Устройство и принцип действия транзистора
Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электрическим током в цепи. Его работа основана на изменении проводимости материала под воздействием внешнего сигнала. Первый работающий транзистор был продемонстрирован в 1947 году в лаборатории Bell Labs, что положило начало эре твердотельной электроники. В отличие от вакуумных ламп, современные Транзисторы не требуют разогрева катода и работают при низких напряжениях, что обеспечило их массовое внедрение в портативные устройства.
Полупроводниковая структура и используемые материалы
Основой транзистора служит кристалл полупроводника, чаще всего кремния (Si) или германия (Ge). В современных приборах также применяют арсенид галлия (GaAs), карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN) для высокочастотных или мощных применений. Кристалл легируют донорными или акцепторными примесями, создавая области с электронной (n-тип) или дырочной (p-тип) проводимостью. В биполярном транзисторе формируются три слоя: эмиттер, база и коллектор, образующие два p-n-перехода. В полевом транзисторе структура включает исток, сток и затвор, а между истоком и стоком располагается канал, проводимость которого модулируется напряжением на затворе.
Механизм управления электрическим током
Управление током в транзисторе достигается за счет изменения напряжения или тока на управляющем электроде. В биполярном транзисторе малый ток базы вызывает значительно больший ток коллектора — это явление называется усилением тока. В полевом транзисторе ток через канал регулируется электрическим полем, создаваемым напряжением на затворе; ток затвора практически отсутствует, что обеспечивает высокое входное сопротивление. Транзистор преобразует слабый входной сигнал в более мощный выходной, не расходуя энергию на нагрев управляющего электрода.
Основные разновидности транзисторов
Биполярный транзистор — усиление тока
Биполярный транзистор (BJT) использует два типа носителей заряда — электроны и дырки. Он бывает двух структур: n-p-n и p-n-p. Основной характеристикой является коэффициент передачи тока базы (h21 или β), который для типичных маломощных транзисторов составляет от 100 до 500. Приращение тока базы на 1 мкА может вызвать изменение тока коллектора на 0,1–0,5 мА. Биполярные транзисторы требуют постоянного тока базы для поддержания открытого состояния, что ограничивает их применение в схемах с малым энергопотреблением.
Полевой транзистор — регулировка напряжением на затворе
Полевые транзисторы (FET) подразделяются на транзисторы с управляющим p-n-переходом (JFET) и с изолированным затвором (MOSFET). Наиболее распространены MOSFET — их затвор отделен от канала тонким слоем диоксида кремния (SiO2) толщиной порядка 1–10 нм. Входное сопротивление таких приборов превышает 1012 Ом, что позволяет управлять ими практически без затрат тока. Напряжение на затворе относительно истока (VGS) определяет проводимость канала: при нулевом напряжении транзистор может быть как открыт (деплеционный режим), так и закрыт (энхансментный режим).
Режимы работы транзистора
Транзистор как усилитель сигнала
В усилительном режиме транзистор работает в активной области: для биполярного — между насыщением и отсечкой, для полевого — в области насыщения тока стока. При этом выходной ток (коллектора или стока) пропорционален входному сигналу с некоторым коэффициентом. Классические схемы включения — с общим эмиттером, общим коллектором или общей базой — позволяют получать усиление по напряжению, току или мощности. Например, в схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по напряжению может достигать нескольких сотен. Линейность усиления ограничена величиной входного сигнала: при превышении определённого уровня возникают нелинейные искажения.
Транзистор в качестве электронного ключа
В ключевом режиме транзистор работает на границах активной области — полностью открыт (насыщение) или полностью закрыт (отсечка). В открытом состоянии напряжение «коллектор-эмиттер» (VCE(sat)) составляет 0,1–0,3 В для кремниевых биполярных транзисторов, а в закрытом — ток коллектора практически равен нулю. Такой режим используется в цифровых логических схемах, импульсных источниках питания и силовых преобразователях. Время переключения из закрытого состояния в открытое определяется скоростью перезаряда ёмкостей переходов; для современных MOSFET оно может составлять единицы наносекунд.
Важнейшие параметры транзисторов
Коэффициент усиления и частотный предел
Коэффициент усиления (β для BJT или крутизна S для FET) характеризует эффективность преобразования входного сигнала. Для биполярных транзисторов типичная граничная частота усиления по току (fT) лежит в диапазоне от 100 МГц до нескольких ГГц, а для полевых может превышать 10 ГГц. Частотный предел зависит от времени пролёта носителей через базу (в BJT) или длины канала (в FET). Например, транзистор с длиной затвора 0,18 мкм способен работать на частотах до 100 ГГц. С ростом рабочей частоты коэффициент усиления падает — обычно на 20 дБ на декаду.
Скорость переключения и зависимость от ёмкости переходов
Скорость переключения транзистора в ключевом режиме обратно пропорциональна суммарной ёмкости переходов (CGS, CGD для MOSFET; CBE, CBC для BJT). У типичного маломощного MOSFET ёмкость затвор-исток составляет 2–10 пФ, что при токе заряда 10 мА даёт время нарастания около 1–5 нс. Ёмкость Миллера (CGD) в MOSFET может увеличивать эффективную входную ёмкость в десятки раз, снижая быстродействие. Для уменьшения времени переключения применяют транзисторы с минимальными размерами канала и современные материалы с высокой подвижностью носителей.
Области применения транзисторов
Миниатюризация электронных схем
Транзисторы позволили создать интегральные микросхемы, в которых на одном кристалле кремния площадью несколько квадратных миллиметров размещаются миллиарды элементов. Согласно закону Мура, количество транзисторов на кристалле удваивалось примерно каждые два года; к 2024 году в процессорах общего назначения число транзисторов превышает 10 миллиардов. Такая плотность компоновки стала возможной благодаря фотолитографическим процессам с нормами 3–7 нм. Миниатюризация обеспечила появление компактных вычислительных устройств — смартфонов, носимой электроники, медицинских имплантатов.
Вытеснение электронных ламп
До изобретения транзистора основным активным элементом в электронике была вакуумная лампа (триод, пентод). Лампы требовали питания накала (обычно 6,3 В при токе до нескольких ампер), рабочего анодного напряжения 100–300 В и имели ресурс около 1000–2000 часов. Транзистор при тех же функциях потребляет в десятки раз меньше энергии, работает при напряжениях 1,8–5 В и служит десятки тысяч часов. Масса и габариты транзисторов на несколько порядков меньше ламповых аналогов. Именно эти преимущества привели к полному вытеснению ламп из бытовой аппаратуры к концу 1970-х годов; сегодня лампы используются лишь в некоторых аудиоустройствах и мощных радиопередатчиках.