikkteknikk . ISBN 968-18-0967-X
Boylestad-Nashelsky. Elektronikk. Kretsteori . ISBN 968-880-347-2

Eksterne lenker

Wikimedia Commons har en mediekategori for Transistor .
Wiktionary har definisjoner og annen informasjon om transistorer .

Transistorer vs. rør for high-fidelity lydapplikasjoner - Oscar Bonello, grunnlegger av Solidyne-selskapet og medlem av Audio Engineering Society (AES), foreslår en mulig tolkning av rivaliseringen mellom entusiaster av en eller annen teknologi.
Hvordan transistorer virkelig fungerer Original engelsk versjon