Что внутри транзистора: что внутри транзистора зачем белый порошок . Ремонт

Новый оптический «транзистор» ускорит вычисления в тысячу раз при минимальных энергозатратах

Международная научная группа во главе с исследователями из Сколтеха и IBM создала чрезвычайно энергоэффективный оптический переключатель, который мог бы заменить электронные транзисторы в новом поколении компьютеров, оперирующих фотонами, а не электронами. Переключатель не только напрямую сберегает энергию, но и не требует охлаждения, и притом очень быстро работает: способный выполнять триллион операций в секунду, он в 100–1 000 раз быстрее, чем самые производительные современные коммерческие транзисторы. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, опубликованы в среду в научном журнале Nature.

Лаборатория гибридной фотоники в Сколтехе

«Новое устройство чрезвычайно энергоэффективно благодаря тому, что для его переключения требуется всего несколько фотонов», — прокомментировал первый автор исследования, Антон Заседателев. «На самом деле, в лабораториях Сколтеха мы добились переключения даже одним фотоном при комнатной температуре, — добавил профессор Павлос Лагудакис, возглавляющий лабораторию гибридной фотоники в Сколтехе.

— Тем не менее предстоит пройти долгий путь от наблюдения эффекта в лаборатории до разработки реальных полностью оптических сопроцессоров».

Поскольку фотон — мельчайшая существующая в природе частица света, ученые, по сути, подобрались к пределу энергоэффективности. Если говорить об электрических транзисторах, то большинство из них сегодня требуют в десятки раз больше энергии для переключения, а те, что достигают сопоставимой эффективности — за счет совершения манипуляций с одиночными электронами — работают намного медленнее.

Конкурирующие энергосберегающие электронные транзисторы не только проигрывают в производительности, но и нуждаются в громоздком охлаждающем оборудовании, которое, в свою очередь, потребляет дополнительную энергии и увеличивает эксплуатационные расходы. Новый переключатель может работать при комнатной температуре и, следовательно, не подвержен этим проблемам.

В дополнение к своей основной функции переключатель может работать как связывающий устройства компонент, который передает данные между ними в виде оптических сигналов. Он также может служить усилителем, увеличивая интенсивность входного сигнала до 23 тыс. раз.

Как это работает Устройство использует два лазера, чтобы установить свое состояние на уровне «0» или «1» и переключаться между ними. Концептуально это работает так, что очень слабый контрольный лазерный луч используется для включения или выключения другого, более яркого лазерного луча. Для этого в контрольном луче требуется всего несколько фотонов, чем и обусловлена высокая эффективность устройства.  Но сложность состоит в том, что лазеры сами по себе не способны оказывать влияние друг на друга из-за ничтожно слабого взаимодействия фотонов. Для того, чтобы реализовать концепцию переключения, нужна некая среда. В нашем случае переключение происходит внутри микрорезонатора — органического полупроводникового полимера толщиной 35 нанометров, зажатого между неорганическими структурами с высокой отражающей способностью. Микрорезонатор построен таким образом, чтобы как можно дольше удерживать входящий свет внутри и усиливать его взаимодействие с веществом (органическим полимером). Именно сильное взаимодействие света с веществом и обеспечивает функционирование нового устройства. Когда внутри резонатора фотоны взаимодействуют со связанными электронно-дырочными парами (экситонами), возникают экситон-поляритоны — гибридные состояния света и вещества с очень малым временем жизни, которые относятся к так называемым квазичастицам и лежат в основе работы переключателя. Когда лазер накачки — более яркий из двух — светит на переключатель, в одном и том же месте создаются тысячи одинаковых квазичастиц, образуя так называемый конденсат Бозе — Эйнштейна, который кодирует логические состояния «0» и «1» устройства. Чтобы переключаться между двумя уровнями устройства, команда использовала контрольный лазерный импульс, создающий условия для возникновения конденсата незадолго до появления лазерного импульса накачки. Таким образом, контрольный импульс увеличивает эффективность преобразования энергии лазера накачки, что в свою очередь приводит к большему количеству квазичастиц в конденсате. Большее количество частиц соответствует логическому уровню «1» устройства. Для снижения энергопотребления ученые использовали ряд хитростей. Во-первых, эффективному переключению способствовали колебания молекул полупроводникового полимера. Трюк состоит в том, чтобы согласовать энергию частиц накачки и энергию частиц в конденсате при помощи молекулярных колебаний в полимере внутри резонатора. Во-вторых, команде удалось найти оптимальную длину волны лазеров и внедрить новую схему измерения, позволяющую регистрировать состояние конденсата в каждой отдельной реализации. В-третьих, формирующий конденсат контрольный лазер и схема детектирования были согласованы таким образом, чтобы минимизировать шум от фонового излучения устройства. Эти меры максимально улучшили показатель «сигнал — шум» устройства и предотвратили поглощение избыточной энергии в микрорезонаторе, избежав тем самым чрезмерного нагрева устройства.

«Нам предстоит работа по снижению общего энергопотребления устройства, в котором в настоящее время доминирует лазер накачки, поддерживающий переключатель в активном состоянии. Одним из перспективных способов достижения этой цели могут быть перовскитные суперкристаллические материалы, подобные тем, которые мы исследуем с коллегами. Они отлично подходят для этой цели, поскольку обеспечивают сильное взаимодействие света с веществом и, как следствие, мощный коллективный квантовый отклик в виде сверхизлучения», — заявили исследователи.

Авторы исследования подчеркивают важность предложенного принципа оптического однофотонного переключения: он может быть распространен на другие полностью оптические компоненты, которые коллектив разрабатывает последние несколько лет. В числе прочего их набор включает различные логические вентили, каскадный усилитель и кремниевый волновод с малыми потерями для переноса оптических сигналов между транзисторами. Разработка такого рода компонентов планомерно приближает нас к появлению оптических компьютеров, которые будут манипулировать фотонами, а не электронами и за счет этого работать быстрее традиционных вычислителей и расходовать меньше энергии.

Работа в Сколтехе поддержана Российским научным фондом (РНФ). В исследовании принимали участие ученые из Сколтеха, IBM, Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н. Л. Духова, Московского физико-технического института, Института спектроскопии РАН, НИУ Высшая школа экономики, Горного университета Вупперталя и Саутгемптонского университета.

 

 

Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81

*protected email*

Что такое транзисторы. Обучающее видео

Смотрите также обзоры и статьи:

Привет!

В своих обучающих роликах мы уже прошли пассивные компоненты и немного затронули активную часть электроники. Прошлый выпуск был о диодах — советуем посмотреть, если вы еще не видели. А сегодняшний выпуск будет о короле всей микропроцессорной техники, совершившем революцию в приборостроении — транзисторе. Предлагаем присоединиться к изучению.

Транзистор — наверное, самый важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.

Работа транзистора похожа на работу водопроводного крана. Только вместо воды – электрический ток. Возможны три состояния транзистора – рабочее (транзистор открыт), состояние покоя (транзистор закрыт) и полуоткрытое состояние — в нем транзистор работает в усилительном режиме. Приоткрывая или призакрывая кран, мы регулируем мощность потока воды. Другими словами: это электронная кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения.

Бывают как большие, таки и очень маленькие транзисторы. Например, центральные процессоры компьютеров или телефонов внутри состоят из взаимодействующих между собой транзисторов размером с десяток нанометров. Популярный в мобильных устройствах процессор Snapdragon 835 скрывает в себе 3 миллиарда транзисторов размерами в 10 нм каждый! (для сравнения — размеры бактерий в среднем составляют 50-500 нм).

Существуют биполярные и полевые транзисторы. Разберем, в чем между ними разница.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы имеют три контакта:

• Коллектор — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
• База — через неё подаётся небольшой ток, чтобы разблокировать большой, то есть открыть «кран»
• Эмиттер — через него проходит ток с коллектора и базы, когда транзистор «открыт»

Чтобы транзистор пропускал через себя ток, ему на базу ПОСТОЯННО должен подаваться небольшой сигнал. Как только сигнал прекратится, транзистор закроется.

Основная характеристика биполярного транзистора — показатель усиления hfe, или gain. Он показывает, во сколько раз пропускаемый через транзистор ток может быть больше, чем маленький ток, идущий через базу.

Например, Если hfe = 100, и к базе проходит ток 1 мА, то транзистор пропустит через себя максимум в сто раз больший ток — 100 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент, который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас». Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только ограниченные 10 мА. На этом принципе можно сделать стабилизацию тока в схеме.

Также транзисторы имеют максимально допустимые напряжения и токи на контактах. Превышение этих величин грозит чрезмерным нагревом и разрушением транзистора.

NPN и PNP типы

Описанный ранее транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. То есть внутри транзистора получаются два P-N перехода, такие же, как в диодах. NPN-транзистор пропускает через себя ток, когда ему на базу подаются положительные заряды.

PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток свободно протекает, если базу подключить к минусу питания, то есть заземлить. Когда через базу идёт ток, сам транзистор закрывается.

На схемах такие транзисторы отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N.

P-N переход внутри транзистора — это диод, который обладает свойственным падением напряжения, около 0. 5 Вольта. То есть после транзистора напряжение будет немного меньше, чем до него. Этого недостатка лишены полевые транзисторы.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (транзисторы с изолированным затвором).

Полевые транзисторы тоже обладают тремя контактами:

• Сток (drain) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
• Затвор (gate) — на него подаётся напряжение, чтобы разрешить течение тока; затвор заземляется, чтобы заблокировать ток.
• Исток (source) — через него проходит ток со стока, когда транзистор «открыт»

От биполярных транзисторов они отличаются двумя особенностями: управление «краном» осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов, не идёт.

Так происходит, потому что затвор вместе со стоком образует конденсатор. После того, как мы подали на затвор сигнал и конденсатор зарядился, ему больше не нужно постоянное поддержание сигнала. Если отключить сигнал и просто оставить такой полевой транзистор как есть, он может быть открытым сам по себе еще очень долгое время.

Полевым транзистор называется, потому что тот самый внутренний конденсатор создает электрическое поле, позволяющее электронам свободно проходить через непроводящую в обычном состоянии пластинку. Решающее значение здесь имеет, до какого напряжения зарядится конденсатор. Чем сильнее будет поле, тем легче электронам будет пройти по нему. Если же поле будет слишком слабым — электроны вообще не смогут пролететь через транзистор.

В этом минус полевого транзистора: необходимое напряжение для его открытия практически в десять раз больше, чем у биполярного. А плюс в том, что на пути электронов нет никакого перехода, поэтому отсутствует падение напряжения и можно добиться очень маленького сопротивления внутри транзистора. Это позволяет оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах.

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены. P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

IGBT

Существуют еще IGBT транзисторы — это совмещенные в одном корпусе маломощный полевой транзистор, и мощный биполярный. Такая конструкция сглаживает минусы обеих типов и используется в основном в промышленных установках для работы с очень большими мощностями.

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Одной из типичных задач транзистора является включение и выключение определённого компонента схемы. Например, мощные моторы или сверхъяркие лампочки могут потреблять десятки ампер и больше. При подключении таких нагрузок напрямую через маломощную кнопку, она быстро выйдет из строя. Но если использовать транзисторы, можно легко управлять любой нагрузкой.

Соберем на макетной плате самую простую схему с использованием транзистора в режиме ключа. Включим через него светодиодную ленту. Берем стандартный NPN-транзистор. К его второй ножке — базе — подключаем маломощную кнопку. На кнопку с плюса питания подадим сигнал через резистор, который будет ограничивать силу тока базы. Первую ножку транзистора — эмиттер — подсоединим к минусу, поскольку именно минус питания будет пропускаться через транзистор. Третья ножка транзистора — коллектор — подключится к минусовому контакту светодиодной ленты.

Два контакта вставляем в линию питания, на них мы подадим 12 В с лабораторного блока. К светодиодной ленте плюс питания подключаем напрямую, а минус берем с выхода транзистора.

Готово. При нажатии на кнопку транзистор открывается и лента светится. При отпускании — лента гаснет. Таким способом через маленькую кнопку можно включить даже очень мощные устройства, главное подобрать нужный по характеристикам транзистор.

Если вам пришла в голову ошеломительная идея, как улучшить какое-то свое устройство – пожалуйста, у нас в магазине вы можете подобрать множество транзисторов под свою задачу! Все компоненты, которые мы использовали, можно купить в магазине.

Опубликовано: 2018-08-01 Обновлено: 2021-08-30

Автор: Магазин Electronoff

Поделиться в соцсетях

Что внутри AMD Ryzen: исследование 7-нм транзистора

Вооружившись сканирующим электронным микроскопом в Хайльброннской высшей школе, Роман Хартунг уже провел исследование процессоров Ryzen 9 3950X и Core i9-10900K, показав отличия между 7-нм и 14-нм техпроцессом. Сейчас он посетил немецкую компанию Kleindiek, которая специализируется на нано-зондировании и работает почти со всеми крупными производителями чипов.

Цель заключалась в изучении отдельного транзистора процессора Ryzen. Они производятся по 7-нм технологии (7N) на мощностях TSMC. Как обычно, чтобы добраться до транзисторов, необходимо провести подготовку. В том числе убрать дополнительные слои кристалла. Транзисторы располагаются в области элементов логики чипа. Причем ячейки SRAM и связанные с ними транзисторы обычно используют кобальт, поэтому быстро окисляются, что затрудняет работу. Что еще раз указывает на сложность всего процесса производства полупроводников.

Подготовленный чип монтируется на зондовый столик. У него есть несколько подвижных манипуляторов с наконечниками диаметром вплоть до 5 нм. Манипуляторы перемещают наконечники к нужным участкам кристалла, в конечном итоге они касаются контактных точек.

После всего процесса подготовки можно переходить к измерениям. Здесь многое зависит от типа транзистора NMOS или PMOS. Наконечники позиционируются на стоке, истоке и базе. Затем снимается вольтамперная характеристика транзистора.

Данные способы позволяют определить, к какому элементу общей схемы относятся транзисторы, что позволяет распространить характеристику и на другие транзисторы участка. С помощью метода EBIC обнаруживаются короткие замыкания, после чего их можно локализовать и устранить при производстве. Это лишь небольшая доля измерений, на которых специализируется компания Kleindiek.

Нано-зондирование не только позволяет обнаруживать возможные ошибки, но и исследовать продукты конкурента, получая информацию об их характеристиках и техпроцессах. Ниже мы привели два видеоролика, на которых Роман рассказывает о своем визите в Kleindiek.

Расчет смещения (биполярные транзисторы)

Добавлено 23 октября 2017 в 00:45

Сохранить или поделиться

Хотя транзисторные коммутационные схемы работают без смещения, для аналоговых схем работать без смещения – это необычно. Одним из немногих примеров является радиоприемник на одном транзисторе в разделе «Радиочастотные схемы» главы 9 с усиливающим АМ (амплитудная модуляция) детектором. Обратите внимание на отсутствие резистора смещения базы в этой схеме. В этом разделе мы рассмотрим несколько базовых схем смещения, которые могут устанавливать выбранное значение тока эмиттера I_Э. Учитывая величину тока эмиттера I_Э, которую необходимо получить, какие потребуются номиналы резисторов смещения, R_Б, R_Э и т.д.

Схема смещения с фиксированным током базы

В простейшей схеме смещения применяется резистор смещения базы между базой и батареей базы V_смещ. Использовать существующий источник V_пит, вместо нового источника смещения, – очень удобно. Пример данной схемы смещения показан в каскаде аудиоусилителя в детекторном приемнике в разделе «Радиочастотные схемы» главы 9. Обратите внимание на резистор между базой и клеммой батареи. Подобная схема показана на рисунке ниже.

Напишите уравнение закона напряжений Кирхгофа для контура, включающего в себя батарею, R_Б и падение напряжения V_БЭ на переходе транзистора, на рисунке ниже. Обратите внимание, что мы используем обозначение V_смещ, хотя на самом деле это V_пит. Если коэффициент β велик, мы можем сделать приближение, что I_К = I_Э. Для кремниевых транзисторов V_БЭ ≅ 0.7 В.

Схема смещения с фиксированным током базы

\[V_{смещ} — I_Б R_Б — V_{БЭ} = 0\]

\[V_{смещ} — V_{БЭ} = I_Б R_Б\]

\[I_Б = { V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б }\]

\[I_Э = (\beta + 1)I_Б \approx \beta I_Б\]

\[I_Э = { V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta }\]

Коэффициент β малосигнальных транзисторов, как правило, лежит в диапазоне 100–300. Предположим у нас есть транзистор β=100, какое номинал резистора смещения базы потребуется, чтобы достичь тока эмиттера 1 мА?

Решение уравнения I_Э для определения R_Б и подстановка значений β, V_смещ, V_БЭ и I_Э дадут результат 930 кОм. Ближайший стандартный номинал равен 910 кОм.

\(\beta = 100 \qquad V_{смещ} = 10 В \qquad I_К \approx I_Э = 1 мА \)

\[R_Б = { V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э / \beta } = { 10 — 0,7 \over 1 мА / 100 } = 930 кОм \]

Чему будет равен ток эмиттера при резисторе 910 кОм? Что случится с током эмиттера, если мы заменим транзистор на случайный с β=300?

\(\beta = 100 \qquad V_{смещ} = 10 В \qquad R_Б = 910 кОм \qquad V_{БЭ} = 0,7 В\)

\[I_Э = { V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta } = { 10 — 0,7 \over 910 кОм / 100 } = 1,02 мА \]

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = { 10 — 0,7 \over 910 кОм / 300 } = 3,07 мА \]

При использовании резистора стандартного номинала 910 кОм ток эмиттера изменится незначительно. Однако при изменении β со 100 до 300 ток эмиттера утроится. Это неприемлемо для усилителя мощности, если мы ожидаем, что напряжение на коллекторе будет изменяться от почти V_пит до почти земли. Тем не менее, для сигналов низкого уровня от микровольт до примерно вольта точка смещения может быть отцентрирована для β, равного квадратному корню из (100·300), что равно 173. Точка смещения будет по-прежнему дрейфовать в значительном диапазоне. Однако сигналы низкого уровня не будут обрезаны.

Схема смещения с фиксированным током базы по своей природе не походит для больших токов эмиттера, которые используются в усилителях мощности. Ток эмиттера в схеме смещения с фиксированным током базы не стабилен по температуре. Температурный уход – это результат большого тока эмиттера, который вызывает повышение температуры, которое вызывает увеличение тока эмиттера, что еще больше повысит температуру.

Схема автоматического смещения (с обратной связью с коллектором)

Изменения смещения из-за температуры и коэффициента бета могут быть уменьшены путем перемещения вывода резистора смещения с источника напряжения V_смещ на коллектор транзистора, как показано на рисунке ниже. Если ток эмиттера будет увеличиваться, увеличится падение напряжения на R_К, что уменьшит напряжение V_К, что уменьшит I_Б, подаваемый обратно на базу. Это в свою очередь уменьшит ток эмиттера, корректируя первоначальное увеличение.

Напишем уравнение закона напряжений Кирхгофа для контура, включающего в себя батарею, R_К, R_Б и падение напряжения V_БЭ. Заменим I_К≅I_Э и I_Б≅I_Э/β. Решение для I_Э дает формулу I_Э для схемы автоматического смещения при обратной связи с коллектором. Решение для R_Б дает формулу R_Б для схемы автоматического смещения при обратной связи с коллектором.

Схема автоматического смещения при обратной связи с коллектором

\[I_К = \beta I_Б \qquad I_К \approx I_Э \qquad I_Э \approx \beta I_Б \]

\[V_{пит} — I_К R_К — I_Б R_Б -V_{БЭ} = 0\]

\[V_{пит} — I_Э R_К — (I_Э/ \beta) R_Б -V_{БЭ} = 0\]

\[V_{пит} -V_{БЭ} = I_Э R_К + (I_Э/ \beta) R_Б\]

\[V_{пит} -V_{БЭ} = I_Э (( R_Б / \beta) + R_К)\]

\[I_Э = {V_{пит} -V_{БЭ} \over R_Б / \beta + R_К }\]

\[R_Б = \beta \left[ {V_{пит} -V_{БЭ} \over I_Э } — R_К \right] \]

Найдем необходимый резистор смещения при обратной связи с коллектором для тока эмиттера 1 мА, резистора нагрузки коллектора 4,7 кОм и транзистора с β=100. Найдем напряжение коллектора V_К. Оно должно быть примерно посередине между V_пит и корпусом.

\(\beta = 100 \qquad V_{пит} = 10 В \qquad I_К \approx I_Э = 1 мА \qquad R_К = 4,7 кОм \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{пит} — V_{БЭ} \over I_Э } — R_К \right] = 100 \left[ {10 — 0,7 \over 1 мА } — 4,7 кОм \right] = 460 кОм \]

\[ V_К = V_{пит} — I_К R_К = 10 — (1 мА) (4,7 кОм) = 5,3 В \]

Ближайший стандартный номинал к резистору 460 кОм для автоматического смещения при обратной связи с коллектором равен 470 кОм. Найдем ток эмиттера I_Э для резистора 470 кОм. Пересчитаем ток эмиттера для транзисторов с β=100 и β=300.

\(\beta = 100 \qquad V_{пит} = 10 В \qquad R_К = 4,7 кОм \qquad R_Б = 470 кОм \)

\[I_Э = {V_{пит} -V_{БЭ} \over R_Б / \beta + R_К } = {10 -0,7 \over 470 кОм / 100 + 4,7 кОм } = 0,989 мА \]

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = {V_{пит} -V_{БЭ} \over R_Б / \beta + R_К } = {10 -0,7 \over 470 кОм / 300 + 4,7 кОм } = 1,48 мА \]

Мы видим, что по мере того как коэффициент бета изменяется от 100 до 300, ток эмиттера увеличивается с 0,989 мА до 1,48 мА. Это лучше, чем в предыдущей схеме смещения с фиксированным током базы, где ток эмиттера увеличился с 1,02 мА до 3,07 мА. При изменении коэффициента бета смещение с обратной связью с коллектором в два раза стабильнее, чем смещение с фиксированным током базы.

Смещение эмиттера

Вставка резистора R_Э в схему эмиттера, как показано на рисунке ниже, вызывает уменьшение уровня сигнала на выходе, также известное как отрицательная обратная связь. Она препятствует изменениям тока эмиттера I_Э из-за изменений температуры, допустимых отклонений номиналов резисторов, изменений коэффициента бета или допустимых отклонений напряжения питания. Типовые допуски составляют: сопротивление резисторов – 5%, бета – 100-300, источник питания – 5%. Почему резистор эмиттера может стабилизировать изменение тока? Полярность падения напряжения на R_Э обусловлена V_пит на батарее коллектора. Полярность на выводе резистора, ближайшем к (-) клемме батареи, равна (-), а на выводе, ближайшем к клемме (+), равна (+). Обратите внимание, что (-) вывод R_Э подключен к базе через батарею V_смещ и R_Б. Любое увеличение тока через R_Э увеличит величину отрицательного напряжения, приложенного к цепи базы, уменьшая ток базы, что уменьшает ток эмиттера. Это уменьшение тока эмиттера частично компенсирует первоначальное увеличение.

Смещение эмиттера

\[V_{смещ} — I_Б R_Б — V_{БЭ} — I_Э R_Э = 0\]

\[I_Э = (\beta+1)I_Б \approx \beta I_Б\]

\[V_{смещ} — (I_Э / \beta) R_Б — V_{БЭ} — I_Э R_Э = 0\]

\[V_{смещ} — V_{БЭ} = I_Э ((R_Б / \beta) +R_Э)\]

\[I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э }\]

\[R_Б / \beta +R_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э }\]

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э } — R_Э \right]\]

Обратите внимание, что на рисунке выше для смещения базы, вместо V_пит, используется батарея базы V_смещ. Позже мы покажем, что смещение эмиттера более эффективно с меньшей батареей смещения базы. Между тем, напишем уравнение закона напряжений Кирхгофа для контура цепи базы-эмиттера, обращая внимание на полярности компонентов. Подставим I_Б≅I_Э/β и решим уравнение для тока эмиттера I_Э. Это уравнение может быть решено для R_Б (смотрите выше).

Прежде чем применять формулы R_Б и I_Э (смотрите выше), нам нужно выбрать значения резисторов R_К и R_Э. R_К зависит от источника питания коллектора V_пит и тока коллектора, который мы хотим получить, и который, как мы предполагаем, приблизительно равен току эмиттера I_Э. Обычно точка смещения для V_К устанавливается равно половине V_пит. Хотя ее можно было бы установить и выше для компенсации падения напряжения на резисторе эмиттера R_Э. Ток коллектора – это то, что нам необходимо. Он варьируется от микроампер до ампер в зависимости от приложения и параметров транзистора. Мы выберем I_К = 1 мА, типовое значение для транзисторной схемы для малых сигналов. Мы вычисляем значение R_К и выбираем ближайшее стандартное значение. Как правило, хорошо подходит резистор эмиттера, который составляет 10-50% от резистора нагрузки коллектора.

\[V_К = V_{пит} / 2 = 10/2 = 5 В \]

\[R_К = V_К / I_К = 5/1 мА = 5 кОм \quad \text{(стандартный номинал 4,7 кОм)} \]

\[R_Э = 0,1 R_К = 0,1 (4,7 кОм) = 470 Ом \]

В нашем первом примере используем источник смещения с высоким напряжением V_смещ = V_пит = 10 В, чтобы показать, почему желательно более низкое напряжение. Определим стандартный номинал резистора. Рассчитаем ток эмиттера для β=100 и β=300. Сравним стабилизацию тока с предыдущими схемами смещения.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = V_{смещ} = 10 В \qquad R_Э = 470 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э } — R_Э \right] = 100 \left[ {10 — 0,7 \over 0,001 } — 470 \right] = 883 кОм\]

Для рассчитанного сопротивления резистора R_Б 883 кОм ближайшим стандартным номиналом является 870 кОм. При β=100 ток эмиттера I_Э равен 1,01 мА.

\(\beta = 100 \qquad R_Б = 870 кОм \)

\[I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {10 — 0,7 \over 870кОм / 100 + 470 } = 1,01 мА\]

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {10 — 0,7 \over 870кОм / 300 + 470 } = 2,76 мА\]

Токи эмиттера показаны в таблице ниже.

Сравнение токов эмиттера при β=100 и β=300.

Схема смещения	IЭ при β=100	IЭ при β=300
Схема смещения с фиксированным током базы	1,02 мА	3,07 мА
Схема смещения с обратной связью с коллектором	0,989 мА	1,48 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 10 В	1,01 мА	2,76 мА

В приведенной выше таблице показано, что для V_смещ = 10 В смещение эмиттера не очень хорошо помогает стабилизировать ток эмиттера. Пример со смещением эмиттера лучше, чем предыдущий пример смещения базы, но не намного. Ключом к эффективности смещения эмиттера является снижение напряжения смещения базы V_смещ ближе к величине смещения эмиттера.

Какую величину смещения эмиттера мы сейчас имеем? Округляя, ток эмиттера, умноженный на сопротивление резистора эмиттера: I_ЭR_Э = (1 мА)(470) = 0,47 В. Кроме того, нам необходимо превысить V_БЭ = 0,7 В. Таким образом, на необходимо напряжение V_смещ > (0.47 + 0.7) В или > 1.17 В. Если ток эмиттера изменяется, это число изменится по сравнению с фиксированным напряжение смещения базы V_смещ, что приведет к коррекции тока базы I_Б и тока эмиттера I_Э. Нам подойдет V_Б > 1.17 В, равное 2 В.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = 10 В \qquad V_{смещ} = 2 В \qquad R_Э = 470 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э } — R_Э \right] = 100 \left[ {2 — 0,7 \over 0,001 } — 470 \right] = 83 кОм\]

Рассчитанный резистор базы 83 кОм намного меньше, чем предыдущий 883 кОм. Мы выбираем 82 кОм из списка стандартных номиналов. Токи эмиттера при R_Б = 82 кОм и коэффициентах β=100 и β=300 равны:

\(\beta = 100 \qquad R_Б = 82 кОм \)

\[I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {2 — 0,7 \over 82 кОм / 100 + 470 } = 1,01 мА\]

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {2 — 0,7 \over 82 кОм / 300 + 470 } = 1,75 мА\]

Сравнение токов эмиттера для смещения эмиттера при V_смещ = 2 В и коэффициентах β=100 и β=300 с предыдущими примерами схем смещения показано в таблице ниже. И здесь мы видим значительное улучшение при 1,75 мА, хотя и не так хорошо, как 1,48 мА при обратной связи с коллектором.

Сравнение токов эмиттера при β=100 и β=300.

Схема смещения	IЭ при β=100	IЭ при β=300
Схема смещения с фиксированным током базы	1,02 мА	3,07 мА
Схема смещения с обратной связью с коллектором	0,989 мА	1,48 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 10 В	1,01 мА	2,76 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 2 В	1,01 мА	1,75 мА

Как мы можем улучшить эффективность смещения эмиттера? Либо увеличить резистор эмиттера R_Э или уменьшить напряжение источника смещения V_смещ, или и то, и другое. В качестве примера удвоим сопротивление резистора эмиттера до ближайшего стандартного значения 910 Ом.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = 10 В \qquad V_{смещ} = 2 В \qquad R_Э = 910 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э } — R_Э \right] = 100 \left[ {2 — 0,7 \over 0,001 } — 910 \right] = 39 кОм\]

Рассчитанное сопротивление R_Б = 39 кОм совпадает с одним из значений из стандартного списка номиналов. Пересчитывать I_Э для β = 100 нет необходимости. Для β=300 ток эмиттера равен:

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {2 — 0,7 \over 39 кОм / 300 + 910 } = 1,25 мА\]

Эффективность схемы смещения эмиттера с резистором эмиттера 910 Ом намного лучше. Смотрите таблицу ниже.

Сравнение токов эмиттера при β=100 и β=300.

Схема смещения	IЭ при β=100	IЭ при β=300
Схема смещения с фиксированным током базы	1,02 мА	3,07 мА
Схема смещения с обратной связью с коллектором	0,989 мА	1,48 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 10 В	1,01 мА	2,76 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 2 В, RЭ = 470 Ом	1,01 мА	1,75 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 2 В, RЭ = 910 Ом	1,00 мА	1,25 мА

В качестве упражнения изменим пример смещения эмиттера, вернув резистор эмиттера на 470 Ом, и уменьшив напряжение источника смещения до 1,5 В.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = 10 В \qquad V_{смещ} = 1,5 В \qquad R_Э = 470 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э } — R_Э \right] = 100 \left[ {1,5 — 0,7 \over 0,001 } — 470 \right] = 33 кОм\]

Рассчитанное сопротивление R_Б = 33 кОм совпадает с одним из значений из стандартного списка номиналов. Поэтому пересчитывать I_Э для β = 100 нет необходимости. Для β=300 ток эмиттера равен:

\(\beta = 300 \)

\[I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } = {1,5 — 0,7 \over 33 кОм / 300 + 470 } = 1,38 мА\]

В таблице ниже приведено сравнение результатов 1 мА и 1,38 мА с предыдущими примерами.

Сравнение токов эмиттера при β=100 и β=300.

Схема смещения	IЭ при β=100	IЭ при β=300
Схема смещения с фиксированным током базы	1,02 мА	3,07 мА
Схема смещения с обратной связью с коллектором	0,989 мА	1,48 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 10 В	1,01 мА	2,76 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 2 В, RЭ = 470 Ом	1,01 мА	1,75 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 2 В, RЭ = 910 Ом	1,00 мА	1,25 мА
Смещение эмиттера, Vсмещ = 1,5 В, RЭ = 470 Ом	1,00 мА	1,38 мА

Формулы для смещения эмиттера были повторены ниже с учетом внутреннего сопротивления эмиттера для лучшей точности. Внутреннее сопротивление эмиттера представляет собой сопротивление в цепи эмиттера внутри корпуса транзистора. Это внутреннее сопротивление r_Э оказывает большое влияние, когда (внешний) резистор эмиттера R_Э мал или даже равен нулю. Значение внутреннего сопротивления эмиттера является функцией тока эмиттера I_Э. Формула приведена ниже.

\[ r_Э = KT/I_Э m \]

где

• K=1.38×10^-23 Дж·К⁻¹ – постоянная Больцмана;
• T – температура в Кельвинах, берем ≅300;
• I_Э – ток эмиттера;
• m – для кремния изменяется от 1 до 2.

\[ r_Э = 0,026 В/I_Э = 26 мВ/I_Э \]

Ниже приведен вывод формул с учетом r_Э.

Схема смещения эмиттера с учетом внутреннего сопротивления r_Э

Более точные формулы смещения эмиттера могут быть получены при написании уравнения закона напряжений Кирхгофа для контура цепи базы-эмиттера. В качестве альтернативы, начнем с формулы I_Э, а затем перейдем в к формуле R_Б, заменив R_Э на r_Э + R_Э. Результаты показаны ниже.

\[V_{смещ} — I_Б R_Б — V_{БЭ} — I_Э r_Э — I_Э R_Э = 0\]

\[I_Э = (\beta+1)I_Б \approx \beta I_Б\]

\[V_{смещ} — (I_Э / \beta) R_Б — V_{БЭ} — I_Э r_Э — I_Э R_Э = 0\]

\[V_{смещ} — V_{БЭ} = I_Э (R_Б / \beta) + I_Э r_Э + I_Э R_Э\]

\[I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta + r_Э +R_Э }\]

\[R_Б / \beta + r_Э +R_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э }\]

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э } — r_Э — R_Э \right]\]

\[r_Э = 26 мВ / I_Э \]

Повторим расчет R_Б из предыдущего примера, но уже с учетом r_Э, и сравним результаты.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = 10 В \qquad V_{смещ} = 2 В \qquad R_Э = 470 Ом \)

\( r_Э = 26 мВ / 1 мА = 26 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э } — r_Э — R_Э \right] = 100 \left[ {2 — 0,7 \over 0,001 } — 26 — 470 \right] = 80,4 кОм\]

Включение в расчеты r_Э приводит к более низкому значению сопротивления резистора базы R_Б, как показано в таблице ниже. Это значение находится ниже стандартного номинала 82 кОм, а не выше его.

Эффект от учета r_Э на расчет R_Б

rЭ?	Значение RБ
Без учета rЭ	83 кОс
С учетом rЭ	80,4 кОм

Конденсатор обхода R

_Э

Одна из проблем смещения эмиттера заключается в том, что значительная часть выходного сигнала падает на резисторе эмиттера R_Э (рисунок ниже). Это падение напряжения на резисторе эмиттера находится в последовательном соединении с базой и обладает полярностью, противоположной полярности входного сигнала. (Это похоже на схему с общим коллектором с коэффициентом усиления по напряжению < 1). Это уменьшение уровня сигнала сильно снижает коэффициент усиления по напряжению от базы до коллектора. Решение для усилителей сигналов переменного тока заключается в обходе резистора эмиттера с помощью конденсатора. Это восстанавливает усиление переменного напряжения, поскольку конденсатор для сигналов переменного тока представляет собой короткое замыкание. Постоянный ток эмиттера всё еще будет уменьшаться на резисторе эмиттера, таким образом, стабилизация постоянного тока сохранится.

Конденсатор обхода требуется для предотвращения уменьшения усиления сигнала переменного напряжения

Какая величина емкости должна быть у конденсатора обхода? Она зависит от самой низкой частоты усиливаемого сигнала. Для радиочастот C_обхода может быть небольшим. Для аудиоусилителя с нижней частотой 20 Гц этот конденсатор будет большим. «Эмпирическое правило» для конденсатора обхода состоит в том, что реактивное сопротивление должно составлять 1/10 или меньше от сопротивления резистора эмиттера. Конденсатор должен быть выбран таким образом, чтобы поддерживать самую низкую частоту усиливаемого сигнала. Конденсатор для аудиоусилителя 20 Гц – 20 кГц равен:

\[X_C = { 1 \over 2 \pi f C }\]

\[C = { 1 \over 2 \pi f X_C }\]

\[C = { 1 \over 2 \pi 20 (470/10) } = 169 мкФ\]

Обратите внимание, что внутреннее сопротивление эмиттера r_Э не обходится конденсатором обхода.

Смещение делителем напряжения

Устойчивое смещение эмиттера требует низковольтного источника смещения базы (рисунок ниже). Альтернативой источнику базы V_смещ является делитель напряжения, питаемый источником питания коллектора V_пит.

Смещение делителем напряжения заменяет источник напряжения базы на делитель напряжения

Технология проектирования заключается в том, чтобы сначала разработать схему смещения эмиттера, затем преобразовать ее в схему смещения базы с помощью делителя напряжения, используя теорему Тевенина. Этапы графически показаны на рисунке ниже. Нарисуем делитель напряжения, не присваивая номиналов резисторов. Отделите делитель от базы (база транзистора является его нагрузкой). Примените теорему Тевенина, чтобы получить эквивалентные одно сопротивление Тевенина R_Тев и один источник напряжения V_Тев.

Теорема Тевенина преобразует делитель напряжения в один источник напряжения V_Тев и одно сопротивление R_Тев

Эквивалентное сопротивление Тевенина – это сопротивление от точки нагрузки (стрелка) при уменьшении напряжения батареи (V_пит) до 0 (земля). Другими словами, R1 || R2. Эквивалентное напряжение Тевенина представляет собой напряжение разомкнутой цепи (снятая нагрузка). Этот расчет осуществляется методом коэффициента деления делителя напряжения. R1 получается путем исключения R2 из пары формул для R_Тев и V_Тев. Ниже приведена формула расчета R1, исходя из значений R_Тев, V_Тев и V_пит. Обратите внимание, что R_Тев представляет собой R_Б, резистор смещения из схемы смещения эмиттера. Также ниже приведена формула расчета R2, исходя из значений R1 и R_Тев.

\[R_{Тев} = R1 || R2\]

\[{ 1 \over R_{Тев} } = { 1 \over R1} + { 1 \over R2}\]

\[V_{Тев} = V_{пит} \left[ {R2 \over R1+R2} \right]\]

\[\text f = { V_{Тев} \over V_{пит} }= \left[ {R2 \over R1+R2} \right]\]

\[{ 1 \over R_{Тев} } = { R2 + R1 \over R1 \cdot R2 } = { 1 \over R1 } \left[ { R2 + R1 \over R2 } \right] = { 1 \over R1 } \cdot { 1 \over \text f }\]

\[R1 = { R_{Тев} \over \text f } = R_{Тев} { V_{пит} \over V_{Тев}}\]

\[{ 1 \over R2 } = { 1 \over R_{Тев}} — { 1 \over R1}\]

Преобразуем предыдущий пример смещение эмиттера в смещение с помощью делителя напряжения.

Пример смещения эмиттера, преобразованный в смещение с помощью делителя напряжения

Эти значения были ранее выбраны или расчитаны для примера смещения эмиттера.

\(\beta = 100 \qquad I_Э \approx I_К = 1 мА \qquad V_{пит} = 10 В \qquad V_{смещ} = 1,5 В \qquad R_Э = 470 Ом \)

\[R_Б = \beta \left[ {V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э } — R_Э \right] = 100 \left[ {1,5 — 0,7 \over 0,001 } — 470 \right] = 33 кОм\]

Подстановка значений V_пит, V_смещ и R_Б даст в результате значения R1 и R2 для схемы смещения с делителем напряжения.

\[V_Б = V_{Тев} = 1,5 В \]

\[R_Б = R_{Тев} = 33 кОм \]

\[R1 = R_{Тев} { V_{пит} \over V_{Тев}} = 33 кОм { 10 \over 1,5} = 220 кОм \]

\[{ 1 \over R2 } = { 1 \over R_{Тев}} — { 1 \over R1} = { 1 \over 33 кОм} — { 1 \over 220 кОм} \]

\[R2 = 38,8 кОм \]

Значение R1 равно стандартному значению 220 кОм. Ближайшее стандартное значение для R2, равного 38,8 кОм, рано 39 кОм. Это не сильно изменить I_Э, чтобы его рассчитывать.

Задача: Рассчитаем резисторы смещения для каскодного усилителя на рисунке ниже. V_Б2 – это напряжение смещения каскада с общим эмиттером. V_Б1 – это довольно высокое напряжение 11,5 В, потому что мы хотим, чтобы каскад с общей базой удерживал напряжение на эмиттере на уровне 11,5 – 0,7 = 10,8 В, примерно 11 В. (Это будет 10 В после учета падения напряжения на R_Б1.) То есть, каскад с общей базой является нагрузкой, заменяющей резистор, коллектора каскада с общим эмиттером. На нужен ток эмиттера 1 мА.

Смещение для каскодного усилителя

\( V_{пит} = 20 В \qquad I_Э = 1 мА \qquad \beta = 100 \qquad V_A = 10 В \qquad R_{нагр} = 4,7 кОм \)

\( V_{смещ1} = 11,5 В \qquad V_{смещ2} = 1,5 В \)

\[ I_Э = {V_{смещ} — V_{БЭ} \over R_Б / \beta +R_Э } \]

\[R_{Б1} = { V_{смещ} — V_{БЭ} \over I_Э / \beta } = { (V_{смещ1} — V_A) — V_{БЭ} \over I_Э / \beta } = { (11,5 — 10) — 0,7 \over 1 мА / 100 } = 80 кОм\]

\[R_{Б2} = { V_{смещ2} — V_{БЭ} \over I_Э / \beta } = { (1,5) — 0,7 \over 1 мА / 100 } = 80 кОм\]

Задача: Преобразуем резисторы смещения базы в каскодном усилителе в резисторы схемы смещения с делителем напряжения, питающимся от V_пит 20 В.

\[ R_{смещ1} = 80 кОм \]

\[ V_{смещ1} = 11,5 В \]

\[ V_{смещ} = V_{Тев} = 11,5 В \]

\[ R_Б = R_{Тев} = 80 кОм \]

\[ R1 = R_{Тев} { V_{пит} \over V_{Тев}} \]

\[ R1 = 80 кОм { 20 \over 11,5} = 139,1 кОм \]

\[ { 1 \over R2 } = { 1 \over R_{Тев}} — { 1 \over R1} \]

\[ { 1 \over R2 } = { 1 \over 80 кОм} — { 1 \over 139,1 кОм} \]

\( R2 = 210 кОм \)

\[ V_{пит} = V_{Тев} = 20 В \]

\[ R_{смещ2} = 80 кОм \]

\[ V_{смещ2} = 1,5 В \]

\[ V_{смещ} = V_{Тев} = 1,5 В \]

\[ R_Б = R_{Тев} = 80 кОм \]

\[ R3 = R_{Тев} { V_{пит} \over V_{Тев}} \]

\[ R3 = 80 кОм { 20 \over 1,5} = 1,067 МОм \]

\[ { 1 \over R4 } = { 1 \over R_{Тев}} — { 1 \over R3} \]

\[ { 1 \over R4 } = { 1 \over 80 кОм} — { 1 \over 1067 кОм} \]

\( R4 = 86,5 кОм \)

Окончательная схема показана в главе 9 «Практические аналоговые схемы» в разделе «Радиочастотные схемы» под названием «Каскодный усилитель класса A…».

Подведем итоги:

• Посмотрите на рисунок ниже.
• Выберите схему смещения.
• Выберите R_К и I_Э для вашего приложения. Значения R_К и I_Э обычно должны устанавливать напряжение коллектора V_К на 1/2 от V_пит.
• Рассчитайте резистор базы R_Б, чтобы получить необходимый ток эмиттера.
• Если необходимо, пересчитайте ток эмиттер I_Э для стандартных номиналов резисторов.
• Для схемы смещения с делителем напряжения выполните сначала расчет смещения эмиттера, а затем определите R1 и R2.
• Для усилителей переменного тока: конденсатор обхода, параллельный R_Э, улучшает усиление по переменному напряжению. Выберите X_C≤0,10R_Э для самой низкой частоты.

Формулы расчета смещения (вкратце)

Оригинал статьи:

Теги

Автоматического смещение с обратной связью с коллекторомБиполярный транзисторНапряжение смещенияОбучениеСмещение делителем напряженияСмещение с фиксированным током базыСмещение транзистораСмещение эмиттераЭлектроника

Сохранить или поделиться

Новое устройство размывает границу между живой и неживой материей

Прототип устройства, позволяющего компьютерам напрямую взаимодействовать с живыми организмами, создан на основе хитозана — биополимера, добываемого из панцирей ракообразных.

В электрических устройствах, созданных человеком, начиная с лампы накаливания и кончая ноутбуком перенос информации осуществляется посредством электронов, или, чтобы быть совсем точным, потока электронов и «дырок» с открытием полупроводников и р-n-перехода.

Передача же сигналов внутри живых систем, тех же нервных импульсов или команд, регулирующих обмен веществ, осуществляется иначе — с помощью ионов (электрически заряженных атомов) и протонов (ядер атомов водорода, лишенных электрона — собственно, простейшей разновидности ионов).

Устройства, способные подключаться к живым сигнальным системам непосредственно и выполнять функции точных биосенсоров, биоконтролеров или бионических протезов, требуют создания и соответствующих адекватных интерфейсов, гарантирующих быстрое время отклика и минимальные потери информации, курсирующей между таким устройством и организмом.

Понятно, что современные биодатчики или нейропротезы с их чужеродными для клеток электрон-кремниевыми интерфейсами вряд ли смогут удовлетворять таким условиям в полной мере.

Поскольку никакой реальной альтернативы кремниевой микроэлектронике, достигшей больших успехов в обработке информации, пока никто не предложил (последний писк моды — «влажные» ДНК-процессоры — пока остается на уровне теории и первых экспериментов), идеальным вариантом стало бы создание прозрачного протон-электронного интерфейса, способного транслировать ионные сигналы в электронные и наоборот, а также биологически совместимого с живыми тканями.

close

100%

Статья, присланная в Nature Communications группой сотрудников Университета штата Вашингтон (США), возглавляемой профессором Марко Роланди, содержит описание и испытательные характеристики первого действующего прототипа подобного устройства —

протонного полевого транзистора на основе биополимера.

Как и его электронный собрат, протонный полевой транзистор также состоит из трех базовых элементов — эмиттера зарядов, коллектора и базы. Размеры его также вполне микроскопические — 5 микронов в ширину, что примерно в 20 раз тоньше человеческого волоса. Однако носителями тока в нем являются уже не электроны, а протоны, при этом роль полупроводника играют модифицированные макромолекулы хитозана — аминосахарида, получаемого из панцирей ракообразных.

Роль эмиттера и коллектора протонов в устройстве выполняют два электрода (хотя точнее было бы сказать протода) из гидрида палладия — прозрачного для протонов металводородного соединения. Два контакты из гидрида палладия соединены биополимерным мостом из хитозана. Молекулярные волокна хитозана за счет абсорбции воды образуют множественные водородные связи, по которым благодаря механизму Гротгуса (см. справку) и мигрируют протоны.

Справка

Механизм Гротгуса

При подаче напряжения на базу, изолированную от хитозана слоем оксида кремния, возникает электрическое поле и ток протонов в биополимере прекращается — мост работает в режиме Off. При отключении напряжения транзистор работает в режиме On.

Таким образом,

управляя электрическим полем, можно управлять и потоком протонов между эмиттером и коллектором — аналогично тому, как это происходит в полевых транзисторах.

Как видим, протонный полевой транзистор на биополимере представляет собой кремнийорганический гибрид — устройство, сочетающее неорганические и органические материалы и выполняющее функции прозрачного протон-электронного интерфейса. Такой транзистор можно использовать для управления протонным током, при этом сигналом, управляющим каким-нибудь биопроцессом, использующим протонную сигнальную систему, будет электрический сигнал, что в отдаленной перспективе позволит синтезировать кремнийорганические, то есть бионические, системы управления.

Справка

Хитозан

Сейчас говорить о таких возможностях слишком рано: «креветочный» транзистор реализует самые базовые функции по управлению сигналами, и еще непонятно, можно ли эти функции сильно усложнить и, например,

создать протонный аналог электронного p-n-транзистора, сделав бутерброд из биополимеров с разными проводными свойствами.

По заявлению ученых, именно в этом направлении — создании устройств, позволяющих электронике полноценно взаимодействовать с живой материей, — конструкторы первого протонного кремнийорганического транзистора и будут двигаться.

Создан самый быстрый транзистор — CNews

Интеграция Инфраструктура 22 Декабря 2008 13:1222 Дек 2008 13:12 | Поделиться Ученые из IBM создали самый быстрый в мире транзистор из графена. Он способен работать на тактовой частоте 26 ГГц. По мнению исследователей, в теории скорость можно увеличить как минимум еще в 40 раз.

Ученые из корпорации IBM создали полевой транзистор из графена, который в лабораторных условиях заставили работать на тактовой частоте 26 ГГц. Данный транзистор с длиной затвора всего 150 нм является самым быстрым за всю историю графеновых разработок, сообщается в пресс-релизе.

Графен – это структурный материал из одного двумерного слоя атомов углерода, соединенных в гексагональную решетку (состоящую из правильных шестиугольников – сот). Ученые проявляют к данному материалу повышенный интерес. Во-первых, он обладает высокой прочностью, во-вторых, высокой теплопроводностью. Наконец, графен обеспечивает высокую скорость передвижения электронов при комнатной температуре, что делает его перспективным материалом для производства электронных компонентов.

Как известно, скорость работы транзистора зависит от его физических размеров и скорости передвижения электронов внутри него. Первый фактор ведет к непрерывной миниатюризации технологического процесса. Вендоры уменьшают топологический уровень микросхем: сначала 90 нм, затем 65 нм – теперь 45 нм. В 2009 г. планируется внедрение 32-нм топологии и 22-нм – через полтора-два года. Данные меры позволяют увеличивать производительность и снижать потребление электрической энергии. Главным преимуществом графеновых транзисторов над транзисторами из кремния является более высокая мобильность электронов – это общеизвестный факт, заставляющий ученых исследовать способы создания компонентов электрических цепей из графена и области их применения. Однако до сих пор не было известно, имеет ли влияние размер графенового транзистора на скорость его работы. Ученые из IBM T. J. Waston Research Center выяснили это и пришли к утвердительному результату.

Графеновые транзисторы будут использовать в устройствах связи

Согласно практическим исследованиям, размер графенового транзистора так же, как и кремниевого, влияет на скорость его работы. По словам ученых, в теории возможно создание транзистора с тактовой частотой 1 ТГц, длина затвора которого составит 50 нм. Однако для того чтобы продолжить работу, им необходимо улучшить диэлектрические свойства затвора.

Предполагается, что коммуникационные устройства станут первой областью применения графеновых транзисторов. Создание электронных схем на базе технологии – в ближайших планах исследователей.

Между тем, ученые из Университета Райса (Rice University) в Техасе сообщили о создании новой компьютерной памяти, состоящей из графена толщиной в 10 атомов. По мнению руководителя проекта профессора Джеймса Тура (James Tour), новая технология позволит создавать ячейки флэш-памяти размером менее 10 нм против 45 нм в современных продуктах. Предполагается, что подобный техпроцесс будет внедрен к 2012 г.

Сергей Попсулин

Как проводить анализ полупроводниковых устройств в трехмерной постановке?

Трёхмерное моделирование полупроводниковых структур может быть чрезвычайно полезным для развития и совершенствования комплексных полупроводниковых технологий и устройств вследствие сокращения количества экспериментов и физического прототипирования в цикле разработки. Расчет устройств в 3D является сложной задачей, поскольку необходимо учитывать, как масштабные размеры устройства, так и нелинейный характер физических эффектов в полупроводниках. В итоге это приводит к очень серьезным затратам и нагрузкам на вычислительные ресурсы. В данной заметке мы разберём пример расчёта биполярного транзистора в 3D и дадим некоторые полезные советы для эффективного трёхмерного моделирования полупроводникых систем в COMSOL Multiphysics.

Биполярные транзисторы

Первые разработки биполярных транзисторов относятся к 1940-х годам. В то время они широко использовались в интегральных схемах. Несмотря на то, что современные полевые устройства в значительной степени заменили биполярные транзисторы в цифровых логических схемах, биполярные транзисторы по-прежнему широко используются в аналоговой электронике. Особенно широко они распространены в схемах регулирования мощности, где используются в качестве переключателей и усилителей тока.

Рекомендации по моделированию

Для эффективного численного моделирования подобных процессов и получения точных результатов важно понимать те процессы, которые в т. ч. необходимо будет учитывать при настройке модели. Они могут различаться в зависимости от конфигурации устройства и его режима работы. Всегда полезно предварительно проверить, что модель даёт надёжные и точные результаты в постановке с минимально разумной сложностью.

Это особенно важно для моделирования полупроводников в 3D: решение некоторых некорректно настроенных моделей может занять много суток, а некоторые могут вообще не сойтись.

В данной заметке мы расскажем, как правильно настроить трёхмерную модель классического биполярного транзистора. Сначала мы разберём принцип работы устройства и важные физические процессы, которые необходимо задать в модели. Также мы обсудим некоторые характерые величины и критерии, которые важно учитывать при создании модели.

Задание легирование и использование симметрии устройства

Как и для многих других полупроводниковых устройств, работа биполярного транзистора зависит во многом от выбранного типа легирования. Существует два типа легирования: легирование p-типа (акцепторами), приводящее к образованию дополнительных дырок, и легирование n-типа (донорами) — с образованием дополнительных электронов.

Биполярный транзистор состоит из трёх чередующихся областей с легированием p-типа и n-типа. Есть два возможных варианта структуры – n-p-n и p-n-p. В данной заметке мы остановимся на структуре типа n-p-n, как на наиболее распространённой. В n-p-n топологии слой с легированием p-типа располагается между двумя слоями с n-типом легирования. Обычно в устройстве выделяют три характерные области, которые называются эмиттер, база и коллектор. Электрическое подключение реализуется через три металлических контакта, каждый из которых подключён к соответствующей области (указанной выше).

Схема легирования для n-p-n структуры, основные области устройства и электрические контакты показаны ниже:

Геометрия и схема биполярного транзистора. Сверху: Геометрия биполярного транзистора в программном обеспечении COMSOL Multiphysics. Снизу: Поперечное сечение вдоль плоскости z-x, которая выделена синим цветом на верхнем изображении. Показана логика легирования и электрические контакты, которые подключаются к эмиттеру, базе и коллектору.

Из-за чередования различных областей легирования в биполярном транзисторе формируется два p-n перехода (противоположнонаправленных) с общей базой. Поведение носителей заряда с учетом этих p-n переходов играет ключевую роль в функционировании биполярного транзистора.

В рамках данной заметки мы пошагово разберём принцип моделирования этих процессов для эффективного расчёта биполярного транзистора.

Плоскости симметрии

Перед созданием трёхмерной модели полупроводника необходимо сначала ответить на следующий вопрос: «Можно ли использовать симметрию для уменьшения размера модели?»

Многие типовые устройства обычно имеют либо одну или несколько плоскостей симметрии, либо вращательную или осевую симметрию. По возможности мы советуем использовать осесимметричные модели, так как это может сократить постановку до 2D. С примером расчёта полевого транзистора цилиндрической формы в двумерной осесимметричной постановке вы можете ознакомиться здесь.

В устройстве, которое мы хотим рассчитать, есть две плоскости симметрии, а именно — плоскости x-z и y-z (которые разбивают устройство на четыре части). При использовании их наша модель будет состоять только из одного квадранта. На изображении ниже показан правый верхний квадрант:

Итоговая геометрия модели. Так как у данной геометрии две плоскости симметрии, то в итоге необходимо проводить расчет только одного квадранта. Это уменьшит размер модели, которая в итоге будет требовать меньше оперативной памяти и меньше времени для получения решения. Металлические контакты задаются как граничные условия на поверхности, на рисунке они отображены жёлтым и зелёным цветами.

Разрешение профиля легирования

После задания наиболее выгодной (и компактной) расчетной геометрии возникает следующий вопрос: «Какое потребуется сеточное разрешение для корректного учета всех процессов, возникающих внутри устройства?»

Очевидно, что необходимо правильно учесть характерные геометрические размеры устройства. Однако, рассматриваемые физические процессы часто происходят на масштабах, которые намного меньше геометрических размеров. При моделировании полупроводниковых устройств настройка разрешения может стать довольно сложной задачей, поскольку масштабы различных физических процессов очень разнятся. Ещё больше усложнить задачу может тот факт, что пространственное разрешение, необходимое для адекватного описания многих процессов, может изменяться в зависимости от других параметров модели таких, как прикладываемые напряжения.

Хорошей отправной точкой может является реализация качественного разрешения профелей легирования. Это связано с тем, что в областях с резким градиентом концентрации примесей, другие величины также серьезно изменяются. К счастью, провести проверку разрешения профиля легирования достаточно легко, поскольку эти данные напрямую задаются пользователем и остаются постоянными при изменении других параметров.

Пакет COMSOL Multiphysics предоставляет возможность для предварительного просмотра концентрации примесей в моделируемом устройстве. Концентрация легирующей примеси является аналитической функцией, которую можно визуализировать и рассчитать без решения модели. Для этого достаточно воспользоваться операций Get Initial Value (Получить начальные значения), доступной в узле Study (Исследование). Затем можно просто построить график начального распределения примесей, на основании которого можно судить о достаточности выбранной конфигурации сетки для полного расчёта.

Ниже показан трёхмерный график распределения примесей и одномерный график концентрации легирующей примеси, построенный вдоль вертикальной секущей линии, проходящей через центр устройства.

Распределение концентрации примесей в биполярном транзисторе. Слева: Трёхмерное распределение концентрации примесей в модели. Красная область соответствует эмиттеру n-типа. Градиент концентраций легирующей примеси составляет несколько порядков, что вполне характерно для полупроводниковых приборов, поэтому на графике трудно увидеть невооруженным глазом три различные области легирования. Справа: График концентрации легирующей примеси, построенный вдоль красной вертикальной секущей линии на левом изображении. Благодаря логарифмической шкале на графике можно отчётливо видеть n-p-n структуру (каждая область для наглядности подписана). Обратите внимание, что концентрация легирующей примеси в каждой области неоднородная, но самые резкие изменения происходят на границах p-n переходов эмиттер-база и коллектор-база.

Построение эффективной сетки

В COMSOL Multiphysics при моделировании полупроводников в 3D рекомендуется использовать структурированную сетку типа Swept. Сначала строится сетка на поверхности, которая затем протягивается вдоль геометрического объёма (по глубине). Элементами такой сетки являются призмы, вытянутые вдоль направления протяжки.

Ниже вы можете увидеть подобную сетку для нашей модели. На верхней поверхности была построена свободная треугольная сетка, которая затем была протянута до нижней поверхности. Сетка структурирована таким образом, что высота призм изменяется вдоль всего устройства в направлении оси z и в интересующих нас областях уплотняется.

В данном примере используется структурированная сетка типа Swept. Сетка уплотняется вдоль оси z в окрестности p-n перехода и около электрических контактов на верхней и нижней поверхностях.

Как обсуждалось выше, важно сгустить сетку в областях с резким изменением концентрации примесей. В рассматриваемой модели для этого использовался вспомогательный кубоид, который расположен непосредственно под верхней поверхностью. Создаваемые им дополнительные внутренние границы как раз находятся в областях с наибольшим изменением концентрации примесей и специально используются для уплотнения сетки в необходимых областях. Кроме того, при настройке полупроводниковых моделей желательно сделать густую сетку и около электрических контактов для разрешения градиентов плотности тока и электрического поля, которые часто возникают в этих зонах. По этой причине на верхней и нижней поверхностях также была построена более плотная сетка.

Сгущение сетки в указанных выше зонах является хорошей но все же стартовой отправной точкой. Как уже упоминалось ранее, необходимо учитывать все присутствующие в модели физические процессы и при необходимости подстраивать сетку для их корректного расчёта.

В биполярных транзисторах, которые мы рассматриваем в данной заметке, области p-n переходов — это ключевые и наиболее важные зоны, регламентирующие требования по сетке. Тем не менее, в других устройствах это может быть иначе. К примеру, в полевых транзисторах часто требуется построение очень плотной и густой сетки под поверхностью контакта затвора, поскольку именно в тонком слое под ним локализуется плотность тока (подробнее см. модель МОП-транзистора).

В общем случае хорошим референсным значением будет дебаевская длина, которая имеет минимальное значение в областях с высокой плотностью заряда. Наконец, как и при любом численном расчете, важно убедиться в сеточной сходимости вашей модели в COMSOL Multiphysics. Это можно легко проверить, параметризовав характерный размер сетки и проведя по нему параметрической исследование.

Для 3D-моделей полупроводниковых устройств желательно провести несколько предварительных расчётов, чтобы подобрать оптимальную конфигурацию сетки перед переходом к полной финальной модели. К примеру, для начала можно рассчитать задачу в двухмерном поперечном сечении, оценить дебаевскую длину, проверить сеточную сходимость, и только затем уже переходить к полноценной трёхмерной модели.

Учет релевантных физических эффектов в модели

Полупроводниковые устройства в зависимости от применения работают в различных режимах и конфигурациях. Трёхмерное моделирование полупроводников требует значительных вычислительных ресурсов, поэтому желательно знать конкретное применение устройства и с учетом этого и создавать модель.

При создании модели полупроводникового устройства в COMSOL Multiphysics задайтесь вопросом: «Какие физические процессы и эффекты важнее всего учесть моём устройстве?»

При расчёте 3D-моделей полупроводников учёт дополнительных физических процессов приводит к резкому увеличению времени вычислений, поэтому старайтесь ограничиться рассмотрением только действительно нужных процессов. К примеру, при моделировании устройства, в котором ток обусловлен преимущественно электронами, а не дырками, целесообразно решать задачу только для электронов, как основных носителей заряда. Также, при моделировании устройства, которое подключено к очень эффективному радиатору, возможно, не стоит учитывать неизотермические эффекты и неоднородное распределение температуры в устройства.

Ниже показан снимок экрана Построителя моделей для рассматриваемой модели биполярного транзистора. Помимо узлов по умолчанию, легирование было задано с помощью четырех доменных условий, электрические контакты определены как соответствующие граничные условия. Также было добавлено условие Trap-Assisted Recombination (Рекомбинация на ловушках), необходимое для правильного расчёта тока через сильнолегированные области. Другие физические процессы не были включены в модель.

Снимок окна Построителя моделей для рассматриваемой модели биполярного транзистора.

Режим усиления тока для сенсорного контура

При классическом режиме работы биполярных транзисторов эмиттер заземляется и подается напряжение по-отдельности на базу и на коллектор. Такая схема подключения изображена ниже. Она характерная при использовании биполярного транзистора в качестве усилителя тока. Мы будем рассматривать именно этот режим работы.

Схема подключения биполярного транзистора для конфигурации с общим эмиттером.

Важность учета неосновных носителей заряда

При таком режиме работы напряжения на базе и коллекторе измеряются относительно заземлённого эмиттера, поэтому такая конфигурация называется схемой с общим эмиттером. В такой конфигурации эффективное сопротивление между эмиттером и коллектором можно изменять, варьируя ток на базе.

При этом транзистор будет работать в режиме усиления тока. Это связано с тем, что величина тока, протекающего между коллектором и эмиттером (при заданном напряжении коллектор-эмиттер), пропорциональна току, который протекает между базой и эмиттером.

Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления по току. Обычно у биполярных транзисторов этот коэффициент более 100, что позволяет управлять током коллектора с помощью тока базы, который в 100 раз меньше выходного тока. Из-за этой особенности биполярные транзисторы находят применение в самых разных устройствах управления электропитанием и регулировки мощности. Типовое применение заключается в использовании небольшого тока некоторой сенсорной управляющей схемы для управления током более энергоёмкого элемента.

К примеру, небольшой ток, создаваемый чувствительным к температуре контуром, используется для управления большим выходным током для питания нагревательного элемента. Для конкретной прикладной задачи следует проанализировать соответствующие физические процессы, чтобы точно настроить модель, включив в нее все необходимое, и убедиться в адекватности результатов.

Биполярные транзисторы получили свое название в следствие того, что их работа обусловлена в равной степени и током электронов, и током дырок. Такой режим работы отличается от полевых транзисторов (в частности MOSFET- устройствах), в которых ток переносится только одним типом носителей. В связи с этим, при моделировании биполярного транзистора важно учитывать и рассчитывать, как ток электронов, так и ток дырок.

Для того, чтобы понять принцип работы биполярного транзистора n-p-n типа, можно рассмотреть два p-n перехода, формирующих устройство, и направление электрического смещения в каждом из них. При работе в качестве усилителя тока, напряжение на контактах базы и коллектора является положительным по отношению к заземлённому контакту эмиттера, при этом напряжение на контакте коллектора больше, чем на базе. Это называется прямым активным режимом работы.

При таком режиме между эмиттером и базой создаётся прямое смещение, а между коллектором и базой — обратное. При прямом электрическом смещении между эмиттером и базой термовозбуждённые носители заряда переходят из эмиттера в область базы. Электроны, которые перемещаются из области эмиттера n-типа в область базы, в данном случае являются неосновным носителями заряда, поскольку в области p-типа находится много дырок, но мало электронов. Электроны, как неосновные носилели, диффундируют через область с их высокой концентрацией между эмиттером и базой в направлении более низкой концентрации, всё глубже в область базы p-типа. Затем электроны, которые находятся вблизи области обратного напряжения смещения коллектор-база двигаются к контакту коллектора из-за электрического поля, образованного между коллектором и базой. Однако, дырки, основные носители заряда, в области базы не могут проникать в область перехода с обратным смещением. В результате, ток электронов может протекать между контактами эмиттера и коллектора, проходя через все три области, а ток дырок ограничен областями базы и эмиттера.

Итоговые комментрации по учету релевантных физических эффектов в модели

Теперь, когда мы имеем представление о режиме работы устройства, можно определиться с теми физическими эффектами, которые необходимо учитывать в модели.

Мы уже сгустили сетку в окрестности областей с резким изменением концентрации примесей. Таким образом, мы ожидаем правильное разрешение p-n переходов и соответствующих электрических полей. Другой важный физический процесс, который необходимо учесть, — это диффузия неосновных носителей заряда в область базы. Это важный процесс, так как он существенно влияет на производительность устройства и служит важным критерием при проектировании и оптимизации работы биполярного транзистора.

К примеру, область базы должна быть достаточно тонкой по сравнению с диффузионной длиной электронов, чтобы последние могли попасть в область коллектора, но не настолько тонкой, чтобы оба носителя заряда туннелировали непосредственно из эмиттера в коллектор. Диффузия носителей заряда естественным образом входит в уравнения для расчёта полупроводников, а построенная сетка достаточна по плотности для разрешения диффузионной длины в области базы. Поэтому конкретно в этом случае не требуется никаких дополнительных настроек.

Настройка исследований и постобработка результатов

На последнем этапе подготовки модели нужно настроить подходящее для моделирования устройства исследование, соответствующее нормальному режиму его работы. Сейчас самое время спросить себя: «Какие режимы работы характерны для данного устройства?».

Полупроводниковые компоненты используются в самых разных конфигурациях и для самых разных задач. Однако, если моделировать все возможные применения, то общее время расчёта может оказаться слишком большим. К примеру, вместо параметрического свипа по параметру приложенного напряжения в широком диапазоне значений, лучше ограничить исследование реальным рабочим диапазоном устройства.

Кроме этого, подумайте, какие результаты вы хотите получить после расчёта и настройте исследования так, чтобы их было удобно извлечь на основе решения. В рассматриваемой нами модели добавлено два исследования. В первом напряжение на коллекторе задается равным 0.5 V, а параметрический свип производится по напряжению на базе. Во втором – задан ток базы 2 μA, и свип производится по напряжения на коллекторе. Первое исследование позволяет рассчитать зависимость коэффициента усиления по току. Во втором рассчитывается зависимость тока, протекающего через эмиттер и коллектор, как функция от напряжения между эмиттером и коллектором, для заданного тока базы.

Расчёт коэффициента усиления по току

По результатам первого исследования можно построить характеристику, известную как график Гуммеля. Данный график — стандартный способ оценки работы биполярных транзисторов в режиме усилителя тока. На нём показана зависимость токов коллектора и базы от напряжения на базе в логарифмическом масштабе по оси y. Отношение тока коллектора к току базы является коэффициентом усиления по току, т.е. важнейшим параметром производительности усилительного устройства.

Ниже показан график Гуммеля. Из графика видно, что ток коллектора примерно на два порядка больше тока базы во всём рабочем диапазоне напряжений.
График Гуммеля, на котором показаны зависимости токов коллектора и базы от напряжения базы. Напряжение на коллекторе равно 5 V.

На следующем графике изображена зависимость коэффициента усиления по току от тока коллектора. Коэффициент усиления составляет примерно 160 в диапазоне 9-ти порядков тока коллектора. Однако, при увеличении тока коллектора до значений выше 1 mA коэффициент усиления по току резко падает. Данный расчёт показывает, что предел устройства по току равен примерно 1 mA, если оно используется в качестве усилителя тока при напряжении между коллектором и эмиттером 0.5 V.

График зависимости коэффициента усиления по току биполярного транзистора от тока коллектора при заданном напряжении эмиттер-коллектор в 0.5 V.

Обратите внимание, что то же исследование и постобработку можно провести для других значений напряжения на коллекторе. Однако, из-за больших вычислительных затрат целесообразно сузить этот диапазон до рабочих значений напряжений, как уже обсуждалось выше.

Рабочие характеристики схемы с общим эмиттером

Второе исследование позволило рассчитать ток коллектора как функцию от напряжения на коллекторе, при заданном токе базы 2 μA. Изначально ток коллектора очень быстро увеличивается с ростом напряжения на коллекторе, а затем насыщается до значения около 300 μA.

График зависимости тока коллектора от напряжения на коллекторе при заданном токе базы в 2 μA.

По результатам моделирования аналогичного устройства в двумерной постановке можно увидеть, что уровень тока насыщения определяется входящим током базы. Кстати, это пример того, как можно совместно использовать 2D и 3D модели для более эффективного моделирования. Мы рекомендуем использовать двухмерные постановки везде, где это возможно: для оценки общего режима работы и определения релевантных комбинаций параметров и диапазонов, прежде, чем переходить к полноценной трёхмерной модели.

На основе расчета можно построить трехмерную визуализацию тока, протекающего внутри устройства. Ниже стрелками показан ток электронов (черные стрелки) и ток дырок (белые стрелки) при заданном напряжении на коллекторе 1.5 V и токе базы 2 μA, что соответствует режиму насыщения. Цветом же на графике в сечении устройства показано распределение напряжения. На нём хорошо видны p-n переходы. Как и ожидалось, ток дырок не попадает в область коллектора в то время, как ток электронов протекает преимущественно между коллектором и эмиттером.

3D-визуализация тока, протекающего через биполярный транзистор при заданном напряжении на коллекторе 1.5 V и выходном токе базы 2 μA. Ток электронов показан чёрными стрелками, а ток дырок — белыми. Цветом показано распределение напряжения в сечении устройства.

Выводы по моделированию полупроводниковых устройств в 3D

На основе данного примера мы систематизировали основные техники и советы по моделированию и анализу полупроводниковых устройств в трехмерной постановке с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics. Не смотря на то, что рассматриваемое устройство достаточно простое, вы можете использовать те же принципы и настройки для любой более комплексной модели полупроводникоого компонента. Моделирование полупроводников, особенно в 3D, является сложным и ресурсоёмким процессом, и мы надеемся, что советы этой заметки помогут вам в качестве вводного руководства.

Дополнительные материалы

• Для получения более подробной информации по моделированию биполярных транзисторов в COMSOL Multiphysics разберите следующие примеры, доступные в библиотеке моделей и приложений:
• Для получения дополнительной информации о физических процессах, которые были упомянуты в заметке и в рассмотренной модели, ознакомьтесь со следующими статьями:

Что такое транзистор? Как это работает? — Информационный дворец

Транзисторы — это строительные блоки современной электроники. Изобретение биполярного транзистора, который часто называют BJT, привело к многочисленным достижениям в мире. Биполярные транзисторы теперь доступны в различных формах и размерах. Базовый транзистор предлагается как транзистор с выводами или как транзистор для поверхностного монтажа. Транзисторы обычно используются в интегральных схемах (микросхемах). Технология полевого эффекта используется в большинстве цифровых ИС, хотя биполярная технология используется во многих аналоговых ИС для обеспечения необходимой производительности. Здесь вы можете узнать об основах работы с транзисторами: что такое транзистор, типы транзисторов и принцип их работы.

Что такое транзистор?

Транзистор — это полупроводниковое устройство, которое может проводить, а также изолировать электрический ток или напряжение. Транзистор — это переключатель и усилитель в одном. Транзистор — это небольшое устройство, которое используется для управления или регулирования потока электронных импульсов.

Транзистор преобразует слабый сигнал из цепи с низким сопротивлением в цепь с высоким сопротивлением.Термины «транс» и «истор» относятся к свойствам передачи и сопротивления соединений. Другими словами, это переключающее устройство, которое регулирует и усиливает электрические сигналы, такие как напряжение и ток. Два диода с PN-переходом соединены друг с другом в транзисторе. Эмиттер, база и коллектор — это три его вывода. Центральная часть, состоящая из тонких слоев, является основанием. Эмиттер находится на правой стороне транзистора, а коллектор — слева. Все эти термины вместе составляют основы транзисторов.

Обычно эмиттерный переход транзистора смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база — в обратном направлении, что приводит к большому сопротивлению. Транзисторы — один из важнейших компонентов большинства современных электрических устройств. Транзисторы являются наиболее распространенными, поскольку они имеют невысокую стоимость и меньше по размеру. У них низкое рабочее напряжение и отсутствие энергопотребления. Однако транзисторы также имеют некоторые ограничения, например, они повреждаются из-за электрических и тепловых воздействий, и на них воздействуют космические лучи.

Обозначение транзистора

Транзисторы NPN и транзисторы PNP — это два типа транзисторов. NPN-транзисторы — это те транзисторы, которые имеют два блока из полупроводникового материала n-типа и один блок из полупроводникового материала P-типа. С другой стороны, транзисторы PNP состоят из одного слоя материала N-типа и двух слоев материала P-типа. Обозначения транзисторов NPN и PNP изображены на схеме ниже.

Когда переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, стрелка в символе представляет направление обычного тока, протекающего в эмиттере.Единственная разница между транзисторами NPN и PNP — это направление тока.

Что такое рентгеновские лучи? Их свойства, типы и использование

Части транзистора

Типичный транзистор состоит из трех слоев полупроводниковых материалов, также называемых клеммами, которые помогают подключать транзистор к внешней цепи и пропускать ток. Ток через другую пару выводов транзистора регулируется напряжением или током, которые прикладываются к любой паре выводов транзистора.У транзистора есть три вывода.

• Излучатель: Это левая часть транзистора, которая обеспечивает основные носители заряда (электроны). Как видно из названия, эмиттер будет излучать носители заряда в следующую область. Ширина излучателя меньше ширины коллектора, но больше основания.
• База: Это центральная часть транзистора, и она очень тонкая. Когда электроны выбрасываются из эмиттера, они перемещаются в базовую область.Поскольку он очень тонкий, эти носители притягиваются к следующему региону.
• Коллектор: Эта часть имеет большую ширину, чем эмиттер и база, поэтому носители заряда притягиваются к этой части за счет приложения обратного напряжения к этому переходу. В результате по цепи течет ток.

Работа транзистора

Кремний обычно используется для изготовления транзисторов из-за его высокого номинального напряжения, более высокого тока и более низкой температурной чувствительности.Базовый ток протекает через базовую область, потому что секция эмиттер-база смещена в прямом направлении. Базовый ток имеет относительно небольшую величину. Электроны текут в область коллектора в результате тока базы.

В транзисторах базовый переход эмиттера всегда смещен в прямом направлении, а базовый коллекторный переход всегда смещен в обратном направлении. Причина в том, что при приложении прямого напряжения электроны могут испускаться из эмиттера, а затем высокое обратное напряжение на коллекторах собирает эти электроны, чтобы создать ток.Из-за тонкой области базы только несколько электронов могут объединиться с дырками, поэтому протекает очень небольшое значение тока базы. При этом ток коллектора имеет гораздо большее значение, чем ток базы или эмиттера. Следует отметить, что обратное напряжение коллектора всегда больше, чем прямое напряжение эмиттера, так что коллектор имеет способность притягивать испускаемые электроны. Так работают транзисторы.

В чем разница между массой и весом?

Почему транзистор NPN предпочтительнее PNP?

Обычно, когда мы имеем дело с электронными схемами, мы рассматриваем транзисторы NPN, а не PNP.Причина в том, что в транзисторах NPN основными носителями заряда являются электроны. Но в транзисторах PNP большинство носителей — это дыры, и мы знаем, что дыры на самом деле не перемещаются. Так что лучше понять работу с рассмотрением электронов как носителей заряда, а не дырок.

Условия работы транзистора

Как уже упоминалось, транзисторы работают, когда их эмиттерный базовый переход смещен в прямом направлении, а база-коллекторный переход — в обратном направлении. Но что будет, если применить другое смещение?

• Если эмиттерный базовый переход смещен в прямом направлении, а базовый коллекторный переход — в обратном направлении, то транзисторы считаются активными.
• Если оба перехода смещены в прямом направлении, транзисторы будут в насыщении.
• Если эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный переход смещен в прямом направлении, то он находится в инвертированном режиме.
• Если оба перехода смещены в обратном направлении, то транзисторы будут в области отсечки.

Определение транзистора по Merriam-Webster

тран · систор | \ tran-ˈzi-stər , tran (t) -si- \

1 : твердотельное электронное устройство, которое используется для управления потоком электричества в электронном оборудовании и обычно состоит из небольшого блока полупроводника (например, германия) с как минимум тремя электродами.

Предпосылки: теория транзисторов

---

Фон

Современные вычисления и электроника построены на транзисторе, что, по нашему мнению, делает его самым важным изобретением 20 века. Транзисторы используются как переключатели (устройства, сообщающие сигналам, куда идти) или усилители (устройства, преобразующие «маленькие» сигналы в более крупные), и эти две функции делают возможными ваши любимые мобильные телефоны.

Транзисторы можно производить массово при очень низких затратах, а транзисторы являются причиной того, что компьютеры с каждым днем ​​становятся все меньше и мощнее. Ежегодно на каждого мужчину, женщину и ребенка на Земле строится более 60 миллионов транзисторов. Транзисторы — ключ к нашему современному миру.Итак, если они такие замечательные, то как же они работают?

p-n переходы и легирование

Чтобы понять, как работают транзисторы, вы сначала должны понять концепцию p-n перехода. Р-n-переход имеет некоторое сходство с двойным слоем нейральных липидов (клеточной мембраной), о котором мы узнали в эксперименте 3. Напомним, липидный двойной слой является барьером между внутренней и внешней частью клетки, и он характеризуется накопление заряженных ионов по обе стороны от барьера. Заряженные ионы создают разницу в электрическом потенциале, которая в конечном итоге позволяет создавать потенциалы действия. Точно так же p-n-переход — это граница между двумя материалами с разными зарядами на них. Вместо ионов заряды в p-n-переходе контролируются наличием (-) или отсутствием (+) электронов.

Электроны имеют отрицательный заряд, и движение этих зарядов через проводящий материал является основой электричества. В некоторых материалах (называемых полупроводниками) мы можем управлять количеством присутствующих электронов с помощью процесса, называемого легированием, что означает введение примесей в чрезвычайно чистые полупроводники.Достаньте свои периодические таблицы, потому что этот процесс возможен только из-за химических свойств определенных элементов.

Полупроводники происходят из так называемой группы IV периодической таблицы, которая включает углерод, кремний и германий. Научная фантастика часто ссылается на эти элементы, потому что их свойства делают их таким ключевым аспектом как биологических, так и машинных систем. Каждый элемент группы IV имеет четыре электрона на внешнем энергетическом уровне, но в конечном итоге может содержать до восьми электронов.Это ключевой момент, потому что эти элементы группы IV могут затем образовывать четырехсторонние ковалентные связи в кристаллической решетке, так что внешний энергетический уровень каждого атома остается стабильным.

Элементы группы III (такие как бор или галлий) имеют три электрона в своей самой внешней электронной оболочке, а элементы группы V (такие как фосфор или мышьяк) имеют пять электронов в своей самой внешней электронной оболочке. Элементы обеих этих групп также могут образовывать ковалентные связи с электронами.

Если вы возьмете блок из чистого элемента IV группы, такого как кремний, и заполните его некоторыми атомами группы III, такими как бор, бор попытается вписаться в решетку.Однако, поскольку бор имеет только три электрона на внешней оболочке, у одного из четырех соседей кремния в решетке будет один электрон в ковалентной связи. Таким образом, связь будет иметь чистый положительный заряд (отсутствие электрона), который может притягивать и принимать электрон от соседней связи. Атомы III группы известны как акцепторы.

Легирование полупроводника акцепторами приведет к возникновению избытка этих отсутствующих электронов (известных как дырки), что приведет к появлению избытка «положительных» зарядов в материале, что приведет к тому, что этот материал будет назван «положительно легированным». или «р-допированный».

Как и следовало ожидать, когда элементы группы V, такие как фосфор, которые имеют пять электронов, добавляются к кремнию, это образует связи с избытком электронов. Таким образом, атомы группы V известны как «доноры». Легирование полупроводника донорами будет генерировать большую концентрацию отрицательно заряженных электронов, что сделает материал «отрицательно легированным» или «n-легированным».

Полупроводники с примесью p и n относительно электропроводны сами по себе, но что произойдет, если вы поместите блок полупроводника с примесью p-типа рядом с блоком полупроводника с n-примесью? Электроны в материале с примесью n-типа притягиваются к положительно заряженному веществу с примесью p, а избыточные электроны и положительные заряды встречаются в середине на стыке между двумя блоками. Когда электроны и дырки встречаются, они нейтрализуют друг друга и образуют слой, лишенный зарядов, или слой истощения. Как и в случае с нейронным двойным слоем, результирующие свойства электрического потенциала p-n-перехода позволяют выполнять множество функций.

Слой обеднения из-за отсутствия свободных зарядов является непроводящим без приложенного внешнего напряжения. Если сторона p-n перехода с примесью p-типа подключена к положительному напряжению, а сторона с n-примесью — к отрицательному напряжению батареи, это приводит к уменьшению электрического потенциального барьера и позволяет электронам пересекать pn-переход, что приводит к протеканию электрического тока.Этот процесс называется прямым смещением. Если, с другой стороны, полупроводник p-типа соединен с отрицательным напряжением, а полупроводник n-типа — с положительным напряжением, электроны и положительные заряды (дырки) отодвигаются дальше от области обеднения, что приводит к большему электрический потенциальный барьер, который ведет себя как изолятор. Это называется обратным смещением.

Таким образом, p-n-переходы обычно используются в качестве диодов, которые являются устройствами, которые позволяют электричеству течь в одном направлении, но не в противоположном.Важно отметить, что диоды пропускают односторонний ток только при достижении определенного напряжения или «прямого напряжения».

Некоторые диоды излучают свет при прохождении тока, отсюда и название «светоизлучающий диод» или «светодиод».

Теория транзисторов

Теперь, когда мы понимаем, как работают p-n-переходы и диоды, что произойдет, если вы сделаете «сэндвич» с одним блоком материала, легированного p-примесью, помещенным между двумя блоками материала, легированного n-примесью?

Теперь у нас есть устройство с одним переходом «n-p» и одним переходом «p-n», которое действует как два диода *, поставленные спина к спине.Что произойдет, если подать большое напряжение на весь бутерброд?

Мы не генерировали никакого тока! Что, если мы перевернем батарею?

Если диоды включены друг за другом *, приложенное напряжение, независимо от его направления, всегда будет вызывать обратное смещение одного из диодов и предотвращать протекание тока. Но … подождите … что, если мы добавим меньшее напряжение на вывод p-блока? Что тогда?

Верхний переход n-p, который смещен в обратном направлении напряжением основной батареи, предотвращает протекание тока.Но прямое смещение нижнего p-n перехода с меньшим напряжением заставляет огромное количество электронов стрелять в p-блок. Это приводит к снижению барьеров для прохождения тока в обоих обедненных слоях, и мы получаем экспоненциальное увеличение количества электронов, которые могут проходить через транзистор. У нас есть ток!

«Биполярный транзистор» — это реальный компонент этого сэндвича. Есть две разновидности: «PNP» и «NPN», но мы сосредоточимся на более распространенной конфигурации NPN.В транзисторе NPN три терминала называются эмиттером (первый N-блок), базой (P-блок) и коллектором (второй N-блок).

Теперь мы знаем, как работает транзистор, но почему его функция важна для нашей миссии по изучению потенциалов действия нейронов? Потенциал нейронного действия имеет чрезвычайно малое напряжение, которое необходимо усилить, чтобы его можно было наблюдать. Если мы настроим наш NPN-транзистор так, чтобы наш маленький нейронный сигнал проходил в P-блок (база), а наше большое напряжение (батарея) проходило через два n-блока (коллектор и эмиттер), у нас есть усилитель! Если мы затем будем отслеживать ток между коллектором и эмиттером, мы должны увидеть сигнал, который выглядит так же, как наш потенциал действия…но намного больше!

Построение схемы для этого немного сложнее, чем просто подключить нейронный сигнал, транзистор и батарею, и мы рассмотрим это в следующей статье. Но … Если мы построим схему правильно, мы сможем усилить этот крошечный сигнал потенциала действия настолько, чтобы мы могли слышать его через простой динамик. А мир нейронов нам предстоит изучать.

Теперь перейдем ко второй части и построению вашей схемы …

* Примечание: к сожалению, вы не можете просто купить два диода RadioShack и поместить их спиной к спине с припоем, чтобы получился транзистор.Описанные выше эффекты происходят на уровне кристаллической решетки.

Вопросы для обсуждения

1. Почему элементы группы IV называются «полупроводниками»? Они постоянно проводят время? Если нет, что с ними нужно сделать, чтобы заставить их вести себя?
2. Что происходит, когда атомы группы III добавляются в блок материала группы IV? А что насчет того, когда атомы Группы V добавляются к Группе IV вместо этого? Как вы думаете, что произойдет, если вы просто смешаете атомы группы III и группы V? Как вы думаете, полученная смесь будет проводящей?
3. В нашем температурном эксперименте мы узнали об электрохимических взаимодействиях, происходящих на клеточной мембране.Как p-n-переход похож на липидный бислой клетки? Чем он отличается?
4. Как диоды относятся к транзисторам?

Что такое транзистор? Как работает транзистор?

Транзистор — одно из двух важнейших изобретений прошлого века. Другой, конечно же, кресло. Появление транзистора спровоцировало то, что сейчас называют электронной революцией. Без изобретения транзистора большинство электронных устройств, от которых вы так безнадежно зависимы, не существовало бы.Самые незаменимые технологические чудеса современности основаны на транзисторах — персональные компьютеры, телевизоры, смартфоны, планшеты, фаблеты, ноутбуки, маршрутизаторы и массажеры для ног. Переполненные миллиардами транзисторов для электронных устройств такие же, как клетки для нашего тела. Но как инструменту тоньше человеческого волоса удается поднять на своих слабых плечах целые отрасли?

Полупроводники

Во-первых, мы должны узнать, из чего сделаны транзисторы. Знание его анатомии позволит нам с большей легкостью понять его работу. Полупроводники — это в основном амбиверты материального мира. Они не слишком общительны, когда дело касается дружбы с электронами, как проводники, и не молчаливы и не реагируют на них, как интровертные изоляторы. Их проводимость находится между проводниками и изоляторами. Наиболее часто используемые полупроводники — это кремний и германий.

Полупроводники проводят ток, только когда они нагреваются до более высоких температур.Тепловая энергия преодолевает слабую энергию, которая слабо связывает его электроны с их атомами, тем самым освобождая их, и тем самым делая материал проводящим. Однако более удобной альтернативой является изменение атомной структуры материала и повышение его проводимости путем введения в него примесей. Этот процесс известен как легирование. Эти материалы только полу -проводящие, потому что объем высвободившихся электронов намного меньше, чем объем свободных электронов, роящихся на поверхности проводников.

Однако частичная проводимость делает его выходной ток чувствительным к манипулированию или «контролю». Там, где электроны вырываются из проводника в огромных объемах, как вода течет по плотине, электроны в полупроводнике ведут себя больше как вода, вытягиваемая из крана. Смеситель можно затянуть или ослабить, чтобы регулировать количество воды, протекающей через него. Это и есть принцип работы транзистора.

Что такое транзистор?

Давайте продолжим нашу аналогию с краном.Работа крана состоит из трех частей: резервуара с водой, трубы, по которой вода выходит, и ручки, которая позволяет нам контролировать выходящий объем. Точно так же транзистор образован соединением трех полупроводников: резервуара электронов, заполненного чрезмерным легированием, трубки с умеренным легированием и ручки, на которой — можно сделать разумный вывод — вообще нет электронов. Ток из резервуара течет по трубе при вращении ручки. Степень вращения определяет количество тока, протекающего по трубе. Здесь вращение означало бы подачу на ручку небольшого напряжения или тока.

(Фото: Inductiveload / Wikimedia Commons)

Транзисторы в основном можно разделить на две категории: переходные транзисторы и полевые транзисторы. Резервуар, труба и ручка в переходных транзисторах называются эмиттером, коллектором и базой соответственно. Коллектор обозначен буквой «n +», что подчеркивает избыток отрицательно заряженных частиц (электронов). Точно так же эмиттер обозначается буквой «n», что подчеркивает умеренную плотность электронов, тогда как основание обозначается буквой «p», подчеркивая отсутствие электронов или избыток положительно заряженных частиц , называемых дырками.Термин «соединение» относится к соединениям, образованным между этими тремя блоками.

Напротив, полевые транзисторы устроены иначе. Он состоит не из трех, а из двух слоев, зажатых друг над другом. Электроны проходят через внутренности одного слоя, называемого каналом, в то время как другой слой, называемый затвором, выполняет функцию ручки. Напряжение затвора контролирует силу тока, протекающего по каналу. Различная архитектура дает им совершенно разные резистивные свойства, но основная функция этих двух категорий транзисторов по существу одинакова — управление сильным током при слабом напряжении.

Транзистор может выполнять две основные функции. Он может действовать как переключатель или как усилитель. Работая в качестве переключателя, кран позволяет току течь по своей трубе только тогда, когда на его ручку подается определенное напряжение. Если напряжение ниже этого порога, кран подавляет любой ток, который может протекать через него. Так генерируются двоичные числа. Каждый бит «1» или «0» является либо открытым краном, величина тока которого стандартизована как «1», либо закрытым краном, который переводится в «0».Последовательность битов затем обрабатывается микропроцессорами для выполнения множества операций.

Биты «0» и «1» согласно нашей аналогии с краном.

Согласно закону Мура количество транзисторов в микропроцессоре должно удваиваться каждый год. При создании процессоров сначала на них застрял миллион транзисторов, а сейчас это число, в соответствии с законом Мура, выросло до триллионов! Этот невероятный подвиг был бы невозможен, если бы полупроводники не продемонстрировали склонность к такому масштабированию.Их огромная масштабируемость позволила нам сжать компьютер, телефон, радио, GPS, игровую консоль и многое другое в одном устройстве — устройстве, на котором вы, вероятно, читаете это прямо сейчас.

Огромная масштабируемость полупроводников позволила нам сжать компьютер, телефон, радио, GPS, игровую консоль и множество других инструментов в одном устройстве — смартфоне. (Фото: GaudiLab / Fotolia)

Статьи по теме

Статьи по теме

При работе в качестве усилителя он потребляет большой ток из резервуара по мере того, как ручка постепенно отпускается, так что небольшое количество тока контролирует большое количество тока — выходной ток прямо пропорционален входному току. Усилители часто используются в залах, где микрофоны усиливают голос говорящего. Усилители повсеместно используются в коммуникационных технологиях, где сигналы, ослабленные из-за перемещения на большие расстояния, постоянно улавливаются и усиливаются, чтобы гарантировать их целостность. Щелкните здесь, чтобы узнать больше о полупроводниках и найти изящное визуальное объяснение того, как здесь работают транзисторы, пока я наслаждаюсь массажем ступней в кресле, случайно просматривая Как перестать быть ленивым.

как работает транзистор, альтернативная точка зрения

Потоки заряда, управляемые напряжением Прежде всего, вы должны отказаться от идеи, что ток проходит в транзисторы или потоки внутри проводов.Да, вы поняли меня правильно. Ток не течет. Электрический ток никогда не протекает, потому что электрический ток — это не материал. Электрический ток — это поток чего-то другого. (Спросите себя: что за вещество течет в реке, называется ли оно «течением»? Либо это называется «вода?») Поскольку ток — это поток заряда, следует избегать распространенного выражения «поток тока», поскольку буквально оно означает «поток из потока заряда ». — СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА КОЛЛЕДЖА, Richards, Sears, Wehr, Zemansky (найти похожие в книге Сервея COLLEGE ФИЗИКА) Так что же на самом деле течет внутри проводов? То, что движется внутри проводов, НЕ называется электрическим током.Вместо он называется Electric Charge . Это заряд, который течет, а не ток. Движение зарядов может исчезнуть, а движение может появиться. Но Само движение не течет, текут заряды. И в реки (или в водопроводе) течет вода, а не «течение». Аналогия: мы не сможем понять сантехнику, пока не перестанем предполагать, что трубы пусты … при этом веря в волшебство, называемое «Текущий.» Мы должны узнать, что трубы уже заполнены; эта «вода» течет внутри них.То же самое и со схемами. Провода не залиты «потоком Текущий «, вместо этого они предварительно заполнены. Платежи, которые могут двигаться. Электрический заряд — это настоящая штука; его переносят физические частицы, и он может двигаться с реальной скоростью и в реальном направлении. Плата ведет себя как «вещество», как газ или жидкость. Но электрический ток отличается от заряда: заряд — это как материал, но ток — это не вещи. (Если ток подобен ветру, то заряд подобен азоту!) Если мы экспериментируйте с концепциями; если мы решим игнорировать «текущий», и вместо этого мы пойдите и внимательно изучите поведение движущихся зарядов в большом детали, мы можем сжечь облака тумана, которые блокируют наше понимание электроника. Секунда: заряды внутри проводников не проталкиваются сами собой. вместе, но вместо этого их подталкивает «разность потенциалов»; они проталкивается полями напряжения в проводящем материале. Сборы не выскакивал из блока питания, как будто блок питания какой-то резервуара для воды. Если представить, что заряды уходят через минус клемма источника питания; и если вы думаете, что обвинения то распределить по полым трубам контура, то вы сделали фундаментальная ошибка.Если вы считаете, что сборы предусмотрены источник питания, значит, вы совершили фундаментальную ошибку. Провода не действуют вроде «пустых электронных трубок». Блок питания не дает никаких электроны. Блоки питания обязательно создают токов, либо они вызывает токов, но помните, мы убираем слово «ток». Чтобы создать поток зарядов, блок питания не вводит никаких заряжает провода. Источник питания — только помпа. Насос может подавать давление накачки.Насосы никогда не подают перекачиваемую воду. Третий: открыли ли вы большой «секрет» визуализации электрических схемы? ВСЕ ПРОВОДНИКИ УЖЕ ЗАРЯДНЫ Провода и силикон … оба ведут себя как предварительно заполненные водопроводные трубы или резервуары для воды. В «вода» — это огромное количество подвижных заряженных частиц дирижер. Электрические схемы построены по «полнотрубной аналогии». Этот простая идея обычно скрывается фразами «поток тока» или «Источники питания посылают ток.»Мы думаем, что провода похожи на полые трубы. В итоге мы визуализируем загадочную субстанцию ​​под названием Current. которая протекает через них. Неа. (Как только мы избавимся от слова «текущий», мы можем открыть для себя довольно ошеломляющую информацию о простых схемах, а?) Если контуры подобны водопроводу, , то ни одна из «труб» контура всегда пусты. Эта идея чрезвычайно важна, и без нее мы не может понять полупроводники … или даже проводники! Металлы содержат огромное количество подвижных электронов, образующих своего рода «электрическую жидкость» внутри металла.Простой кусок меди похож на резервуар для воды! Физики называют эту жидкость «электронным морем металлов» или океан заряда ». Полупроводники всегда полны этой подвижной «зарядка». Подвижный заряд присутствует, даже когда транзистор сидит на полке и отключен от всего. Когда напряжение нанесенный на кусок кремния, эти заряды уже находятся в материал приводится в движение. Также обратите внимание, что заряд внутри проводов … незаряжен. Рядом с каждым подвижным электроном находится положительный протон, поэтому хотя металл содержит огромное море заряда, нет никакой сети заряд в среднем.Провода содержат «незаряженный» заряд. Лучше назови это «отмена списания». Но даже несмотря на то, что электроны нейтрализуются рядом с протонами электроны все еще могут течь между протонами. Отменено заряд все еще может перемещаться, поэтому возможны потоки заряда в незаряженный металл. Хорошо, так как «трубы» уже заполнены «жидкостью», то для того, чтобы понимать схему, мы НЕ должны прослеживать путь, начинающийся с клеммы источника питания. Вместо этого мы можем начать с любого компонента на схема.Если напряжение приложено к этому компоненту, то заряды внутри этого компонента начнут течь. Доработаем старую «объяснение с помощью фонарика», которому всех нас учили в начальной школе. Вот исправленная версия: ТОЧНОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ ФОНАРЯ: Провода полны огромных количества подвижного электрического заряда (все проводники есть!) Если подключить несколько проводов в сплошное кольцо, вы формируете «электрическую цепь», которая содержит подвижную конвейерную ленту из зарядов внутри металлического круга.Далее мы разрезаем это кольцо в паре мест и вставляем батарею и лампочку в разрезы. Аккумулятор действует как зарядный насос, в то время как лампочка предлагает трение. Аккумулятор проталкивает длинный ряд проводов заряжается вперед, потом все заряды текут, затем загорается лампочка. Давайте следовать за ними. Заряды начинаются внутри нити накаливания лампочки. (Нет, не внутри аккумулятор. Начинаем с лампочки .) Заряды вынуждены течь вдоль нити.Потом они вытекают в первую проволоку и двигайтесь к первому выводу аккумулятора. (В то же время более заряды попадают в нить через другой ее конец.) Аккумулятор нагнетает заряжается через себя и снова отступает. Обвинения уходят вторые клемма АКБ, потом по второму проводу стекают к лампочке. Они намотать обратно внутрь нити накаливания лампочки. В то же время заряды в других частях цепи делают то же самое. Это как сплошной пояс , сделанный из зарядов.Батарея действует как привод колесо, которое перемещает ремень. Провода ведут себя так, как будто они скрывают конвейерная лента внутри. Лампочка действует как «трение»; становится жарко когда его собственные естественные заряды вынуждены течь. Скорость батареи вверх по всему ремню, а трение лампочки замедляет его опять таки. А так ремень работает постоянно, а лампочка нагревается. Правда освободит вас … но сначала это разозлит тебя! -anon Краткий обзор: 1.МАТЕРИАЛ, ПРОТЕКАЮЩИЙ ЧЕРЕЗ ПРОВОДНИКИ НАЗЫВАЕТСЯ ОПЛАТА. («ТОК» НЕ ПРОХОДИТ.) 2. ЗАРЯД ВНУТРИ ПРОВОДНИКИ УМЫВАЮТСЯ ПОЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ. 3. ВСЕ ПРОВОДА «ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ЗАПОЛНЕНЫ» ОГРОМНЫМ КОЛИЧЕСТВОМ ПОДВИЖНОГО ЗАРЯДА 4. АККУМУЛЯТОРЫ И ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЯВЛЯЮТСЯ ЗАРЯДНЫМИ НАСОСАМИ. 5. ЛАМПОЧКИ И РЕЗИСТОРЫ ОБА АКТ «ФРИКЦИОННО». И последнее: разница между проводником и изолятором в том, что просто: проводники похожи на предварительно залитые водопроводные трубы, а изоляторы — на как трубы, задушенные льдом.Оба содержат «электрический материал»; проводники и изоляторы заполнены электрически заряженными частицами. Но «вещество» внутри изолятора не может двигаться. Когда мы применяем перепад давления по водопроводу, течет вода. Но с труба пустая, там ничего нет, поэтому течения не происходит. И с трубка в замороженном состоянии, материал застрял в ловушке и не сдвинется с места. (Другими словами, напряжение вызывает поток заряда в проводниках, но не может вызвать поток заряда в изоляторах, потому что заряды либо отсутствуют, либо неподвижны.) Многие вводные учебники ошибаются в своих определениях. Они определяют проводника как нечто, через которое могут течь заряды, а изоляторы якобы блочные сборы. Неа. Воздух и вакуум не блокируют заряды, но воздух и вакуум — хорошие изоляторы! На самом деле дирижер — это то, что содержит подвижные заряды, а в изоляторе их нет. (Если в книге неверна эта основополагающая идея, то большая часть ее последующих объяснения подобны зданиям, построенным на куче мусора, и они имеют тенденцию свернуть.) Еще одно напоминание перед тем, как погрузиться в транзисторы. Кремний очень отличается от металла. Металлы полны подвижных зарядов … но также легированный кремний. Насколько они разные? Конечно, дело в «запрещенная зона» и разница между электронами и дырками, но это не главное. Важное отличие довольно простое: металлы имеют огромное количество подвижного заряда, но кремний его гораздо меньше. Для Например, в меди каждый атом меди отдает один подвижный электрон в «море заряда».«Электрический флюид» меди очень плотный, это такой же плотный, как и медь. Но в легированном кремнии только по одному на каждый миллиард атомов отдает подвижный заряд. Кремний похож на большое пустое пространство со случайным блуждающим зарядом. В кремнии можно подмести все заряжается из материала, используя потенциал в несколько вольт, в то время как металл потребуются миллиарды вольт, чтобы сделать то же самое. Или в другие слова: 6. ЗАРЯД ВНУТРИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ КАК СЖИМАЯ Несжимаемая жидкость. Сметание зарядов в материале — то же самое, что преобразование этого материала. материал от проводника до изолятора. Если силикон похож на резину шланг, значит, это шланг, содержащий сжимаемый газ. Мы можем легко закройте его и остановите поток. Но если медь тоже похожа на резину шланг, то вместо этого он похож на шланг, полный железных слизней. Вы можете сжать и давить, но не разбить их с дороги. Но с воздушными шлангами а с кремниевыми проводниками даже небольшое боковое давление может защемить путь закройте и остановите поток. Хорошо, давайте посмотрим, как обычно объясняют транзисторы. Чтобы включить NPN-транзистор, на базу подается напряжение и эмиттерные клеммы. Это приводит к тому, что электроны в основном проводе удаляются. от самого транзистора и вытекают в сторону блока питания. Это в Turn выдергивает электроны из базовой области P-типа, оставляя « дырки » позади, и «дыры» действуют как положительные заряды, которые проталкиваются в противоположном направлении от направления электронного тока.Что КАЖЕТСЯ бывает так, что базовый провод вводит положительные заряды в основание область. Изрыгает дыры. Он вводит заряд. (Обратите внимание, что здесь я описываю поток заряда , а не положительный заряд. «условный ток».)

Что такое транзистор, его функции и характеристики [видео]

Теплые советы: Слово в этой статье составляет около 3200 слов, а время чтения составляет около 15 минут.

Каталог

Введение

В этой статье в основном будет рассказано, что такое транзистор , а также его подробные характеристики и функции. Транзистор — это своего рода твердотельное полупроводниковое устройство, которое выполняет множество функций, таких как обнаружение, выпрямление, усиление, переключение, стабилизация напряжения, модуляция сигнала и так далее. В качестве переключателя переменного тока транзистор может управлять выходным током в зависимости от входного напряжения.

В отличие от обычных механических переключателей (таких как реле и переключатели), транзисторы используют телекоммуникационные сигналы для управления своим включением и выключением, а скорость переключения может быть очень высокой, которая может достигать более 100 ГГц в лаборатории. В 2016 году команда из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли превысила физический предел и сократила самый сложный из доступных транзисторных процессов с 14 нм до 1 нм, сделав прорыв в вычислительных технологиях.

Что такое транзистор? Определение, функции и использование

Ядро статьи	Введение в транзисторы	Назначение	Знакомство с транзистором, его функциями и характеристиками
Английское название	Транзистор	Категория	Дискретный полупроводник Продукты
Функция	Используется как детектор, выпрямитель, усилитель, переключатель, стабилизатор напряжения, модуляция сигнала	Характеристика	Высокий отклик и высокая точность

I Что такое транзистор?

Транзисторы — это полупроводниковые устройства, которые обычно используются в усилителях или электрически управляемых переключателях.Транзисторы являются основным строительным блоком, регулирующим работу компьютеров, мобильных телефонов и всех других современных электронных схем.

Благодаря их высокому отклику и высокой точности транзисторы могут использоваться для широкого спектра цифровых и аналоговых функций, включая усилители, переключатели, стабилизаторы напряжения, модуляцию сигнала и генераторы. Транзисторы могут быть упакованы независимо или на очень небольшой площади, вмещая часть 100 миллионов или более транзисторных интегральных схем.

(технология транзисторов Intel 3D)

Строго говоря, под транзисторами понимаются все отдельные элементы на основе полупроводниковых материалов, включая диоды, транзисторы, полевые транзисторы, тиристоры и т. Д., Изготовленные из различных полупроводниковых материалов. Транзисторы в основном относятся к кристаллическим триодам.

Транзисторы

делятся на две основные категории: биполярные транзисторы (BJT ) и полевые транзисторы (FET) .

Структура транзистора

Транзистор имеет три полюса: три полюса биполярного транзистора состоят из N-типа и P-типа соответственно: эмиттер , база и коллектор ; Три полюса полевого транзистора : исток , затвор, сток .

Из-за трех полярностей транзистора их также можно использовать тремя способами: заземленный эмиттер (также называемый общим усилителем излучения / конфигурацией CE), заземленная база (также называемая конфигурацией усилителя общей базы / CB) и заземленный коллектор (также называется общим набором усилителя / конфигурации CC / эмиттерного соединителя).

---

II Разработка транзисторов

В декабре 1947 года группа компаний Belle Labs, Shockley, Barding и Bratton разработала германиевый транзистор с точечным контактом, появление которого было главным изобретением 20 века и предшественником Революция в микроэлектронике. С появлением транзисторов люди смогли использовать небольшое электронное устройство с низким энергопотреблением вместо трубки с большим объемом и большим энергопотреблением. Изобретение транзистора послужило толчком к рождению интегральной схемы.

В начале 1910-х годов в системах связи начали использовать полупроводники. В начале 1910-х годов в системах связи начали использовать полупроводники. В первой половине 20 века рудные радиоприемники были широко популярны среди радиолюбителей. Они используются для обнаружения с помощью таких полупроводников. Электрические свойства полупроводников также применяются в телефонных системах.

В феврале 1939 года лаборатория Белла делает великое открытие — кремниевый PN переход.В 1942 году студент по имени Сеймур Бензер из исследовательской группы Университета Пердью под руководством Ларка Горовица обнаружил, что монокристаллы германия обладают превосходными выпрямляющими свойствами, которых нет у других полупроводников. Эти два открытия соответствовали требованиям правительства США и заложили основу для последующего изобретения транзисторов.

• 2.2 Точечно-контактные транзисторы

В 1945 году точечный транзистор, изобретенный Шокли и другими учеными, стал предвестником революции в области микроэлектроники человека.По этой причине Шокли подал заявку на патент на первый транзистор для Bell. Наконец, он получил разрешение на первый патент на транзистор.

• 2.3 Биполярные и униполярные транзисторы

В 1952 году Шокли предложил концепцию униполярного переходного транзистора на основе биполярного транзистора в 1952 году, который сегодня называется переходным транзистором. Его структура аналогична структуре биполярного транзистора PNP или NPN , но на границе раздела материала PN имеется обедненный слой, который образует выпрямительный контакт между затвором и проводящим каналом исток-сток.В то же время полупроводник на обоих концах используется в качестве затвора. Ток между истоком и стоком регулируется затвором.

Подробное описание того, как работает биполярный переходной транзистор NPN и что он делает

Fairy Semiconductor, производящая транзисторы, выросла из компании, состоящей из нескольких человек, в большую компанию с 12 000 сотрудников.

После изобретения кремниевых транзисторов в 1954 году большие перспективы применения транзисторов становились все более очевидными.Следующая цель ученых — еще более эффективно соединять транзисторы, провода и другие устройства.

• 2.6 Полевой транзистор (FET) и МОП-транзистор

В 1962 году Стэнли, Хейман и Хофштейн, которые работали в исследовательской группе интеграции устройств RCA, обнаружили, что транзисторы, МОП-транзисторы, могут быть сконструированы путем диффузии и термического окисления проводящих полос, каналов с высоким сопротивлением и оксидных изоляторов на подложках Si.

В начале основания Intel компания все еще фокусировалась на планках памяти.Хофф объединил все функции центрального процессора на одном чипе, а также память. И это первый в мире микропроцессор —- 4004 (1971 г.). Рождение 4004 года знаменует начало целой эпохи. С тех пор Intel стала неконтролируемой и доминирующей в области исследований микропроцессоров.

В 1989 году Intel представила 80486 процессоров. В 1993 году Intel разработала новое поколение процессоров. А в 1995 году Intel выпустила Pentium_Pro. Процессор Pentium II выпущен в 1997 году. В 1999 году выпущен процессор Pentium III, а процессор Pentium 4 выпущен в 2000 году.

III Классификация транзистора

• 3.1 Как классифицировать транзистор

> Материал, используемый в транзисторе

В зависимости от полупроводниковых материалов, используемых в транзисторе, его можно разделить на кремниевый транзистор и германиевый транзистор. По полярности транзистора его можно разделить на германиевый NPN-транзистор , германиевый PNP-транзистор , кремниевый NPN-транзистор и кремниевый PNP-транзистор.

> Технологии

По своей структуре и процессу изготовления транзисторы можно разделить на диффузионные транзисторы, транзисторы из сплава и планарные транзисторы.

> Текущая мощность

По допустимой нагрузке транзисторы можно разделить на транзисторы малой мощности, транзисторы средней мощности и транзисторы большой мощности.

> Рабочая частота

По рабочей частоте транзисторы можно разделить на низкочастотные транзисторы, высокочастотные транзисторы и сверхвысокочастотные транзисторы.

> Структура пакета

В соответствии со структурой упаковки транзисторы можно разделить на транзисторы с металлической упаковкой, транзисторы с пластиковой упаковкой, транзисторы с корпусом со стеклянной оболочкой, транзисторы с поверхностной упаковкой и транзисторы с керамической упаковкой и т. Д.

> Функции и использование

В зависимости от функций и использования транзисторы можно разделить на малошумящие транзисторы усилителя, транзисторы усилителя средней и высокой частоты, переключающие транзисторы, транзисторы Дарлингтона, транзисторы с высоким обратным напряжением, транзисторы с ограничением полосы пропускания, демпфирующие транзисторы, микроволновые транзисторы, оптические транзисторы и магнитный транзистор и многие другие типы.

• 3.2 Типы транзисторов и их характеристики

> Гигантский транзистор (GTR)

GTR — это высоковольтный сильноточный биполярный транзистор (BJT), поэтому его иногда называют мощным BJT.

Особенности: Высокое напряжение, высокий ток, хорошие характеристики переключения, высокая мощность привода, но схема управления сложна; Принцип работы ОТО и обычных биполярных транзисторов одинаков.

> Фототранзистор

Фототранзисторы — это оптоэлектронные устройства, состоящие из биполярных транзисторов или полевых транзисторов. Свет поглощается в активной области таких устройств, производя фотогенерируемые носители, которые проходят через внутренний механизм электрического усиления и генерируют усиление фототока. Фототранзисторы работают на трех концах, поэтому легко реализовать электронное управление или электрическую синхронизацию.

Материалом, используемым в фототранзисторах, обычно является GaAs, который в основном делится на биполярные фототранзисторы, полевые фототранзисторы и связанные с ними устройства.Биполярные фототранзисторы обычно имеют высокое усиление, но не слишком быстрое. Для GaAs-GaAlAs коэффициент увеличения может быть больше 1000, время отклика больше наносекунды, что часто используется в качестве фотодетектора и оптического усиления.

Фототранзисторы с полевым эффектом (FET) реагируют быстро (около 50 пикосекунд), но недостатком является то, что светочувствительная область и коэффициент усиления малы, что часто используется в качестве сверхвысокоскоростного фотодетектора. Есть много других связанных планарных оптоэлектронных устройств, отличительными чертами которых являются высокая скорость отклика (время отклика составляет десятки пикосекунд) и которые подходят для интеграции.Ожидается, что такие устройства будут применяться в оптоэлектронной интеграции.

> Биполярный транзистор

Биполярный транзистор — это разновидность транзистора, обычно используемого в аудиосхемах. Биполярность возникает в результате протекания тока в двух типах полупроводниковых материалов. Биполярные транзисторы можно разделить на тип NPN или тип PNP в зависимости от полярности рабочего напряжения.

> Биполярный переходной транзистор (BJT)

«Биполярный» означает, что электроны и дырки движутся одновременно с работой.Биполярный переходный транзистор, также известный как полупроводниковый триод, представляет собой устройство, которое объединяет два PN перехода посредством определенного процесса. Есть две комбинированные структуры PNP и NPN. Внешнее выявление трех полюсов: коллектора, эмиттера и базы. BJT имеет функцию усиления, которая в зависимости от его эмиттерного тока может передаваться через область базы в область коллектора.

Чтобы обеспечить этот процесс транспортировки, с одной стороны, должны быть выполнены внутренние условия.Это означает, что концентрация примеси в области излучения должна быть намного больше концентрации примеси в базовой области, а толщина базовой области должна быть очень малой. С другой стороны, должны выполняться внешние условия. Это означает, что эмиссионный переход должен иметь положительное смещение (плюс положительное напряжение), а коллекторный переход должен иметь обратное смещение. Есть много видов BJT, в зависимости от частоты, есть высокочастотные и низкочастотные лампы; по мощности бывают лампы малой, средней и большой мощности; по материалу полупроводника бывают кремниевые и германиевые трубки и т. д.Схема усилителя состоит из общего эмиттера, общей базы и общего коллектора.

БЮТ

> Полевой транзистор (FET)

Значение «полевого эффекта» заключается в том, что принцип работы транзистора основан на эффекте электрического поля полупроводника.

Полевые транзисторы — это транзисторы, работающие по принципу полевых эффектов. Существует два основных типа полевых транзисторов: полевые транзисторы (JFET) и металл-оксидные полупроводниковые полевые транзисторы (MOS-FET).В отличие от BJT, полевой транзистор состоит только из одной несущей, поэтому его также называют униполярным транзистором. Он относится к полупроводниковым устройствам с регулируемым напряжением, которые обладают такими преимуществами, как высокое входное сопротивление, низкий уровень шума, низкое энергопотребление, широкий динамический диапазон, простая интеграция, отсутствие вторичного пробоя, широкая безопасная рабочая зона и т. Д.

Эффект поля заключается в изменении направления или величины электрического поля, перпендикулярного поверхности полупроводника, для управления плотностью или типом большинства носителей в полупроводниковом проводящем слое (канале).Ток в канале модулируется напряжением, и рабочий ток переносится большинством носителей в полупроводнике. По сравнению с биполярными транзисторами, полевые транзисторы характеризуются высоким входным сопротивлением, низким уровнем шума, высокой предельной частотой, низким энергопотреблением, простым производственным процессом и хорошими температурными характеристиками, которые широко используются в различных усилителях, цифровых схемах, микроволновых схемах и т. Д. Металлические полевые МОП-транзисторы. Полевые транзисторы на основе кремния и барьера Шоттки (MESFET) на основе GaAs являются двумя наиболее важными полевыми транзисторами.Они являются основными устройствами крупномасштабной интегральной схемы MOS и сверхбыстрой интегральной схемы MES соответственно.

полевой транзистор

> Одноэлектронный транзистор

Одноэлектронный транзистор — это транзистор, который может записывать сигнал с одним или небольшим количеством электронов. С развитием технологии травления полупроводников интеграция крупномасштабных интегральных схем становится все выше и выше. Возьмем, к примеру, динамическую память с произвольным доступом (DRAM), ее интеграция растет почти в четыре раза каждые два года, и ожидается, что одноэлектронный транзистор станет конечной целью.

В настоящее время средняя память содержит 200 000 электронов, в то время как одноэлектронный транзистор содержит только один или несколько электронов, поэтому это значительно снизит энергопотребление и улучшит интеграцию интегральных схем. В 1989 г. Ф. Скотт-Томас и другие исследователи открыли феномен кулоновской блокировки. Когда приложено напряжение, через квантовую точку не будет проходить ток, если изменение количества электрического заряда в квантовой точке меньше одного электрона.

Таким образом, отношение тока к напряжению — это не нормальная линейная зависимость, а ступенчатая. В этом эксперименте впервые в истории управление движением электрона осуществляется вручную, что обеспечивает экспериментальную основу для изготовления одноэлектронного транзистора.

> Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

Биполярный транзистор

с изолированным затвором сочетает в себе преимущества гигантских транзисторов GTR и силовых полевых МОП-транзисторов.Обладает хорошими свойствами и широким спектром применения. IGBT также является трехполюсным устройством: затвором, коллектором и эмиттером.

IV Основные параметры транзисторов

Основные параметры транзистора включают коэффициент усиления тока, мощность рассеяния, характеристическую частоту, максимальный ток коллектора, максимальное обратное напряжение, обратный ток и так далее.

• 4.1 Коэффициент усиления постоянного тока

Коэффициент усиления постоянного тока, также называемый коэффициентом усиления статического тока или коэффициентом усиления постоянного тока, относится к отношению IC тока коллектора транзистора к базовому току IB, которое обычно выражается через hFE или β, когда вход статического сигнала не изменяется. .

• 4.2 Коэффициент усиления переменного тока

Коэффициент усиления переменного тока, также называемый коэффициентом усиления переменного тока и коэффициентом усиления динамического тока, относится к отношению IC к IB в состоянии переменного тока, которое обычно выражается через hFE или β. HFE и β тесно связаны, но также различны. Эти два параметра близки на низкой частоте и имеют некоторые различия на высокой частоте.

Мощность рассеивания, также известная как максимально допустимая мощность рассеивания коллектора —- PCM, относится к максимальной мощности рассеивания коллектора, когда параметр транзистора не превышает заданное допустимое значение.

Рассеиваемая мощность тесно связана с максимально допустимым переходным и коллекторным током транзистора. Фактическая потребляемая мощность транзистора не должна превышать значение PCM при его использовании, в противном случае транзистор будет поврежден из-за перегрузки.

Транзистор, мощность рассеяния PCM которого меньше 1 Вт, обычно называют транзистором малой мощности, который равен или превышает 1 Вт. Транзистор мощностью менее 5 Вт называется транзистором средней мощности, а транзистор, чей ИКМ равен или превышает 5 Вт, называется транзистором высокой мощности.

• 4.4 Характеристическая частота (fT)

Когда рабочая частота транзистора превышает частоту среза fβ или fα, коэффициент усиления тока β будет уменьшаться с увеличением частоты. Характерная частота — это частота транзистора, при которой значение β уменьшается до 1.

Транзисторы, характеристическая частота которых меньше или равна 3 МГц, обычно называют низкочастотными транзисторами.Транзисторы с fT больше или равным 30 МГц называются высокочастотными транзисторами. Транзисторы с fT более 3 МГц и транзисторы менее 30 МГц называются транзисторами промежуточной частоты.

• 4,5 Максимальная частота (фМ)

Максимальная частота колебаний — это частота, при которой коэффициент усиления транзистора уменьшается до 1.

В общем, максимальная частота колебаний высокочастотных транзисторов ниже, чем общая базовая частота среза fα, в то время как характеристическая частота fT выше, чем общая базовая частота среза fα, и ниже, чем частота среза общего коллектора fβ.

• 4,6 Максимальный ток коллектора (ICM)

Максимальный ток коллектора (ICM) — это максимально допустимый ток через коллектор транзистора. Когда ток коллектора IC транзистора превышает ICM, значение β транзистора, очевидно, изменится, что повлияет на его нормальную работу и даже вызовет повреждение.

• 4,7 Максимальное обратное напряжение

Максимальное обратное напряжение — это максимальное рабочее напряжение, которое транзистор может применять во время работы.Оно включает в себя обратное напряжение пробоя коллектор-эмиттер, обратное напряжение пробоя коллектор-база и обратное напряжение пробоя эмиттер-база.

> Напряжение обратного пробоя коллектор-коллектор

Это напряжение относится к максимально допустимому обратному напряжению между коллектором и эмиттером, когда цепь базы транзистора разомкнута, обычно выражается в VCEO или BVCEO.

> Обратное напряжение пробоя база — база

Напряжение относится к максимально допустимому обратному напряжению между коллектором и базой при срабатывании транзистора, которое выражается в VCBO или BVCBO.

> Обратное напряжение пробоя эмиттер-эмиттер

Это напряжение относится к максимально допустимому обратному напряжению между эмиттером и базой, когда коллектор транзистора открыт, которое выражается в VEBO или BVEBO.

> Коллектор — база обратного тока (ICBO)

ICBO, также называемый током обратной утечки коллектора, относится к обратному току между коллектором и базовым электродом, когда эмиттер транзистора открыт.Обратный ток чувствителен к температуре. Чем меньше значение, тем лучше температурная характеристика транзистора.

> Ток обратного пробоя коллектор — эмиттер (ICEO)

Обратный ток пробоя ICEO между коллектором и эмиттером

ICEO — обратный ток утечки между коллектором и эмиттером при открытой базе транзистора. Чем меньше ток, тем лучше производительность транзистора.

Часто задаваемые вопросы о транзисторе, его функциях и характеристиках

1. Что такое транзистор и как он работает?
Транзистор — это миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две разные задачи. Он может работать либо как усилитель, либо как переключатель: … Крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может вызвать гораздо больший ток через другую его часть. Другими словами, малый ток включает больший.

2. Каковы основные функции транзистора?
Транзистор — это полупроводниковое устройство, используемое для усиления или переключения электронных сигналов и электроэнергии. Транзисторы — один из основных строительных блоков современной электроники. Он состоит из полупроводникового материала, как правило, с тремя выводами для подключения к внешней цепи.

3. Каков принцип работы транзистора?
Транзистор состоит из двух PN-диодов, соединенных спина к спине.Он имеет три вывода: эмиттер, базу и коллектор. Основная идея транзистора заключается в том, что он позволяет вам управлять потоком тока через один канал, изменяя интенсивность гораздо меньшего тока, протекающего через второй канал.

4. Какие два основных типа транзисторов?
Транзисторы в основном делятся на два типа; это биполярные переходные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET). BJT снова подразделяются на транзисторы NPN и PNP.

5. Сколько существует типов транзисторов?
два типа
Есть два типа транзисторов, которые имеют небольшие различия в том, как они используются в схеме. Биполярный транзистор имеет клеммы, обозначенные как база, коллектор и эмиттер.

6. Что такое транзисторы PNP и NPN?
В транзисторе NPN положительное напряжение подается на вывод коллектора для создания тока, протекающего от коллектора к эмиттеру.В транзисторе PNP положительное напряжение подается на вывод эмиттера для создания тока, протекающего от эмиттера к коллектору.

7. Как измеряются характеристики транзисторов?
Выходная характеристика транзистора определяется путем исследования изменения напряжения между выводами коллектор-эмиттер, принадлежащих току коллектора, для разных токов базы. Эксперимент запускается нажатием кнопки «Выходная характеристика» на мобильном устройстве.

8. Что такое транзистор в процессоре?
Транзистор — это основной электрический компонент, который изменяет поток электрического тока. Транзисторы — это строительные блоки интегральных схем, таких как компьютерные процессоры или ЦП. Транзисторы в компьютерных процессорах часто включают или выключают сигналы.

9. Для чего нужен NPN-транзистор?
Определение: Транзистор, в котором один материал p-типа помещен между двумя материалами n-типа, известен как NPN-транзистор.Транзистор NPN усиливает слабый сигнал, поступающий на базу, и производит сильные сигналы усиления на конце коллектора.

10. Для чего используются транзисторы в мобильном телефоне?
Они хранят электрический заряд. Они хранят данные. Они усиливают входящий сигнал телефона.

---

Книжное предложение

Этот весьма успешный учебник, тщательно отредактированный и обновленный, знакомит студентов с анализом и проектированием транзисторных схем.Он охватывает широкий спектр схем, как линейных, так и переключающих. Методы транзисторных схем: дискретные и интегральные дает студентам обзор основных качественных операций схемы с последующим изучением процедуры анализа и проектирования. Он включает в себя решенные задачи и примеры дизайна, чтобы проиллюстрировать концепции. Это третье издание включает две дополнительные главы об усилителях мощности и источниках питания, которые развивают многие методы проектирования схем, представленные в предыдущих главах.Эта книга, входящая в серию «Руководства по электронной инженерии», предназначена для студентов первого и второго курсов бакалавриата. Сам по себе полный текст, он предлагает дополнительное преимущество в виде перекрестных ссылок на другие заголовки в серии. Это идеальный учебник как для студентов, так и для преподавателей.

— Гордон Дж. Ричи

Создавайте сложные транзисторные радиоприемники, которые недороги, но очень эффективны. Создайте свои собственные транзисторные радиоприемники: «Руководство по высокопроизводительным и маломощным радиосхемам для любителей» предлагает полные проекты с подробными схемами и идеями о том, как были разработаны радиоприемники.Узнайте, как выбирать компоненты, создавать различные типы радиомодулей и устранять неполадки в своей работе. Если копнуть глубже, этот практический ресурс покажет вам, как разрабатывать инновационные устройства, экспериментируя с существующими конструкциями и радикально улучшая их.

— Рональд Куан

---

Актуальная информация по теме «Что такое транзистор, его функции и характеристики»

О статье «Что такое транзистор, его функция и характеристики», Если у вас есть лучшие идеи, не стесняйтесь писать свои мысли в следующей области комментариев.Вы также можете найти больше статей об электронных полупроводниках через поисковую систему Google или обратиться к следующим связанным статьям.

Альтернативные модели

Часть	Сравнить	Производители	Категория	Описание
Производитель.Номер детали: SK14-13-F	Сравнить: B140HB-13-F VS SK14-13-F	Производители: Диоды	Категория: TVS диоды	Описание: Диод Шоттки 40V 1A 2Pin SMB T / R
Производитель.Номер детали: B160-13-F	Сравнить: Текущая часть	Производители: Диоды	Категория: Диоды Шоттки	Описание: Диод Шоттки 60V 1A 2Pin SMA T / R
Производитель.Номер детали: B160B-13-F	Сравнить: B160-13-F VS B160B-13-F	Производители: Диоды	Категория: TVS диоды	Описание: Диод Шоттки 60V 1A 2Pin SMB
Производитель.Номер детали: B160-13	Сравнить: B160-13-F VS B160-13	Производители: Диоды	Категория: TVS диоды	Описание: Диод Шоттки 60V 1A Automotive 2Pin SMA T / R

что такое транзисторы? зачем это нужно в электротехнических конструкциях.

Что такое транзисторы?

Транзистор — это электронный компонент, который используется для переключения и для усиления электрических сигналов. Транзисторы коренным образом изменили мир до того, как стали использоваться транзисторные электронные лампы. Эти лампы были не только громоздкими, но и потребляли много энергии, что приводило к снижению эффективности всей системы.

С другой стороны, транзисторы очень компактны по размеру, и потребляют на меньше энергии, чем , чем электронная лампа.Современные транзисторы имеют размер в нанометрах, а на сигнальном чипе их миллиарды. Транзисторы могут действовать как переключатель без движущихся частей; также они могут усиливать слабый сигнал. Давайте теперь обсудим основы транзисторов.

Легирование транзисторов

Современные транзисторы состоят из полупроводников, таких как кремний. В случае кремния каждый из атомов связан с четырьмя соседними атомами кремния. Во внешней оболочке для проводимости электричества нет свободных атомов.Таким образом, атом фосфора вводится между этими атомами кремния, который создает свободный электрон в системе, и этот процесс известен как N-тип легирование . Другим типом легирования является легирование P-типа , в котором создается / вводится свободная дырка для движения электронов. Легирование увеличивает проводимость полупроводника.

Есть три вывода транзистора

• База: База транзистора расположена в середине транзистора.Основание очень тонкое и всегда слегка легированное . Он образует две диодные цепи с эмиттером и коллектором. Контролируя величину тока в базе-эмиттере, вы можете управлять током на конце коллектора. Это основной принцип использования транзисторов в качестве переключателя.

• Эмиттер: Эмиттер действует как отрицательный конец транзистора. Это высоколегированная секция с средней шириной . Этот раздел всегда настроен как прямое смещение.

• Коллектор: Коллектор служит положительным концом транзистора. Эта секция представляет собой с умеренным легированием и имеет наибольшую ширину среди всех трех секций. Большая длина этой секции позволяет собирать большую часть носителя заряда, который подается эмиттером транзистора.

Типы транзисторов

В основном существует два типа транзисторов

• Биполярный транзистор (BJT)
• Полевой транзистор (FET)

Оба из них имеют свои собственные функции с определенными плюсами и минусами.В BJT небольшая величина базового тока отвечает за управление большим током на конце коллектора. В полевых транзисторах также есть три терминала: затвор, исток и сток. Для этих типов транзисторов напряжение на затворе управляет потоком тока через исток и сток.

Теперь давайте подробно обсудим работу обоих этих транзисторов.

• Биполярный переходный транзистор: Биполярные транзисторы являются наиболее распространенным типом транзисторов и присутствуют почти в каждом электронном устройстве.Он состоит из трех легированных областей , названных базой, эмиттером и коллектором. Эти транзисторы далее делятся на две части
• Транзисторы N-P-N
• Транзисторы P-N-P

В транзисторах N-P-N легированный полупроводник P-типа помещается между двумя легированными полупроводниками N-типа и наоборот. В транзисторах N-P-N электронов являются основным носителем заряда , в то время как в транзисторах P-N-P , отверстий являются основным носителем заряда .В транзисторах PNP направление тока от эмиттера к коллектору и противоположно для транзистора NPN. BJT — это транзисторы , управляющие током, с низким входным сопротивлением , , которые позволяют протекать через транзистор массивным током. Эти транзисторы работают в трех режимах / областях

• Область отсечки
• Активная область
• Область насыщения

Для области отсечки транзистор остается в состоянии «ВЫКЛ».Чтобы использовать транзистор в качестве усилителя , мы задействуем его в активной области. А в области насыщения транзистор работает как переключатель .

На рисунке выше представлены транзисторы NPN и PNP. Стрелка показывает направление обычного тока через транзистор.

Смещение в BJT

Одним из наиболее распространенных применений BJT является его использование в качестве усилителя. Если вы применяете изменяющийся во времени сигнал в качестве входа, то он производит усиленный сигнал на выходе.Это усиление осуществляется за счет энергии, поступающей от источника постоянного тока. Этот процесс применения источника напряжения постоянного тока , , который помогает транзистору функционировать, известен как смещение .

Это обычно используемые методы смещения в BJT

• Смещение базового резистора или смещение тока
• Смещение обратной связи
• Смещение делителя напряжения
• Двойное смещение базы

Полевой транзистор

Полевые транзисторы также имеют три основных вывода, названных затвором , стоком , и истоком .В отличие от биполярных транзисторов, эти транзисторы представляют собой управляемые по напряжению устройства с очень высоким входным сопротивлением . Полное сопротивление колеблется от нескольких мегаом до гораздо больших значений, что позволяет минимальному количеству тока проходить через них. Эти транзисторы используют электрическое поле для управления потоком тока через исток в сток.

На рисунке выше представлен полевой транзистор N-типа. Если стрелка направлена ​​наружу, она представляет полевой транзистор P-типа.Напряжение , подаваемое на вывод затвора , управляет потоком тока от источника к стоку . Благодаря высокому значению импеданса , эти транзисторы потребляют очень маленькую величину тока от схемы, что идеально, поскольку не нарушает мощность схемы. Далее полевые транзисторы делятся на две основные категории, а именно JFET и IG-FET. MOSFET, также известный как Metal Oxide Semiconductor FET, является наиболее распространенным типом IG-FET.

Полевые транзисторы

идеально подходят для таких приложений, как ограничители тока , чтобы ограничить чрезмерный ток от достижения нагрузочного устройства. Помимо этого, полевые транзисторы также используются в качестве мультиплексоров , прерывателей , и фазовых осцилляторов сдвига . Для усиления больше подходят целевые биполярные транзисторы, но для малошумящих усилителей более желательны полевые транзисторы . Вдобавок ко всему, полевые транзисторы занимают на меньше места на , чем биполярные транзисторы, поэтому большинство электрических компонентов используют полевые транзисторы в интегральных схемах.Еще одно важное различие между биполярными транзисторами и полевыми транзисторами состоит в том, что биполярные транзисторы являются биполярными, и полевые транзисторы представляют собой униполярные устройства и . Это означает, что полевые транзисторы в своей работе полагаются либо на дырки, либо на электроны, в то время как BJT полагаются на оба.