Транзистор используемое — это полупроводниковое устройство, для усиления или переключения электрических сигналов и мощности . Это один из основных строительных блоков современной электроники . [1] Он состоит из полупроводникового материала и обычно имеет как минимум три клеммы для подключения к электронной схеме. Напряжение , или ток приложенный к одной паре выводов транзистора, контролирует ток через другую пару выводов. Поскольку управляемая (выходная) мощность может быть выше управляющей (входной) мощности, транзистор может усиливать сигнал. Некоторые транзисторы упакованы индивидуально, но многие другие в миниатюрной форме встроены в интегральные схемы . Поскольку транзисторы являются ключевыми активными компонентами практически всей современной электроники , многие считают их одним из величайших изобретений 20-го века. [2]
Большинство транзисторов изготавливаются из очень чистого кремния , некоторые из германия , но иногда используются и другие полупроводниковые материалы. Транзистор может иметь только один тип носителей заряда в полевых транзисторах или может иметь два типа носителей заряда в устройствах на биполярных транзисторах . По сравнению с электронными лампами транзисторы, как правило, меньше по размеру и требуют меньше энергии для работы. Некоторые электронные лампы имеют преимущества перед транзисторами при очень высоких рабочих частотах или высоких рабочих напряжениях, например, лампы бегущей волны и гиротроны . Многие типы транзисторов производятся в соответствии со стандартизированными спецификациями несколькими производителями.
Термоэлектронный , триод , вакуумная лампа изобретенная в 1907 году, позволила усилить радиотехнологии на большие расстояния и обеспечить телефонную связь . Однако триод был хрупким устройством, потреблявшим значительное количество энергии. В 1909 году физик Уильям Экклс открыл кварцевый диодный генератор. [8] Физик Юлиус Эдгар Лилиенфельд подал патент на полевой транзистор (FET) в Канаде в 1925 году. [9] предназначен как твердотельная замена триода. [10] [11] Он подал идентичные патенты в США в 1926 году. [12] и 1928 год. [13] [14] Однако он не публиковал никаких исследовательских статей о своих устройствах, а в его патентах не упоминались какие-либо конкретные примеры работающего прототипа. Поскольку до производства высококачественных полупроводниковых материалов оставалось еще несколько десятилетий, идеи Лилиенфельда о твердотельных усилителях не нашли бы практического применения в 1920-х и 1930-х годах, даже если бы такое устройство было создано. [15] В 1934 году изобретатель Оскар Хайль запатентовал аналогичное устройство в Европе. [16]
С 17 ноября по 23 декабря 1947 года Джон Бардин и Уолтер Браттейн в AT&T компании лаборатории Bell Labs в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси , проводили эксперименты и наблюдали, что когда два золотых точечных контакта были приложены к кристаллу германия , возник сигнал с выходная мощность больше входной. [17] Руководитель группы физики твердого тела Уильям Шокли увидел в этом потенциал и в течение следующих нескольких месяцев работал над значительным расширением знаний о полупроводниках . Термин « транзистор» был придуман Джоном Р. Пирсом как сокращение термина « транссопротивление» . [18] [19] [20] По словам Лилиан Ходдесон и Вики Дэйтч, Шокли предложил, чтобы первый патент Bell Labs на транзистор был основан на полевом эффекте, и чтобы его назвали изобретателем. Обнаружив патенты Лилиенфельда, которые ушли в безвестность несколькими годами ранее, юристы Bell Labs выступили против предложения Шокли, поскольку идея полевого транзистора, использующего электрическое поле в качестве «сетки», не была новой. Вместо этого в 1947 году Бардин, Брэттейн и Шокли изобрели первый транзистор с точечным контактом . [15] В знак признания этого достижения Шокли, Бардин и Браттейн совместно получили Нобелевскую премию по физике 1956 года «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». [21] [22]
В 1948 году точечный транзистор был независимо изобретен физиками Гербертом Матаре и Генрихом Велькером во время работы в Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse , дочерней компании Westinghouse в Париже . У Матаре уже был опыт разработки кристаллических выпрямителей из кремния и германия для немецких радаров во время Второй мировой войны . Обладая этими знаниями, он начал исследовать явление «интерференции» в 1947 году. К июню 1948 года, наблюдая токи, протекающие через точечные контакты, он получил последовательные результаты, используя образцы германия, произведенные Велкером, аналогичные тому, что Бардин и Браттейн сделали ранее в Декабрь 1947 года. Понимая, что ученые Bell Labs уже изобрели транзистор, компания поспешила запустить его «транзистрон» в производство для более широкого использования в телефонной сети Франции, подав свою первую заявку на патент на транзистор 13 августа 1948 года. [25] [26] [27]
Первые транзисторы с биполярным переходом были изобретены Уильямом Шокли из Bell Labs, который подал заявку на патент (2 569 347) 26 июня 1948 года. 12 апреля 1950 года химики Bell Labs Гордон Тил и Морган Спаркс успешно создали рабочий биполярный NPN-переход, усиливающий германий. транзистор. Белл объявил об открытии этого нового «сэндвич-транзистора» в пресс-релизе от 4 июля 1951 года. [28] [29]
Первым высокочастотным транзистором стал германиевый транзистор с поверхностным барьером , разработанный компанией Philco в 1953 году и способный работать на частотах до 60 МГц . [30] Они были сделаны путем травления углублений на германиевой основе n-типа с обеих сторон струями сульфата индия (III) до толщины в несколько десятитысячных дюйма. Индий, нанесенный гальваническим способом в углубления, образует коллектор и эмиттер. [31] [32]
AT&T впервые использовала транзисторы в телекоммуникационном оборудовании в системе коммутации междугородной связи № 4А в 1953 году для выбора магистральных каналов из информации о маршрутизации, закодированной на картах транслятора. [33] Western Electric № 3A Его предшественник, фототранзистор , считывал механическую кодировку с перфокарт.
Первый прототип карманного транзисторного радиоприемника был показан компанией INTERMETALL, основанной Гербертом Матаре в 1952 году, на выставке Internationale Funkausstellung в Дюссельдорфе с 29 августа по 6 сентября 1953 года. [34] [35] Первой серийной моделью карманного транзисторного радиоприемника стал Regency TR-1 , выпущенный в октябре 1954 года. [22] TR-1 , созданный совместным предприятием Regency Division of Industrial Development Engineering Associates, IDEA и Texas Instruments из Далласа, штат Техас, производился в Индианаполисе, штат Индиана. Это был почти карманный радиоприемник с четырьмя транзисторами и одним германиевым диодом. Промышленный дизайн был передан на аутсорсинг чикагской фирме Painter, Teague and Petertil. Первоначально он был выпущен в одном из шести цветов: черный, слоновая кость, мандариново-красный, облачно-серый, красное дерево и оливково-зеленый. Вскоре последовали и другие цвета. [36] [37] [38]
Первый серийный полностью транзисторный автомобильный радиоприемник был разработан корпорациями Chrysler и Philco и был анонсирован в выпуске The Wall Street Journal от 28 апреля 1955 года . Начиная с осени 1955 года компания Chrysler сделала модель Mopar 914HR доступной в качестве опции для своей новой линейки автомобилей Chrysler и Imperial 1956 года выпуска, которые поступили в автосалоны дилерских центров 21 октября 1955 года. [39] [40]
Первый рабочий кремниевый транзистор был разработан в Bell Labs 26 января 1954 года Моррисом Таненбаумом . О первом серийном коммерческом кремниевом транзисторе объявила компания Texas Instruments в мае 1954 года. Это была работа Гордона Тила , эксперта по выращиванию кристаллов высокой чистоты, ранее работавшего в Bell Labs. [44] [45] [46]
В 1948 году Бардин запатентовал прародителя МОП-транзистора — полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET) с инверсионным слоем. Патент Бардина и концепция инверсионного слоя составляют сегодня основу КМОП-технологии. [50]
Аталла и его корейский коллега Давон Кан разработали полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), или МОП-транзистор , в 1959 году. [52] [5] [6] первый транзистор, который можно было миниатюризировать и производить серийно для широкого спектра применений. [51] В процессе самовыравнивания КМОП транзистор формируется там, где слой затвора (поликремний или металл) пересекает диффузионный слой. [55] : п.1 (см. рис. 1.1) Благодаря высокой масштабируемости , [56] гораздо более низкое энергопотребление и более высокая плотность, чем у транзисторов с биполярным переходом, [57] MOSFET позволил создавать высокой плотности , интегральные схемы [7] позволяющий интегрировать более 10 000 транзисторов в одну микросхему. [58]
Поскольку транзисторы являются ключевыми активными компонентами практически всей современной электроники , многие считают их одним из величайших изобретений 20-го века. [2]
Изобретение первого транзистора в Bell Labs было названо вехой IEEE в 2009 году. [65] Другие вехи включают изобретение переходного транзистора в 1948 году и МОП-транзистора в 1959 году. [66]
Хотя несколько компаний ежегодно производят более миллиарда МОП-транзисторов в индивидуальном корпусе (известных как дискретные ), [73] подавляющее большинство из них производится в виде интегральных схем (также известных как микросхемы , микрочипы или просто чипы ), а также диодов , резисторов , конденсаторов и других электронных компонентов для производства полных электронных схем. Логический вентиль состоит примерно из 20 транзисторов, тогда как усовершенствованный микропроцессор по состоянию на 2022 год может содержать до 57 миллиардов МОП-транзисторов. [74] Транзисторы часто объединяются в логические элементы микропроцессоров для выполнения вычислений. [75]
Низкая стоимость, гибкость и надежность транзистора сделали его повсеместным. Транзисторные мехатронные схемы заменили электромеханические устройства в управлении приборами и механизмами. Зачастую проще и дешевле использовать стандартный микроконтроллер и написать компьютерную программу для выполнения функции управления, чем проектировать эквивалентную механическую систему.
Простая принципиальная схема с маркировкой биполярного транзистора n – p – n.
Транзистор может использовать небольшой сигнал, подаваемый между одной парой его выводов, для управления гораздо более сильным сигналом на другой паре выводов, это свойство называется усилением . Он может генерировать более сильный выходной сигнал, напряжение или ток, пропорциональный более слабому входному сигналу, действуя как усилитель . Его также можно использовать в качестве переключателя с электрическим управлением , где величина тока определяется другими элементами схемы. [76]
Существует два типа транзисторов с небольшими различиями в том, как они используются:
имеет Биполярный транзистор (BJT) клеммы, обозначенные как база , коллектор и эмиттер . Небольшой ток на клемме базы, протекающий между базой и эмиттером, может контролировать или переключать гораздо больший ток между коллектором и эмиттером.
имеет Полевой транзистор (FET) клеммы, обозначенные затвором , истоком и стоком. Напряжение на затворе может управлять током между истоком и стоком. [77]
Верхнее изображение в этом разделе представляет собой типичный биполярный транзистор в схеме. Заряд течет между клеммами эмиттера и коллектора в зависимости от тока в базе. Поскольку соединения базы и эмиттера ведут себя как полупроводниковый диод, между ними возникает падение напряжения. Величина этого падения, определяемая материалом транзистора, обозначается VBE как . [77] (Напряжение базового эмиттера)
В переключающей схеме цель состоит в том, чтобы как можно ближе смоделировать идеальный переключатель, обладающий свойствами разомкнутой цепи в выключенном состоянии, короткого замыкания во включенном состоянии и мгновенного перехода между двумя состояниями. Параметры выбираются таким образом, что выход «выключено» ограничен токами утечки, слишком малыми, чтобы повлиять на подключенную схему, сопротивление транзистора во «включенном» состоянии слишком мало, чтобы повлиять на схему, а переход между двумя состояниями происходит достаточно быстро. чтобы не было вредного воздействия. [77]
В транзисторной схеме с заземленным эмиттером, такой как показанная схема выключателя света, по мере увеличения напряжения базы токи эмиттера и коллектора растут экспоненциально. Напряжение коллектора падает из-за уменьшения сопротивления между коллектором и эмиттером. Если бы разность напряжений между коллектором и эмиттером была равна нулю (или близка к нулю), ток коллектора ограничивался бы только сопротивлением нагрузки (лампочки) и напряжением питания. Это называется насыщением, поскольку ток свободно течет от коллектора к эмиттеру. Когда он насыщен, говорят, что переключатель включен . [78]
Использование биполярных транзисторов для переключения приложений требует смещения транзистора так, чтобы он работал между областью отсечки в выключенном состоянии и областью насыщения ( включено ). Для этого требуется достаточный базовый ток возбуждения. Поскольку транзистор обеспечивает усиление по току, он облегчает переключение относительно большого тока в коллекторе гораздо меньшим током на базовый вывод. Соотношение этих токов меняется в зависимости от типа транзистора и даже для конкретного типа меняется в зависимости от тока коллектора. В примере схемы выключателя освещения, как показано, резистор выбран так, чтобы обеспечить достаточный базовый ток для обеспечения насыщения транзистора. [77] Значение базового резистора рассчитывается на основе напряжения питания, падения напряжения на переходе CE транзистора, тока коллектора и коэффициента усиления бета. [79]
Схема усилителя, схема с общим эмиттером и схемой смещения делителя напряжения.
Усилитель с общим эмиттером спроектирован таким образом, что небольшое изменение напряжения ( Vin ) изменяет небольшой ток через базу транзистора, усиление тока которого в сочетании со свойствами схемы означает, что небольшие колебания напряжения Vin вызывают большие изменения V. вне . [77]
Возможны различные конфигурации однотранзисторных усилителей, некоторые из которых обеспечивают усиление по току, некоторые по напряжению, а некоторые и то, и другое.
От мобильных телефонов до телевизоров , огромное количество продукции включает усилители для воспроизведения звука , радиопередачи и обработки сигналов . Первые усилители звука на дискретных транзисторах едва выдавали мощность в несколько сотен милливатт, но мощность и точность звука постепенно увеличивались по мере того, как стали доступны более совершенные транзисторы и развивалась архитектура усилителей. [77]
Современные транзисторные усилители звука мощностью до нескольких сотен ватт широко распространены и относительно недороги.
До того, как были разработаны транзисторы, вакуумные (электронные) лампы (или в Великобритании «термоэлектронные клапаны» или просто «клапаны») были основными активными компонентами электронного оборудования.
Ключевые преимущества, которые позволили транзисторам заменить электронные лампы в большинстве применений:
Отсутствие катодного нагревателя (который дает характерное оранжевое свечение трубок), что снижает энергопотребление, устраняет задержку при прогреве трубчатых нагревателей и защищает катод от отравления и истощения.
Очень малый размер и вес, что позволяет уменьшить размер оборудования.
Большое количество очень маленьких транзисторов может быть изготовлено в виде одной интегральной схемы .
Низкое рабочее напряжение, совместимое с батареями, состоящими всего из нескольких ячеек.
Обычно возможны схемы с большей энергоэффективностью. В частности, для маломощных приложений (например, усиления напряжения) потребление энергии может быть намного меньше, чем для ламп.
Доступны дополнительные устройства, обеспечивающие гибкость конструкции, включая схемы комплементарной симметрии, что невозможно при использовании электронных ламп.
Очень низкая чувствительность к механическим ударам и вибрации, что обеспечивает физическую прочность и практически исключает паразитные сигналы, вызванные ударами (например, микрофоны в аудиоприложениях).
Не подвержен разбиванию стеклянной колбы, протечкам, газовыделению и другим физическим повреждениям.
Им не хватает более высокой подвижности электронов , обеспечиваемой вакуумом электронных ламп, что желательно для работы на высокой мощности и высокой частоте, например, используемой в некоторых передатчиках эфирного телевидения и в лампах бегущей волны, используемых в качестве усилителей в некоторых устройствах. спутники
Транзисторы и другие полупроводниковые устройства подвержены повреждениям в результате очень кратковременных электрических и тепловых воздействий, включая электростатический разряд при обращении с ними. Вакуумные лампы электрически гораздо более прочны.
В аудиоприложениях транзисторам не хватает искажений нижних гармоник – так называемого лампового звука – который характерен для электронных ламп и некоторые предпочитают его. [80]
Максимальная рабочая частота: низкая, средняя, высокая, радио (РЧ), СВЧ частота (максимальная эффективная частота транзистора в схеме с общим эмиттером или общим истоком обозначается термином f T , сокращение от частоты перехода — частота, на которой транзистор дает единичный коэффициент усиления по напряжению)
Рабочая температура: транзисторы для экстремальных температур и традиционные транзисторы для температур (от -55 до 150 °C (от -67 до 302 °F)). Транзисторы для экстремальных температур включают высокотемпературные транзисторы (выше 150 ° C (302 ° F)) и низкотемпературные транзисторы (ниже -55 ° C (-67 ° F)). Высокотемпературные транзисторы, которые работают термически стабильно до 250 ° C (482 ° F), могут быть разработаны с использованием общей стратегии смешивания взаимопроникающих полукристаллических сопряженных полимеров и изолирующих полимеров с высокой температурой стеклования. [82]
Следовательно, конкретный транзистор можно описать как кремниевый, для поверхностного монтажа, BJT, NPN, маломощный, высокочастотный переключатель .
Удобная мнемоника для запоминания типа транзистора (представленного электрическим символом ) предполагает направление стрелки. Для BJT на символе npn- транзистора стрелка будет « Not Point i N » . На символе pnp- транзистора стрелка гордо указывает « » . Однако это не относится к символам транзисторов на основе MOSFET, поскольку стрелка обычно перевернута (т.е. стрелка для npn указывает внутрь).
Работа полевого транзистора и его I d - V g кривая . Сначала, когда напряжение на затвор не подается, в канале нет инверсионных электронов, поэтому устройство выключается. По мере увеличения напряжения на затворе увеличивается плотность инверсионных электронов в канале, увеличивается ток и устройство включается.
Полевой транзистор , иногда называемый униполярным транзистором либо электроны (в n-канальном полевом транзисторе ), либо дырки (в p-канальном полевом транзисторе , использует для проводимости ). Четыре вывода полевого транзистора называются исток , затвор , сток и тело ( подложка ). У большинства полевых транзисторов корпус подключен к источнику внутри корпуса, и в следующем описании это будет предполагаться.
В полевом транзисторе ток сток-исток протекает через проводящий канал, который соединяет область истока с областью стока . Проводимость изменяется электрическим полем, которое создается при приложении напряжения между клеммами затвора и истока, следовательно, ток, текущий между стоком и истоком, контролируется напряжением, приложенным между затвором и истоком. По мере увеличения напряжения затвор-исток ( V GS ) ток сток-исток ( I DS ) увеличивается экспоненциально для V GS квадратичной скоростью: ( I DS ∝ ( V GS − VT ниже порогового значения, а затем примерно с ) 2 , где V T — пороговое напряжение, при котором начинается ток стока) [83] в области « ограничения объёмного заряда » выше порога. В современных устройствах, например, на 65 нм , квадратичное поведение не наблюдается. узле технологии [84]
Для низкого уровня шума в узкой полосе пропускания более высокое входное сопротивление полевого транзистора является преимуществом.
Полевые транзисторы делятся на два семейства: полевые транзисторы с соединением ( JFET ) и полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET). IGFET более известен как полевой транзистор металл-оксид-полупроводник ( MOSFET ), что отражает его первоначальную конструкцию из слоев металла (затвор), оксида (изоляция) и полупроводника. В отличие от IGFET, затвор JFET образует p – n-диод с каналом, который находится между истоком и стоками. Функционально это делает n-канальный JFET твердотельным эквивалентом лампового триода, который аналогичным образом образует диод между своей сеткой и катодом . Кроме того, оба устройства работают в режиме истощения , оба имеют высокий входной импеданс и оба проводят ток под контролем входного напряжения.
Полевые транзисторы металл-полупроводник ( MESFET ) представляют собой JFET, в которых обратносмещенный p-n-переход заменен переходом металл-полупроводник . Они, а также HEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов или HFET), в которых для переноса заряда используется двумерный электронный газ с очень высокой подвижностью носителей, особенно подходят для использования на очень высоких частотах (несколько ГГц).
Полевые транзисторы подразделяются на типы режима истощения и режима улучшения , в зависимости от того, включен или выключен канал при нулевом напряжении затвор-исток. В режиме улучшения канал отключается при нулевом смещении, и потенциал затвора может «усилить» проводимость. В режиме истощения канал включен при нулевом смещении, а потенциал затвора (противоположной полярности) может «истощать» канал, уменьшая проводимость. В любом режиме более положительное напряжение на затворе соответствует более высокому току для n-канальных устройств и более низкому току для p-канальных устройств. Почти все JFET работают в режиме истощения, поскольку диодные переходы передавали бы смещение и проводимость, если бы они были устройствами в режиме улучшения, в то время как большинство IGFET относятся к типу режима улучшения.
Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник ( MOSFET , MOS-FET или MOS FET), также известный как транзистор металл-оксид-кремний (МОП-транзистор или МОП), [7] — это тип полевого транзистора, который изготавливается путем контролируемого окисления полупроводника, обычно кремния . Он имеет изолированный затвор , напряжение которого определяет проводимость устройства. Эту способность изменять проводимость в зависимости от величины приложенного напряжения можно использовать для усиления или переключения электронных сигналов . МОП-транзистор на сегодняшний день является самым распространенным транзистором и основным строительным блоком большинства современных электронных устройств . [71] На MOSFET приходится 99,9% всех транзисторов в мире. [85]
Биполярные транзисторы названы так потому, что в них используются как мажоритарные, так и неосновные несущие . Биполярный переходной транзистор, первый тип транзистора, который будет производиться массово, представляет собой комбинацию двух переходных диодов и состоит либо из тонкого слоя полупроводника p-типа, зажатого между двумя полупроводниками n-типа (n-p-n транзистор) или тонкий слой полупроводника n-типа, зажатый между двумя полупроводниками p-типа (ap-n-p-транзистор). Эта конструкция создает два p – n-перехода : переход база-эмиттер и переход база-коллектор, разделенные тонкой областью полупроводника, известной как область базы. (Два диода, соединенных вместе без использования промежуточной полупроводниковой области, не образуют транзистор.)
BJT имеют три вывода, соответствующие трем слоям полупроводника — эмиттеру , базе и коллектору . Они полезны в усилителях , поскольку токи в эмиттере и коллекторе можно контролировать с помощью относительно небольшого тока базы. [86] В n–p–n-транзисторе, работающем в активной области, переход эмиттер-база смещен в прямом направлении ( электроны и дырки рекомбинируют на переходе), а переход база-коллектор – в обратном направлении (электроны и дырки образуются на и удаляются от перехода), и электроны инжектируются в область базы. Поскольку база узкая, большая часть этих электронов будет диффундировать в обратносмещенный переход база-коллектор и уноситься в коллектор; возможно, одна сотая часть электронов рекомбинирует в базе, что является доминирующим механизмом тока базы. Кроме того, поскольку база слабо легирована (по сравнению с областями эмиттера и коллектора), скорость рекомбинации низкая, что позволяет большему количеству носителей диффундировать через область базы. Контролируя количество электронов, которые могут покинуть базу, можно контролировать количество электронов, попадающих в коллектор. [86] Ток коллектора примерно в β (коэффициент усиления по току общего эмиттера) умножен на ток базы. Обычно оно превышает 100 для транзисторов с малым сигналом, но может быть меньше для транзисторов, предназначенных для мощных приложений.
В отличие от полевого транзистора (см. ниже), BJT представляет собой устройство с низким входным сопротивлением. Кроме того, по мере увеличения напряжения база-эмиттер ( V BE ) ток база-эмиттер и, следовательно, ток коллектор-эмиттер ( I CE ) увеличиваются экспоненциально в соответствии с моделью диода Шокли и моделью Эберса-Молла . BJT выше, Из-за этой экспоненциальной зависимости крутизна чем у FET.
Биполярные транзисторы можно сделать проводящими под воздействием света, поскольку поглощение фотонов в области базы генерирует фототок, который действует как ток базы; ток коллектора примерно в β раз превышает фототок. Устройства, предназначенные для этой цели, имеют в корпусе прозрачное окно и называются фототранзисторами .
МОП -транзистор на сегодняшний день является наиболее широко используемым транзистором как для цифровых, так и для аналоговых схем . [87] на их долю приходится 99,9% всех транзисторов в мире. [85] Биполярный транзистор (BJT) ранее был наиболее часто используемым транзистором в период с 1950-х по 1960-е годы. Даже после того, как МОП-транзисторы стали широко доступны в 1970-х годах, BJT оставался предпочтительным транзистором для многих аналоговых схем, таких как усилители, из-за их большей линейности, вплоть до тех пор, пока устройства МОП-транзисторы (такие как силовые МОП-транзисторы , LDMOS и RF CMOS ) не заменили их в большинстве мощных транзисторов. электронные приложения в 1980-х годах. В интегральных схемах желательные свойства МОП-транзисторов позволили им захватить почти всю долю рынка цифровых схем в 1970-х годах. Дискретные МОП-транзисторы (обычно силовые МОП-транзисторы) могут применяться в транзисторных приложениях, включая аналоговые схемы, регуляторы напряжения, усилители, передатчики мощности и драйверы двигателей.
GAAFET, похож на FinFET, но вместо ребер используются нанопроволоки, нанопроволоки уложены вертикально и с 4 сторон окружены затвором.
MBCFET, вариант GAAFET, в котором вместо нанопроводов используются горизонтальные нанолисты, производства Samsung. Также известен как RibbonFET (производства Intel) и горизонтальный нанолистовой транзистор.
Транзистор Дарлингтона , верхняя часть которого удалена, чтобы можно было увидеть чип транзистора (маленький квадрат). Фактически это два транзистора на одном чипе. Один намного больше другого, но оба они большие по сравнению с транзисторами в крупномасштабной интеграции, поскольку этот конкретный пример предназначен для силовых приложений. Транзисторы Дарлингтона представляют собой два биполярных транзистора, соединенных вместе, чтобы обеспечить высокий коэффициент усиления по току, равный произведению коэффициентов усиления по току двух транзисторов.
Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) используют IGFET средней мощности, аналогично подключенный к силовому биполярному транзистору, чтобы обеспечить высокий входной импеданс. Силовые диоды часто подключаются между определенными клеммами в зависимости от конкретного использования. IGBT особенно подходят для тяжелых промышленных применений. ASEA Brown Boveri (ABB) 5SNA2400E170100 , [88] предназначенный для трехфазного питания, вмещает три n–p–n IGBT в корпусе размерами 38 на 140 на 190 мм и массой 1,5 кг. Каждый IGBT рассчитан на напряжение 1700 В и выдерживает ток 2400 ампер.
Биполярный транзистор с эмиттерным переключением (ESBT) представляет собой монолитную конфигурацию высоковольтного биполярного транзистора и низковольтного силового МОП-транзистора в каскодной топологии. Он был представлен STMicroelectronics в 2000-х годах. [89] и заброшен несколько лет спустя, примерно в 2012 году. [90]
Транзистор с несколькими базами , используемый для усиления сигналов очень низкого уровня в шумной среде, например, в звукоснимателе проигрывателя или входных каскадах радиоприемника . По сути, это очень большое количество транзисторов, включенных параллельно, где на выходе сигнал добавляется конструктивно, а случайный шум добавляется только стохастически . [91]
Диффузионный транзистор , образованный путем диффузии примесей в полупроводниковую подложку; может быть как BJT, так и FET.
Однопереходный транзистор , который можно использовать как простой генератор импульсов. Он состоит из основного корпуса из полупроводника p- или n-типа с омическими контактами на каждом конце (клеммы Base1 и Base2 ). В точке по длине корпуса для третьего вывода ( Эмиттера ) формируется переход с полупроводником противоположного типа.
Одноэлектронные транзисторы (SET) состоят из затвора между двумя туннельными переходами. Туннельный ток контролируется напряжением, подаваемым на затвор через конденсатор. [92]
Беспереходный нанопроволочный транзистор (JNT) использует простую кремниевую нанопроволоку, окруженную электрически изолированным «обручальным кольцом», которое блокирует поток электронов через провод.
Наноразмерный транзистор с вакуумным каналом , когда в 2012 году сообщалось, что НАСА и Национальный центр нанофабрик в Южной Корее создали прототип транзистора с вакуумным каналом размером всего 150 нанометров, может быть изготовлен дешево с использованием стандартной обработки кремниевых полупроводников, может работать на высокие скорости даже в агрессивных средах и могут потреблять столько же энергии, сколько стандартный транзистор. [94]
Для обозначения транзисторных устройств используются три основных идентификационных стандарта. В каждом из них буквенно-цифровой префикс указывает на тип устройства.
совет по разработке электронных устройств ( JEDEC ) Объединенный
Схема нумерации деталей JEDEC возникла в 1960-х годах в США. JEDEC EIA-370 Номера транзисторных устройств обычно начинаются с 2N , что указывает на трехконтактное устройство. с двойным затвором Полевые транзисторы представляют собой четырехполюсные устройства и начинаются с 3N. За префиксом следует двух-, трех- или четырехзначное число, не имеющее значения для свойств устройства, хотя ранние устройства с низкими номерами, как правило, были устройствами из германия. Например, 2N3055 — кремниевый силовой n–p–n транзистор, 2N1301 — германиевый переключающий транзистор ap–n–p. Буквенный суффикс, например «А», иногда используется для обозначения нового варианта, но редко группируется.
В Японии обозначение полупроводников JIS (|JIS-C-7012) обозначает транзисторные устройства, начинающиеся с 2S . [102] например, 2SD965, но иногда префикс «2S» не указан на упаковке: 2SD965 может иметь маркировку только D965 , а 2SC1815 может быть указан поставщиком просто как C1815 . Эта серия иногда имеет суффиксы, такие как R , O , BL , обозначающие красный , оранжевый , синий и т. д., для обозначения вариантов, таких как более плотные группы h FE (усиление).
Таблица префиксов транзисторов JIS
Префикс
Тип и использование
2СА
высокочастотный p–n–p биполярный транзистор
2СБ
звуковая частота p–n–p BJT
2СК
высокочастотный n-p-n биполярный транзистор
2SD
звуковая частота n–p–n BJT
2SJ
P-канальный полевой транзистор (как JFET, так и MOSFET)
2СК
N-канальный полевой транзистор (как JFET, так и MOSFET)
Европейская ассоциация производителей электронных компонентов (EECA) использует схему нумерации, унаследованную от Pro Electron после ее слияния с EECA в 1983 году. Эта схема начинается с двух букв: первая обозначает тип полупроводника (A для германия, B для кремния и C для таких материалов, как GaAs); вторая буква обозначает предполагаемое использование (А для диода, С для транзистора общего назначения и т. д.). Далее следует трехзначный порядковый номер (или одна буква и две цифры для промышленных типов). В ранних устройствах это указывало тип корпуса. Могут использоваться суффиксы с буквой (например, «C» часто означает высокий h FE , например: BC549C). [103] ) или другие коды могут указывать на коэффициент усиления (например, BC327-25) или номинальное напряжение (например, BUK854-800A). [104] ). Наиболее распространенные префиксы:
Производители устройств могут иметь свою собственную систему нумерации, например CK722 . Поскольку устройства производятся на вторичном рынке , префикс производителя (например, «MPF» в MPF102, который первоначально обозначал Motorola полевой транзистор ) теперь является ненадежным индикатором того, кто изготовил устройство. Некоторые проприетарные схемы наименования заимствуют части других схем наименования, например, PN2222A — это (возможно, Fairchild Semiconductor ) 2N2222A в пластиковом корпусе (но PN108 — это пластиковая версия BC108, а не 2N108, тогда как PN100 не имеет отношения к другие устройства xx100).
Производители, покупающие большое количество аналогичных деталей, могут снабжать их «номером дома», обозначающим конкретную спецификацию покупки, а не обязательно устройство со стандартным зарегистрированным номером. Например, деталь HP 1854,0053 — это транзистор (JEDEC) 2N2218. [105] [106] которому также присвоен номер CV: CV7763. [107]
При таком большом количестве независимых схем именования и сокращении номеров деталей при печати на устройствах иногда возникает двусмысленность. Например, два разных устройства могут иметь маркировку «J176» (один J176 малой мощности JFET , другой более мощный MOSFET 2SJ176).
Поскольку более старым транзисторам со «сквозным отверстием» предоставляются корпусные аналоги для поверхностного монтажа , им, как правило, присваивается множество разных номеров деталей, поскольку у производителей есть свои системы, позволяющие справиться с разнообразием распиновки и опциями для двойных или согласованных n–p–n + p–n–p устройства в одной упаковке. Таким образом, даже если исходное устройство (например, 2N3904) было присвоено органом по стандартизации и хорошо известно инженерам на протяжении многих лет, новые версии далеки от стандартизированных названий.
Первые BJT были изготовлены из германия (Ge). В настоящее время преобладают типы кремния (Si), но в некоторых усовершенствованных микроволновых и высокопроизводительных версиях теперь используются составной полупроводниковый материал арсенид галлия (GaAs) и полупроводниковый сплав кремний-германий (SiGe). Одноэлементный полупроводниковый материал (Ge и Si) описывается как элементный .
Приблизительные параметры наиболее распространенных полупроводниковых материалов, используемых для изготовления транзисторов, приведены в соседней таблице. Эти параметры будут меняться с увеличением температуры, электрического поля, уровня примесей, деформации и ряда других факторов.
— Прямое напряжение перехода это напряжение, приложенное к переходу эмиттер-база биполярного транзистора, чтобы база проводила определенный ток. Ток увеличивается экспоненциально по мере увеличения прямого напряжения на переходе. Значения, приведенные в таблице, типичны для тока 1 мА (такие же значения относятся и к полупроводниковым диодам). Чем ниже прямое напряжение перехода, тем лучше, поскольку это означает, что для «управления» транзистором требуется меньше энергии. Прямое напряжение перехода для данного тока уменьшается с увеличением температуры. Для типичного кремниевого перехода изменение составляет -2,1 мВ/°C. [108] В некоторых схемах специальные компенсирующие элементы ( датчики для компенсации таких изменений необходимо использовать ).
Плотность мобильных несущих в канале МОП-транзистора является функцией электрического поля, формирующего канал, и различных других явлений, таких как уровень примесей в канале. Некоторые примеси, называемые легирующими добавками, вводятся намеренно при изготовлении МОП-транзистора, чтобы контролировать электрическое поведение МОП-транзистора.
и Столбцы подвижности электронов подвижности дырок показывают среднюю скорость, с которой электроны и дырки диффундируют через полупроводниковый материал с электрическим полем напряженностью 1 вольт на метр, приложенным к материалу. В общем, чем выше подвижность электронов, тем быстрее может работать транзистор. Из таблицы видно, что Ge в этом отношении является лучшим материалом, чем Si. Однако у Ge есть четыре основных недостатка по сравнению с кремнием и арсенидом галлия:
Он менее пригоден для изготовления интегральных схем.
Поскольку подвижность электронов выше, чем подвижность дырок для всех полупроводниковых материалов, данный биполярный n-p-n-транзистор имеет тенденцию работать быстрее, чем эквивалентный p-n-p-транзистор . GaAs имеет самую высокую подвижность электронов из трех полупроводников. Именно по этой причине GaAs используется в высокочастотных приложениях. Сравнительно недавнее [ когда? ] Разработка полевого транзистора, транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT), имеет гетероструктуру (переход между различными полупроводниковыми материалами) из арсенида алюминия-галлия (AlGaAs)-арсенида галлия (GaAs), которая имеет вдвое большую подвижность электронов, чем барьерный переход GaAs-металл. . Благодаря высокой скорости и низкому уровню шума HEMT используются в спутниковых приемниках, работающих на частотах около 12 ГГц. HEMT на основе нитрида галлия и нитрида алюминия-галлия (HEMT AlGaN/GaN) обеспечивают еще более высокую подвижность электронов и разрабатываются для различных приложений.
Максимальные значения температуры перехода представляют собой поперечное сечение, взятое из таблиц данных различных производителей. Эту температуру нельзя превышать, иначе транзистор может быть поврежден.
Переход Al-Si относится к высокоскоростному (алюминиево-кремниевому) барьерному диоду металл-полупроводник, широко известному как диод Шоттки . Это включено в таблицу, поскольку некоторые кремниевые силовые IGFET имеют паразитный обратный диод Шоттки, образующийся между истоком и стоком в процессе изготовления. Этот диод может мешать, но иногда его используют в схеме.
Дискретные транзисторы могут представлять собой транзисторы в индивидуальном корпусе или транзисторные микросхемы без корпуса.
Транзисторы выпускаются в различных полупроводниковых корпусах (см. изображение). Двумя основными категориями являются сквозные отверстия (или выводы ) и поверхностный монтаж , также известный как устройство для поверхностного монтажа ( SMD ). Массив шариковых решеток ( BGA ) — это новейший корпус для поверхностного монтажа. На нижней стороне вместо выводов имеются «шарики» припоя. Поскольку они меньше по размеру и имеют более короткие соединения, SMD имеют лучшие высокочастотные характеристики, но меньшую номинальную мощность.
Корпуса транзисторов изготавливаются из стекла, металла, керамики или пластика. Комплектация часто определяет номинальную мощность и частотные характеристики. Силовые транзисторы имеют более крупные корпуса, которые можно прикрепить к радиаторам для улучшения охлаждения. Кроме того, у большинства силовых транзисторов коллектор или сток физически соединены с металлическим корпусом. транзисторы поверхностного монтажа С другой стороны, некоторые микроволновые размером с песчинку.
Часто данный тип транзистора выпускается в нескольких корпусах. Корпуса транзисторов в основном стандартизированы, но назначение функций транзистора выводам нет: другие типы транзисторов могут назначать клеммам корпуса другие функции. Даже для одного и того же типа транзистора назначение клемм может различаться (обычно указывается буквенным суффиксом к номеру детали, qe BC212L и BC212K).
В настоящее время большинство транзисторов выпускаются в широком диапазоне корпусов SMT. Для сравнения, список доступных сквозных пакетов относительно невелик. Вот краткий список наиболее распространенных корпусов сквозных транзисторов в алфавитном порядке:
квадроцикл, Е-линия, МРТ, ХРТ, СК-43, СК-72, ТО-3, ТО-18, ТО-39, ТО-92, ТО-126, ТО220, ТО247, ТО251, ТО262, ZTX851.
Неупакованные транзисторные чипы (кристаллы) могут быть собраны в гибридные устройства. [109] Модуль IBM SLT 1960-х годов является одним из примеров такого модуля гибридной схемы, в котором используется кристалл пассивированного транзистора (и диода). Другие методы упаковки дискретных транзисторов в виде микросхем включают прямое присоединение чипа (DCA) и чип-на-плате (COB). [109]
^ Перейти обратно: а б Лилиенфельд, Юлиус Эдгар, «Метод и устройство для управления электрическим током», патент США № 1745175, 28 января 1930 г. (подано в Канаде 22 октября 1925 г., в США 8 октября 1926 г.).
^ FR 1010427 HF Mataré / H. Welker / Westinghouse: «Новая кристаллическая система с несколькими электродами, создающая реле электронных эффектов», поданная 13 августа 1948 г.
^ США 2673948 HF Mataré / H. Welker / Westinghouse, «Кристаллическое устройство для управления электрическими токами с помощью твердого полупроводника», французский приоритет, 13 августа 1948 г.
^ Брэдли, МЫ (декабрь 1953 г.). «Транзистор с поверхностным барьером: Часть I. Принципы работы транзистора с поверхностным барьером». Труды ИРЭ . 41 (12): 1702–1706. дои : 10.1109/JRPROC.1953.274351 . S2CID 51652314 .
^ The Wall Street Journal , 4 декабря 1953 г., стр. 4, статья «Philco утверждает, что ее транзистор превосходит другие, используемые сейчас»
^ Журнал Electronics, январь 1954 г., статья «Анонсированы гальванические транзисторы».
^ П. Маллери, Транзисторы и их схемы в системе коммутации платной перемычки 4А , AIEE Transactions, сентябрь 1953 г., стр.388
^ Еженедельник внешней торговли 1953 года; Том 49; стр.23
^ Челиковски, Дж. (2004) «Введение: кремний во всех его формах», с. 1 в Кремнии: эволюция и будущее технологии . П. Зифферт и Э. Ф. Криммель (ред.). Спрингер, ISBN 3-540-40546-1 .
^ МакФарланд, Грант (2006) Проектирование микропроцессора: практическое руководство от планирования проектирования до производства . МакГроу-Хилл Профессионал. п. 10. ISBN 0-07-145951-0 .
^ Лилиенфельд, Юлиус Эдгар, «Устройство для управления электрическим током», патент США № 1 900 018, 7 марта 1933 г. (подано в США 28 марта 1928 г.).
^ Д. Канг и С.М. Зе, «Плавающий вентиль и его применение в устройствах памяти», Технический журнал Bell System , том. 46, нет. 4, 1967, стр. 1288–1295.
^ Буономо, С.; Ронсисвалле, К.; Сколло, Р.; СТМикроэлектроника ; Мусумечи, С.; Пагано, Р.; Рачити, А.; Университет Катании, Италия (16 октября 2003 г.). IEEE (ред.). Новый монолитный биполярный транзистор с эмиттерным переключением (ESBT) в преобразователях высокого напряжения . 38-е ежегодное собрание IAS по протоколу конференции по отраслевым приложениям. Том. 3 из 3. Солт-Лейк-Сити. стр. 1810–1817. дои : 10.1109/IAS.2003.1257745 .
^ СТМикроэлектроника . «ЭСБЦ» . www.st.com . Проверено 17 февраля 2019 г. ST больше не предлагает эти компоненты, эта веб-страница пуста, а таблицы данных устарели.
^ Чжун Юань Чанг, Вилли MC Сансен, Малошумящие широкополосные усилители в биполярных и КМОП-технологиях , стр. 31, Springer, 1991 ISBN 0792390962 .
Амос С.В., Джеймс М.Р. (1999). Принципы транзисторных схем . Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-4427-3 .
Риордан, Майкл и Ходдесон, Лилиан (1998). Кристальный огонь . WW Нортон энд Компани Лимитед. ISBN 978-0-393-31851-7 . Изобретение транзистора и рождение информационного века
Уорнс, Лайонел (1998). Аналоговая и цифровая электроника . Macmillan Press Ltd. ISBN 978-0-333-65820-8 .
Силовой транзистор – температура и теплопередача ; 1-е изд; Джон МакВейн, Дана Робертс, Малкольм Смит; МакГроу-Хилл; 82 страницы; 1975 год; ISBN 978-0-07-001729-0 . (архив)
Анализ транзисторных цепей — теория и решения 235 проблем ; 2-е изд.; Альфред Гроннер; Саймон и Шустер; 244 страницы; 1970. (архив)
Транзисторная физика и схемы ; Р.Л. Риддл и член парламента Ристенбатт; Прентис-Холл; 1957.
Arc.Ask3.Ru Номер скриншота №: C6E078D6D21CC773D2E3BFACE680E190__1718156520 URL1:https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1: Transistor - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть, любые претензии не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, денежную единицу можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)
.jpg){kind=spacer}
.jpg)
