Transistor: pooljuhtkomponent, võimendi ja digitaalne lüliti

Transistor: põhjalik ülevaade pooljuhtkomponendist, tööpõhimõte ja kasutusvõimalused võimendites ning digitaalsetes lülitites (MOSFETid, üksikud paketid ja integreeritud vooluahelad).

Transistor on elektrooniline komponent, mida saab kasutada võimandi osana või lülitina. See on valmistatud pooljuhtmaterjalist (tavaliselt räni, vahel ka germaaniumist või ühendid nagu GaAs). Transistoreid leidub peaaegu kõigis kaasaegsetes elektroonikaseadmetes. Transistor tähistas pärast trioddtoru (triod) kasutusaega suurtehnoloogilist hüpet: see tegi võimalikuks väiksema energiatarbega, vastupidavamad ja kompaktsemad võimendid ja lülitid ning avaldas otsest mõju elektroonika miniatuuristumisele ja integreerimisele.

Transistori saab kasutada mitmesuguste ülesannete täitmiseks, sealhulgas heli- ja raadiosageduslike võimendite ehitamiseks ning arvutite mikroprotsessorite digitaalsete lülitite loomiseks. Digitaalses elektroonikas on eriti levinud MOSFETe, mida kasutatakse nii üksikute lülititena kui ka CMOS-tehnoloogias loogikagatterite ehitamisel. Mõned transistorid on üksikult pakendatud, peamiselt selleks, et nad saaksid suure võimsusega hakkama (nt helivõimendid, toitehaldus). Enamik tänapäeva transistoreid on aga osa integreeritud vooluahelatest, kus tuhanded kuni miljardid transistorid paiknevad ühel kiibil.

Kuidas transistor töötab (lihtsustus)

Transistor võib töötada kahes põhirežiimis: kui võimendina (analoogrežiim) või kui lülitina (digitaalne režiim). Bipolaartransistori (BJT) korral juhib väiksem vool baasis suuremat voolu emitteri ja kollektorivoolu vahel. MOSFETi puhul juhib pingeline värav (gate) kanalit source'i ja drain'i vahel, üle- või alavormest sõltuvalt tüübist. Transistori tööpisudena mainitakse tavaliselt olukordi nagu lõppjada (saturation), katkestus (cutoff) ja aktiivne režiim (lineaarne võimenduse režiim).

Tüübid ja terminid

• Bipolaartransistorid (BJT) — NPN ja PNP tüübid; kasutatavad analoogvõimendites, mõnedes lülitites ja vooluhõivatena.
• Väljatõuke- ja sissevõimsus-MOSFETid — levinud võimendi- ja lülitiiislahendused; MOSFETid on kaasaegses digitaal-elektroonikas domineeriv tüüp.
• JFET — pingega juhtitav transistor, kasutatakse mõnikord väikse müraga eelvõimendites.
• Spetsiaalsed transistorid — IGBT-d (tuginedes MOS-struktuurile ja bipolaarsele juhtivusele) võimsuselektroniikas, RF-transistorid raadiosagedusteks jpm.

Kasutusalad

• Audio- ja raadiosageduslikud võimendid
• Digitaalsed loogikaväravad ja mikroprotsessorite lülitid
• Toiteelektroonika — pingeregulaatorid, võimsuslülitid, mootori juhtimine
• Signaalitöötlus, meetri- ja sensorisüsteemid
• Raadiosageduslik signaali genereerimine ja tugevdamine

Olulised parameetrid ja praktilised aspektid

• Võimsus- ja pingepiirangud — maksimaalne kollektorivool (Ic), maksimaalne kollektor-emitteri pinge (Vce(max)).
• Võimendus — BJT-de puhul hFE (β), MOSFETide puhul transkonduktants (gm).
• Kiirus ja sagedusomadused — sobivus kõrgsageduslikuks tööks sõltub sisemistest parameetritest ja konstruktsioonist.
• Soojustus — võimsustingimuste korral on vajalik jahutus ehk radiaator; temperatuur mõjutab ka transistorite tööpunkte.
• Müratase ja tundlikkus — olulised eelkõige tundlikes eelvõimendites.
• Pakend ja monteerimine — TO-, SMD- ja muud pakendid; integratsioon tahvlile või kiibile.

Ajaloost lühidalt

Transistori avastamine 1947. aastal Bell Labsis (William Shockley, John Bardeen ja Walter Brattain) muutis elektroonika ajalugu: asendati suure osa vaakumtorude funktsioonidest ja võimaldati kiirem, väiksem ning energiasäästlikum elektroonika, mis viis mikroelektroonika ja arvutite kiire arenguni.

Transistor on tänapäeval üks elektroonika alustalasid — tema roll ulatub väikestest signaalidest kuni suurvõimsuslike lülititeni ning ta on igapäevaselt kasutusel nii lihtsates tarbeesemetes kui ka keerukates arvuti- ja telekommunikatsioonisüsteemides.

Kuidas nad töötavad

Transistoritel on kolm klemmipunkti: värav, äravool ja allikas (bipolaarse transistori puhul võib juhtmeid nimetada emitteriks, kollektoriks ja baasiks). Kui allikas (ehk emitter) on ühendatud patarei negatiivse klemmiga ja drenaaž (ehk kollektor) positiivse klemmiga, ei voola vooluringis elektrit (kui transistoriga on ainult lamp jadas). Aga kui te puudutate väravat ja äravoolu kokku, laseb transistor elektrit läbi. Seda seetõttu, et kui värav on positiivselt laetud, siis positiivsed elektronid lükkavad transistoris teisi positiivseid elektrone, lastes negatiivsetel elektronidel läbi voolata. Transistor võib töötada ka siis, kui värav on lihtsalt positiivselt laetud, nii et see ei pea puudutama äravoolu.

Visualiseerimine

Transistori toimimisest on lihtne mõelda kui voolikust, millel on terav kurv, mis takistab vee läbiminekut. Vesi on elektronid, ja kui väravat positiivselt laadida, siis see teeb vooliku lahti, lastes vee voolata.

Darlington-transistori põhiline vooluahel koosneb kahest bipolaartransistorist, mis on ühendatud emitteri ja baasi vahel, nii et nad toimivad ühe transistorina. Üks transistoridest on ühendatud nii, et see kontrollib teise transistori baasi voolu. See tähendab, et saate kontrollida sama suurt vooluhulka, kui baasi läheb väga väike vooluhulk.

Kui kesknõelale antakse voolu, võib voolu voolata.


Darlingtoni transistori elektrisümbol. B tähistab baasi, C tähistab kollektorit ja E tähistab emitterit.

Otsing