Транзистор устройство. Транзистор: устройство, принцип работы и применение в современной электронике

Что такое транзистор и как он работает. Какие бывают виды транзисторов. Где применяются транзисторы в современной электронике. Какие преимущества у транзисторов перед электронными лампами. Как развивались транзисторные технологии.

Что такое транзистор и принцип его работы

Транзистор — это полупроводниковый прибор, который может усиливать и переключать электрические сигналы. Он является основным активным элементом современной электроники. Принцип работы транзистора основан на управлении потоком носителей заряда в полупроводнике с помощью электрического поля.

Типичный транзистор имеет три вывода:

• Эмиттер (исток) — служит источником носителей заряда
• Коллектор (сток) — принимает носители заряда
• База (затвор) — управляющий электрод

Подавая напряжение на базу (затвор), можно управлять током, протекающим между эмиттером и коллектором. Это позволяет использовать транзистор для усиления сигналов и создания электронных переключателей.

Основные виды транзисторов

Существует два основных типа транзисторов:

Биполярные транзисторы

В биполярных транзисторах ток управляется инжекцией неосновных носителей заряда. Они бывают двух видов:

• n-p-n транзисторы
• p-n-p транзисторы

Полевые транзисторы

В полевых транзисторах ток управляется электрическим полем. Основные виды:

• МОП-транзисторы (металл-оксид-полупроводник)
• Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Полевые транзисторы более экономичны по энергопотреблению и проще в изготовлении, поэтому чаще используются в современной микроэлектронике.

История создания и развития транзисторов

Транзистор был изобретен в 1947-1948 годах американскими физиками Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли в Bell Labs. Это изобретение произвело революцию в электронике и привело к созданию интегральных микросхем.

Ключевые этапы развития транзисторных технологий:

• 1947 г. — создание первого точечного транзистора
• 1948 г. — разработка биполярного плоскостного транзистора
• 1960 г. — появление МОП-транзисторов
• 1970-е гг. — начало массового производства интегральных схем на основе МОП-транзисторов
• 2000-е гг. — разработка транзисторов с каналом из графена и углеродных нанотрубок

Развитие транзисторных технологий привело к экспоненциальному росту вычислительных возможностей электронных устройств при одновременном уменьшении их размеров и энергопотребления.

Преимущества транзисторов перед электронными лампами

Транзисторы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с электронными лампами, которые они заменили:

• Меньшие размеры и вес
• Более низкое энергопотребление
• Отсутствие необходимости в нагреве катода
• Более высокая надежность и долговечность
• Возможность работы при низких напряжениях
• Устойчивость к механическим воздействиям
• Возможность массового производства методами микроэлектроники

Эти преимущества сделали возможной миниатюризацию электронных устройств и привели к появлению портативной электроники.

Применение транзисторов в современной электронике

Сегодня транзисторы являются основой практически всех электронных устройств. Основные области их применения:

• Микропроцессоры и микроконтроллеры
• Микросхемы памяти
• Усилители звуковых и радиочастотных сигналов
• Источники питания
• Преобразователи напряжения
• Схемы управления двигателями
• Датчики и сенсоры

В современных интегральных микросхемах на одном кристалле могут размещаться миллиарды транзисторов. Это позволяет создавать сложные электронные системы с высокой степенью интеграции.

Как работает биполярный транзистор

Биполярный транзистор состоит из трех областей полупроводника с чередующимся типом проводимости. Рассмотрим принцип работы n-p-n транзистора:

1. При подаче положительного напряжения на базу относительно эмиттера открывается p-n переход база-эмиттер.
2. Электроны из эмиттера инжектируются в базу.
3. Большая часть электронов проходит через тонкую базу и попадает в коллектор под действием электрического поля коллекторного перехода.
4. Небольшой ток базы управляет значительно большим током коллектора, что обеспечивает усиление сигнала.

Коэффициент усиления биполярного транзистора по току может достигать нескольких сотен. Это позволяет создавать эффективные усилители на их основе.

Принцип работы полевого транзистора

Полевой транзистор управляет током с помощью электрического поля. Рассмотрим работу МОП-транзистора с каналом n-типа:

1. Между истоком и стоком формируется канал n-типа.
2. При подаче положительного напряжения на затвор в канале накапливаются электроны.
3. Чем выше напряжение на затворе, тем больше электронов в канале и выше его проводимость.
4. Изменяя напряжение на затворе, можно управлять током между истоком и стоком.

Входное сопротивление полевого транзистора очень велико, поэтому он почти не потребляет ток от источника входного сигнала. Это делает полевые транзисторы идеальными для применения в цифровых схемах.

Транзисторы в цифровой электронике

В цифровых схемах транзисторы работают в ключевом режиме — полностью открыты или закрыты. Это позволяет реализовать двоичную логику, где «0» соответствует закрытому состоянию транзистора, а «1» — открытому.

На основе транзисторных ключей строятся базовые логические элементы:

• Инвертор
• Элемент И-НЕ
• Элемент ИЛИ-НЕ

Из этих элементов можно построить любые цифровые схемы — от простых триггеров до сложных процессоров. Современные процессоры содержат миллиарды транзисторов, работающих как цифровые ключи.

Биполярный транзистор. Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Лекция 8

Похожие презентации:

Транзистор. Устройство биполярных транзисторов

Транзисторы. Принцип действия, классификация, области применения

Образование электронно-дырочного перехода. Лекция 6

Устройство и принцип действия транзистора

Биполярные транзисторы. Устройство, классификация и принцип действия

Транзисторы. (Лекция 6)

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы

Транзисторы. Классификация транзисторов

Биполярные транзисторы

Лекция №8
Биполярный транзистор. Устройство и
принцип действия биполярного
транзистора. Способы включения и ВАХ
биполярного транзистора.
Bipolar transistor. Device and principle of
operation of a bipolar transistor. Methods
for switching on and VAC of a bipolar
transistor.
• Биполярные были разработаны в 1948 г. американскими

учеными Бардиным, Шокле, Браттеном.
• Транзистор – это электронный прибор с двумя
взаимодействующими р-n переходами и с тремя выводами.
Они были разработаны с тремя выводами: эмиттер, база,
коллектор.
• Bipolar transistors were developed in 1948 by the American
scientists Bardin, Shokle, Bratten.
• A transistor is an electronic device with two interacting p-n
junctions and three terminals. They were developed by three
conclusions: emitter, base, collector.
2
Биполярный
транзистор
–
трехполюсный
полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами. Он
состоит из чередующихся областей полупроводника, имеющих
электропроводность различных типов.
Bipolar transistor is a three-pole semiconductor device with
two p-n-junctions. It consists of alternating regions of a
semiconductor having electrical conductivity of various types.
3
В зависимости от последовательности
чередования n- и p-областей различают
транзисторы n–p–n- и p–n–p-типов.
Depending on the sequence of alternation
of n — and p-regions distinguish transistors n-pn — and p-n-p-types.
Центральная
область
транзистора,
называемая базой (Б), заключена между
коллектором (К) и эмиттером (Э).
The central region of the transistor called
by base (B) is concluded between a collector
(K) and the emitter (E).
4
Каждый из p-n-переходов транзистора может быть смещен либо в
прямом, либо в обратном направлениях. В зависимости от этого
различают четыре режима работы транзистора:
Each of the p-n transitions of the transistor can be shifted either in the forward
or reverse directions. Depending on this, there are four modes of operation of the
transistor:
1
• Активный (усиления) режим. Эмиттерный переход смещен в
прямом направлении, а коллекторный – в обратном.
• Active (gain) mode. The emitter junction is shifted in the forward
direction, and the collector – in the opposite.
2
• Режим отсечки. Оба перехода смещены в обратном направлении.
• Cut-off mode. Both transitions are offset in the opposite direction.
3
• Режим насыщения. Оба перехода смещены в прямом направлении
• Saturation mode. Both transitions are offset in the forward direction.
4
• Инверсный режим. Эмиттерный переход смещён в обратном
направлении, а коллекторный – в прямом.
• The inverse mode. The emitter junction is shifted in the opposite
direction, and the collector – in the forward direction.
5

6. Принцип работы биполярного транзистора The principle of operation of a bipolar transistor

Полный ток коллектора:
Full header current:
I К I Э I К 0
Во многих случаях IЭ >> IК0, и можно считать, что ток коллектора
определяется выражением. Разность между эмиттерным и коллекторным
токами в соответствии с первым законом Кирхгофа представляет собой
ток базы:
In many cases IE >> IC0, and it can be assumed that the collector current
is determined by the expression. The difference between the emitter and
collector currents in accordance with the first Kirchhoff law is the current
base:
IБ IЭ IК
IБ
IК
IК
1
IК
6

Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны
соотношениями:
Currents of the transistor operating in the active mode are
connected by relations:
I э Iк Iб
I к I э
Iк
1
I б I б
7
• При чрезмерном коллекторном токе может возникать
тепловой пробой без предварительного электрического
пробоя, то есть без повышения напряжения на коллекторном
переходе до пробивного. Это явление, связанное с
перегревом коллекторного перехода в какой-то его части,
называется вторичным пробоем.
• With excessive collector current, thermal breakdown can
occur without preliminary electrical breakdown, that is, without
increasing the voltage at the collector junction to the breakdown.
This phenomenon, associated with overheating of the collector
junction in some part of it, is called a secondary breakdown.
8
• Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном
переходах сопровождается изменением толщины этих переходов.
В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют
модуляцией толщины базы.
• При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания
(«прокол» базы) – соединение коллекторного перехода с
эмиттерным. В этом случае область базы исчезает, и транзистор
перестает нормально работать.
• The change in the voltages at the collector and emitter junctions is
accompanied by a change in the thickness of these transitions. As a
result, the thickness of the base changes. This phenomenon is called
the modulation of the thickness of the base.
• With a very thin base, the effect of closing («puncturing» the base)
— the connection of the collector junction with the emitter one — can
occur. In this case, the base area disappears, and the transistor stops
working normally.
9

10. Схемы включения Switching circuits

Различают три возможные схемы включения: с общей
базой, общим эмиттером, общим коллектором.
There are three possible schemes of inclusion: with a common
base, a common emitter, a common collector.
10
Общая база
Common base
Общий эмиттер
Common emitter
Общий коллектор
Common collector
11

12. Схема с общей базой (ОБ) The scheme with a common base (СВ)

• В этом случае для токов:
• In this case, the currents:
I Вх I э
I Вых I К
I Вх I Вых
12

13. Схема с общим эмиттером (ОЭ) The circuit with common emitter (CE)

I Вых
IЭ
KI
I Вх
IБ
13

14.

Схема с общим коллектором (ОК) The common collector circuit (CC)В данном случае входной сигнал подается на базу транзистора, а выходная
нагрузка находится в цепи эмиттера.
In this case, the input signal is fed to the transistor base, and the output load is in the
emitter circuit.
I Вх I Б
I Вых I Э
14

15. Построение ВАХ транзистора в динамическом режиме The construction of the VAH characteristics of transistor in dynamic mode

Что бы построить входную
динамическую характеристику, нужно
для
каждого
напряжения
на
коллекторе, для которого имеется
статическая входная характеристика,
определить
по
выходной
динамической характеристике ток
базы.
To construct the output dynamic
characteristic, it is necessary for each
voltage on the collector, for which there
is a static input characteristic, to
determine
the
output
dynamic
characteristic current base.
15
Затем на входных статических
характеристиках следует отметить
точки,
которые
соответствуют
найденным значениям токов базы (A′ P′
B′). Соединив эти точки плавной
кривой (штрихпунктирная красная
линия)
получим
входную
динамическую
характеристику
транзистора.
Then
on
the
input
static
characteristics it is necessary to mark the
points that correspond to the found values
of the base currents (A′ P′ B′). By
connecting these points of the smooth
curve (dash-dot red line) we obtain the
input dynamic characteristic of the
transistor.
16
Слово
Транскрипция
Перевод
переход
|ˈdʒʌŋkʃn|
junction
полупроводник
|ˈsemɪkəndʌktər|
semiconductor
проводимость
|kənˈdʌkʃn|
conduction
вольт-амперная
характеристика
|vəʊlt-ˈamˌpɪr
ˌkærəktəˈrɪstɪk|
volt-ampere characteristic
электрон
|ɪˈlektrɑːn|
electron
запирающий слой
|ˈbærɪər ˈleɪər|
barrier layer
область
|fiːld|
field
обратное напряжение
|rɪˈvɜːrs ˈvəʊltɪdʒ|
reverse voltage
прямое напряжение
|ˈfɔːrwərd ˈvəʊltɪdʒ|
forward voltage
дырки
|həʊls|
holes
направление
|ruːt|
route
замыкание
|ˈlɑːkɪŋ|
locking
интегральная микросхема
|ˈɪntɪɡreɪtɪd ˈsɜːrkɪt|
integrated circuit
цепь транзистора
|trænˈzɪstər tʃeɪn|
transistor chain
концентрация
|ˌkɑːnsnˈtreɪʃn|
concentration
17

English     Русский Правила

Полевой транзистор с p – n переходом.

Устройство, принцип действия.

Биполярные транзисторы управляются током, полевые транзисторы управляются напряжением.

Различают следующие типы полевых транзисторов: полевые транзисторы с управляющим p-n переходом; полевые транзисторы с изолированным затвором.

Полевой транзистор с p-n переходом.

Обозначение выводов: С-сток, З-затвор, И-исток

Рис. 44 Полевой транзистор с каналом n типа.

Рис. 45 Полевой транзистор с каналом p типа.

Ток через канал образуется за счет основных носителей. При n-канале — за счет электронов. Управляющей цепью является цепь затвор-исток (З-И). Управляемой цепью является С-И. С помощью Uзи регулируется ширина канала, его проводимость, ток через него. При подаче отрицательного напряжения на затвор в области p-n перехода образуется обедненный слой (как у диода, смещенного в обратном направлении). Чем шире обедненный слой, тем уже канал, по которому могут проходить электроны от истока к стоку, т.к. обедненный слой, лишенный свободных носителей ведет себя как изолятор.

В отличие от биполярного транзистора ток, текущий через полевой транзистор, образуется только основными носителями, поэтому такой транзистор называют униполярным. Он в меньшей степени подвержен влиянию температуры и радиации, т.к. этими факторами определяется концентрация неосновных носителей.

Входные и выходные характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом n-типа

Характеристики полевого транзистора с каналом n-типа приведены на рис.

При Uзи=0 , Iс=Icнач=Imax; при |-Uзи|>|-Uотс|, Iс=0. Здесь Icнач –начальный ток стока; напряжение Uотс называется — напряжение отсечки. Uотс=(0,3…10)В, Iснач=(1…20)мА. Запрещается подавать положительное напряжение на затвор, так как на переходе ЗИ возрастает выделяемая мощность (нагрев). При приложении отрицательного управляющего напряжения обратный ток через ЗИ пренебрежительно мал.

Управление током стока осуществляется путем подачи Uзи со знаком, обратным направлению проводимости p-n перехода.

8. Полевые мдп-транзисторы, их особенности, характеристики. Сравнительная оценка полевых и биполярных транзисторов.

Структура МДП транзистора представлена на рис:

Их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-оксид-полупроводник) транзисторами. У таких транзисторов затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой работы таких транзисторов является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. 

Устройство: Есть подложка из полупроводника с р – проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n – проводимостью (исток и сток)

Между ними пролегает узкая приповерхностная перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.

Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.

А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.

Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.

Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.

Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.

Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе. полевой транзистор переход затвор

Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.

Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:

А) со встроенным каналом n- типа;

Б) со встроенным каналом р- типа;

В) с выводом от подложки;

Г) с индуцированным каналом n- типа;

Д) с индуцированным каналом р- типа;

Е) с выводом от подложки.

Сравнительная оценка полевых и биполярных транзисторов.

Транзистор | Определение и использование

транзистор

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Гордон Мур Уильям Б. Шокли Джон Бардин Уолтер Х. Браттейн Джек Килби

Похожие темы:

тиристор база эмиттер биполярный транзистор комплементарный металл-оксид-полупроводник

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

транзистор , полупроводниковое устройство для усиления, управления и генерации электрических сигналов. Транзисторы являются активными компонентами интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крошечных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. Глубоко встроенные почти во все электронные устройства, транзисторы стали нервными клетками информационного века.

Обычно в транзисторе имеется три электрических вывода, называемых эмиттером, коллектором и базой, или, в современных переключающих устройствах, истоком, стоком и затвором. Электрический сигнал, подаваемый на базу (или затвор), влияет на способность полупроводникового материала проводить электрический ток, который протекает между эмиттером (или истоком) и коллектором (или стоком) в большинстве приложений. Источник напряжения, такой как батарея, управляет током, в то время как скорость тока, протекающего через транзистор в любой момент, регулируется входным сигналом на затворе — так же, как клапан крана используется для регулирования потока воды в саду. шланг.

Первые коммерческие применения транзисторов были для слуховых аппаратов и «карманных» радиоприемников в 1950-х годах. Благодаря своим небольшим размерам и низкому энергопотреблению транзисторы были желанной заменой электронных ламп (известных в Великобритании как «клапаны»), которые тогда использовались для усиления слабых электрических сигналов и воспроизведения звуков. Транзисторы также начали заменять электронные лампы в схемах генератора, используемых для генерации радиосигналов, особенно после того, как были разработаны специализированные конструкции для работы с более высокими частотами и уровнями мощности. Низкочастотные, мощные приложения, такие как инверторы источников питания, которые преобразуют переменный ток (AC) в постоянный ток (DC), также были транзисторными. Некоторые силовые транзисторы теперь могут выдерживать токи в сотни ампер при электрическом напряжении более тысячи вольт.

Наиболее распространенное применение транзисторов сегодня — микросхемы компьютерной памяти, в том числе твердотельные устройства хранения мультимедиа для электронных игр, фотоаппараты и MP3-плееры, а также микропроцессоры, где миллионы компонентов встроены в единую интегральную схему. Здесь напряжение, подаваемое на электрод затвора, обычно несколько вольт или меньше, определяет, может ли ток течь от истока транзистора к его стоку. В этом случае транзистор работает как переключатель: если ток течет, соответствующая цепь включена, а если нет, то она выключена. Эти два различных состояния, единственные возможности в такой схеме, соответствуют соответственно двоичным единицам и нулям, используемым в цифровых компьютерах. Подобные применения транзисторов встречаются в сложных схемах переключения, используемых во всех современных телекоммуникационных системах. Потенциальные скорости переключения этих транзисторов сейчас составляют сотни гигагерц, или более 100 миллиардов циклов включения и выключения в секунду.

Викторина «Британника»

Компьютеры и операционные системы

Разработка транзисторов

Транзистор был изобретен в 1947–1948 годах тремя американскими физиками, Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли, в лабораториях Белла Американской телефонной и телеграфной компании. Транзистор оказался жизнеспособной альтернативой электронной лампе и к концу 1950-х годов вытеснил последнюю во многих приложениях. Его небольшие размеры, низкое тепловыделение, высокая надежность и низкое энергопотребление сделали возможным прорыв в миниатюризации сложных схем. В течение 19В 60-х и 70-х годах транзисторы были включены в интегральные схемы, в которых множество компонентов (например, диоды, резисторы и конденсаторы) формируются на одном «чипе» из полупроводникового материала.

Мотивация и раннее радиолокационное исследование

Электронные лампы громоздки и хрупки, и они потребляют большое количество энергии для нагрева своих катодных нитей и создания потоков электронов; также они часто перегорают после нескольких тысяч часов работы. Электромеханические переключатели или реле работают медленно и могут застрять во включенном или выключенном положении. Для приложений, требующих тысяч трубок или переключателей, таких как общенациональные телефонные системы, разрабатываемые по всему миру в 1940-х годов и первых электронных цифровых компьютеров, это означало необходимость постоянной бдительности, чтобы свести к минимуму неизбежные поломки.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Альтернатива была найдена в полупроводниках, таких материалах, как кремний или германий, электропроводность которых находится посередине между электропроводностью изоляторов, таких как стекло, и проводников, таких как алюминий. Проводящими свойствами полупроводников можно управлять, «легируя» их избранными примесями, и несколько провидцев увидели потенциал таких устройств для телекоммуникаций и компьютеров. Однако именно военное финансирование разработки РЛС в 1940-х годов, которые открыли двери для их реализации. «Супергетеродинные» электронные схемы, используемые для обнаружения радиолокационных волн, требовали диодного выпрямителя — устройства, позволяющего току течь только в одном направлении, — которое могло бы успешно работать на сверхвысоких частотах свыше одного гигагерца. Электронных ламп просто не хватало, а твердотельные диоды на основе существующих полупроводников на основе оксида меди также были слишком медленными для этой цели.

На помощь пришли кристаллические выпрямители

на основе кремния и германия. В этих устройствах вольфрамовая проволока втыкалась в поверхность полупроводникового материала, который был легирован небольшим количеством примесей, таких как бор или фосфор. Атомы примеси занимали позиции в кристаллической решетке материала, вытесняя атомы кремния (или германия) и тем самым создавая крошечные популяции носителей заряда (например, электронов), способных проводить полезный электрический ток. В зависимости от природы носителей заряда и приложенного напряжения ток может течь от провода к поверхности или наоборот, но не в обоих направлениях. Таким образом, эти устройства послужили столь необходимыми выпрямителями, работающими на гигагерцовых частотах, необходимых для обнаружения отраженного микроволнового излучения в военных радиолокационных системах. К концу Второй мировой войны такие американские производители, как Sylvania и Western Electric, ежегодно производили миллионы кварцевых выпрямителей.

Транзистор | Определение и использование

транзистор

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Гордон Мур Уильям Б. Шокли Джон Бардин Уолтер Х. Браттейн Джек Килби

Похожие темы:

тиристор база эмиттер биполярный транзистор комплементарный металл-оксид-полупроводник

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

транзистор , полупроводниковое устройство для усиления, управления и генерации электрических сигналов. Транзисторы являются активными компонентами интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крошечных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. Глубоко встроенные почти во все электронные устройства, транзисторы стали нервными клетками информационного века.

Обычно в транзисторе имеется три электрических вывода, называемых эмиттером, коллектором и базой, или, в современных переключающих устройствах, истоком, стоком и затвором. Электрический сигнал, подаваемый на базу (или затвор), влияет на способность полупроводникового материала проводить электрический ток, который протекает между эмиттером (или истоком) и коллектором (или стоком) в большинстве приложений. Источник напряжения, такой как батарея, управляет током, в то время как скорость тока, протекающего через транзистор в любой момент, регулируется входным сигналом на затворе — так же, как клапан крана используется для регулирования потока воды в саду. шланг.

Первые коммерческие применения транзисторов были для слуховых аппаратов и «карманных» радиоприемников в 1950-х годах. Благодаря своим небольшим размерам и низкому энергопотреблению транзисторы были желанной заменой электронных ламп (известных в Великобритании как «клапаны»), которые тогда использовались для усиления слабых электрических сигналов и воспроизведения звуков. Транзисторы также начали заменять электронные лампы в схемах генератора, используемых для генерации радиосигналов, особенно после того, как были разработаны специализированные конструкции для работы с более высокими частотами и уровнями мощности. Низкочастотные, мощные приложения, такие как инверторы источников питания, которые преобразуют переменный ток (AC) в постоянный ток (DC), также были транзисторными. Некоторые силовые транзисторы теперь могут выдерживать токи в сотни ампер при электрическом напряжении более тысячи вольт.

Наиболее распространенное применение транзисторов сегодня — микросхемы компьютерной памяти, в том числе твердотельные устройства хранения мультимедиа для электронных игр, фотоаппараты и MP3-плееры, а также микропроцессоры, где миллионы компонентов встроены в единую интегральную схему. Здесь напряжение, подаваемое на электрод затвора, обычно несколько вольт или меньше, определяет, может ли ток течь от истока транзистора к его стоку. В этом случае транзистор работает как переключатель: если ток течет, соответствующая цепь включена, а если нет, то она выключена. Эти два различных состояния, единственные возможности в такой схеме, соответствуют соответственно двоичным единицам и нулям, используемым в цифровых компьютерах. Подобные применения транзисторов встречаются в сложных схемах переключения, используемых во всех современных телекоммуникационных системах. Потенциальные скорости переключения этих транзисторов сейчас составляют сотни гигагерц, или более 100 миллиардов циклов включения и выключения в секунду.

Викторина «Британника»

Изобретатели и изобретения

Разработка транзисторов

Транзистор был изобретен в 1947–1948 годах тремя американскими физиками, Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли, в лабораториях Белла Американской телефонной и телеграфной компании. Транзистор оказался жизнеспособной альтернативой электронной лампе и к концу 1950-х годов вытеснил последнюю во многих приложениях. Его небольшие размеры, низкое тепловыделение, высокая надежность и низкое энергопотребление сделали возможным прорыв в миниатюризации сложных схем. В течение 19В 60-х и 70-х годах транзисторы были включены в интегральные схемы, в которых множество компонентов (например, диоды, резисторы и конденсаторы) формируются на одном «чипе» из полупроводникового материала.

Мотивация и раннее радиолокационное исследование

Электронные лампы громоздки и хрупки, и они потребляют большое количество энергии для нагрева своих катодных нитей и создания потоков электронов; также они часто перегорают после нескольких тысяч часов работы. Электромеханические переключатели или реле работают медленно и могут застрять во включенном или выключенном положении. Для приложений, требующих тысяч трубок или переключателей, таких как общенациональные телефонные системы, разрабатываемые по всему миру в 1940-х годов и первых электронных цифровых компьютеров, это означало необходимость постоянной бдительности, чтобы свести к минимуму неизбежные поломки.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Альтернатива была найдена в полупроводниках, таких материалах, как кремний или германий, электропроводность которых находится посередине между электропроводностью изоляторов, таких как стекло, и проводников, таких как алюминий. Проводящими свойствами полупроводников можно управлять, «легируя» их избранными примесями, и несколько провидцев увидели потенциал таких устройств для телекоммуникаций и компьютеров. Однако именно военное финансирование разработки РЛС в 1940-х годов, которые открыли двери для их реализации. «Супергетеродинные» электронные схемы, используемые для обнаружения радиолокационных волн, требовали диодного выпрямителя — устройства, позволяющего току течь только в одном направлении, — которое могло бы успешно работать на сверхвысоких частотах свыше одного гигагерца. Электронных ламп просто не хватало, а твердотельные диоды на основе существующих полупроводников на основе оксида меди также были слишком медленными для этой цели.

На помощь пришли кристаллические выпрямители

на основе кремния и германия. В этих устройствах вольфрамовая проволока втыкалась в поверхность полупроводникового материала, который был легирован небольшим количеством примесей, таких как бор или фосфор. Атомы примеси занимали позиции в кристаллической решетке материала, вытесняя атомы кремния (или германия) и тем самым создавая крошечные популяции носителей заряда (например, электронов), способных проводить полезный электрический ток. В зависимости от природы носителей заряда и приложенного напряжения ток может течь от провода к поверхности или наоборот, но не в обоих направлениях. Таким образом, эти устройства послужили столь необходимыми выпрямителями, работающими на гигагерцовых частотах, необходимых для обнаружения отраженного микроволнового излучения в военных радиолокационных системах. К концу Второй мировой войны такие американские производители, как Sylvania и Western Electric, ежегодно производили миллионы кварцевых выпрямителей.