Транзистор — это полупроводниковое устройство , используемое 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]
Физик Юлиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора (FET) в 1926 году, но сконструировать работающее устройство в то время не удалось. [3] Первым работающим устройством был точечный транзистор, изобретенный в 1947 году физиками Джоном Бардином , Уолтером Брэттеном и Уильямом Шокли в Bell Labs ; за свои достижения все трое получили Нобелевскую премию по физике 1956 года . [4] Наиболее широко используемым типом транзисторов является полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), изобретенный Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. [5] [6] [7] Транзисторы произвели революцию в область электроники и проложила путь к меньшим и более дешевым радиоприемникам , калькуляторам , компьютерам и другим электронным устройствам.
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. Многие типы транзисторов производятся в соответствии со стандартизированными спецификациями несколькими производителями.
Термоэлектронный триод , вакуумная лампа, изобретенная в 1907 году, позволила усилить радиотехнологии и обеспечить телефонную связь на большие расстояния . 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] предназначенный для замены твердотельного триода. [10] [11] Он подал идентичные патенты в США в 1926 [12] и 1928 годах. [13] [14] Однако он не публиковал никаких исследовательских статей о своих устройствах и не приводил в своих патентах каких-либо конкретных примеров рабочий прототип. 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 лаборатории Bell Labs компании AT&T в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси , проводили эксперименты и наблюдали, что, когда два золотых точечных контакта были приложены к кристаллу германия , возникал 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]
Команда Шокли первоначально попыталась создать полевой транзистор (FET), пытаясь модулировать проводимость полупроводника, но безуспешно, в основном из-за проблем с поверхностными состояниями , оборванной связью и соединениями германия и меди . Попытка понять загадочные причины этой неудачи привела их к изобретению биполярных транзисторов с точечным контактом и переходом . [23] [24]
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 добиться его «перехода» 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 нескольких 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 маршрутизации, закодированной на картах транслятора. [33] Его предшественник, фототранзистор Western Electric № 3A , 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 была Regency TR-1 , выпущенный в октябре 1954 года. [22] Произведенный как совместное предприятие Regency Division of Industrial Development Engineering Associates, IDEA и Texas Instruments из Далласа, штат Техас, TR-1 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 .
Sony TR-63, выпущенный в 1957 году, был первым транзисторным радиоприемником массового производства, что привело к широкому распространению транзисторных радиоприемников. [41] К середине 1960-х годов по всему миру было продано семь миллионов TR-63. [42] Успех Sony с транзисторными радиоприемниками привел к тому, что транзисторы заменили электронные лампы в качестве доминирующей электронной технологии в конце 1950-х годов. [43]
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]
Основной принцип полевого транзистора (FET) был впервые предложен физиком Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом, когда он подал патент на устройство, подобное MESFET , в 1926 году, а также на полевой транзистор с изолированным затвором в 1928 году. [47] [48] Концепция полевого транзистора позже была также теоретизирована инженером Оскаром Хейлом в 1930-х годах и Уильямом Шокли в 1940-х годах.
В 1945 году JFET был запатентован Генрихом Велькером . [49] После теоретической разработки Шокли по JFET в 1952 году, рабочий практический JFET был создан в 1953 году Джорджем К. Дейси и Яном М. Россом . [50]
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. [51]
В первые годы полупроводниковой промышленности компании сосредоточились на переходном транзисторе , относительно громоздком устройстве, которое было трудно производить массово , что ограничивало его несколькими специализированными приложениями. Полевые транзисторы (FET) теоретически рассматривались как потенциальная альтернатива, но исследователи не смогли заставить их работать должным образом, в основном из-за барьера поверхностного состояния , который не позволял внешнему электрическому полю проникать в материал. [52]
В 1957 году инженер Bell Labs Мохамед Аталла предложил новый метод изготовления полупроводниковых устройств : покрытие кремниевой пластины изолирующим слоем оксида кремния , чтобы электричество могло преодолеть поверхностное состояние и надежно проникнуть в полупроводниковый кремний ниже. Процесс, известный как пассивация поверхности , стал критически важным для полупроводниковой промышленности , поскольку он позволил наладить массовое производство кремниевых интегральных схем . [53] [54] [55] Опираясь на этот метод, он разработал процесс металл-оксид-полупроводник (МОП) [53] и предположил, что его можно использовать для создания первого работающего кремниевого полевого транзистора.
Аталла и его корейский коллега Давон Кан в 1959 году разработали полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), или МОП-транзистор , [53] [5] [6] — первый транзистор, который можно было миниатюризировать и производить серийно для широкий спектр использования. [52] В процессе самовыравнивания КМОП транзистор формируется там, где слой затвора (поликремний или металл) пересекает диффузионный слой. [56] : стр.1 (см. рис. 1.1). Благодаря своей высокой масштабируемости , [57] гораздо меньшему энергопотреблению и более высокой плотности, чем у транзисторов с биполярным переходом, [58] МОП-транзисторы позволили создавать интегральные схемы высокой плотности , [7] позволяет интегрировать более 10 000 транзисторов в одну микросхему. [59]
КМОП (дополнительный МОП ) был изобретен Чи-Танг Са и Фрэнком Ванлассом из Fairchild Semiconductor в 1963 году. [60] Первое сообщение о МОП-транзисторе с плавающим затвором было сделано Давоном Кангом и Саймоном Се в 1967 году . МОП-транзистор с затвором был впервые продемонстрирован в 1984 году исследователями Электротехнической лаборатории Тосихиро Секигава и Ютака Хаяси. [62] [63] FinFET (плавниковый полевой транзистор), тип трехмерного непланарного многозатворного МОП-транзистора, возник в результате исследования Дига Хисамото и его команды в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году. [64] [65 ] ]
Поскольку транзисторы являются ключевыми активными компонентами практически всей современной электроники , многие считают их одним из величайших изобретений 20-го века. [66]
Изобретение первого транзистора в Bell Labs было названо вехой IEEE в 2009 году. [67] Другие вехи включают изобретения переходного транзистора в 1948 году и полевого МОП-транзистора в 1959 году. [68]
МОП-транзистор на сегодняшний день является наиболее широко используемым транзистором в различных приложениях, от компьютеров и электроники [54] до коммуникационных технологий, таких как смартфоны . [69] Его считали самым важным транзистором, [70], возможно, самым важным изобретением в электронике, [71] и устройством, которое позволило создать современную электронику. [72] Он лежит в основе современной цифровой электроники с конца 20-го века, прокладывая путь к цифровой эпохе . [73] Ведомство по патентам и товарным знакам США называет это «новаторским изобретением, которое изменило жизнь и культуру во всем мире». [69] Возможность массового производства с помощью высокоавтоматизированного процесса ( изготовление полупроводниковых приборов ) из относительно простых материалов позволяет добиться удивительно низких затрат на транзистор. МОП-транзисторы являются наиболее массово производимыми искусственными объектами в истории: к 2018 году было произведено более 13 секстиллионов [74].
Хотя каждая из нескольких компаний ежегодно производит более миллиарда МОП-транзисторов в индивидуальном корпусе (известных как дискретные ), [75] подавляющее большинство из них производится в виде интегральных схем (также известных как ИС , микрочипы или просто чипы ), а также диодов , резисторов , конденсаторы и другие электронные компоненты 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. [76] Транзисторы часто объединяются в логические элементы микропроцессоров для выполнения вычислений.
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.
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. [77]
Существует два типа транзисторов с небольшими различиями в том, как они используются:
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 как VBE . [78]
Транзисторы обычно используются в цифровых схемах в качестве электронных переключателей , которые могут находиться либо во включенном, либо в выключенном состоянии, как для приложений с высокой мощностью, таких как импульсные источники питания , так и для приложений с низким энергопотреблением, таких как логические элементы . Важные параметры для этого приложения включают коммутируемый ток, обрабатываемое напряжение и скорость переключения, характеризуемую временем нарастания и спада . [78]
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. [78]
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 . [79]
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 клемму базы. 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. [78] Значение базового резистора рассчитывается на основе напряжения питания, падения напряжения на переходе CE транзистора, тока коллектора и коэффициента усиления бета. [80]
Усилитель с общим эмиттером устроен 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 . [78]
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. [78]
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:
Транзисторы могут иметь следующие ограничения:
Транзисторы классифицируются по
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).
Полевой транзистор , иногда называемый униполярным транзистором , использует для проводимости либо электроны (в n-канальном полевом транзисторе ), либо дырки (в p-канальном полевом транзисторе ). 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 ниже порогового значения, а затем примерно с квадратичной скоростью: ( I DS ∝ ( V GS − VT ) 2 , где V T — пороговое напряжение, при котором начинается ток стока) [84] в « ограниченной объемным зарядом » области выше порога. В современных устройствах, например, на узле технологии 65 нм , квадратичное поведение не наблюдается . [85]
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 обеднения, 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] представляет собой тип полевого транзистора. транзистор, изготовленный 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 . [73] МОП-транзисторы составляют 99,9% всех транзисторов в мире. [86]
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. [87] 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 в месте перехода и удаляются от него), а 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. [87] 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 . Из-за этой экспоненциальной зависимости крутизна BJT выше, 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 , [88] на его долю приходится 99,9% всех транзисторов в мире. [86] Биполярный переходной 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.
Для обозначения транзисторных устройств используются три основных идентификационных стандарта. В каждом из них буквенно-цифровой префикс указывает на тип устройства.
Схема нумерации деталей JEDEC возникла в 1960-х годах в США. Номера транзисторных устройств JEDEC EIA-370 обычно начинаются с 2N , что указывает на трехконтактное устройство. Полевые транзисторы с двойным затвором 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 полупроводниковое обозначение JIS (|JIS-C-7012) обозначает транзисторные устройства, начинающиеся с 2S , [96] например, 2SD965, но иногда префикс «2S» не указан на упаковке – может быть указан только 2SD965. D965 и 2SC1815 могут быть указаны 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).
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 [97] ) или другими кодами, которые могут следовать за коэффициентом усиления (например, BC327-25) или номинальным напряжением (например, BUK854-800A). [98] ). 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 полевой транзистор Motorola ) 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).
Номерам военных частей иногда присваиваются их коды, например, в Британской системе наименования военных CV.
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 представляет собой (JEDEC) транзистор 2N2218 [99] [100] , которому также присвоен номер CV: CV7763 [101].
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 старые транзисторы со «сквозным отверстием» имеют корпусные аналоги для поверхностного монтажа , им, как правило, присваивают множество разных номеров деталей, поскольку у производителей есть свои системы, позволяющие справиться с разнообразием распиновки и вариантами 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. [102] В некоторых цепях для компенсации таких изменений необходимо использовать специальные компенсирующие элементы ( сенсоры ).
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.
Столбцы подвижности электронов и подвижности дырок показывают среднюю скорость, с которой электроны и дырки диффундируют через полупроводниковый материал при приложенном к материалу электрическом поле напряженностью 1 вольт на метр. 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:
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. Относительно 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 барьер GaAs-металл. развязка. 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. С другой стороны, некоторые микроволновые транзисторы поверхностного монтажа 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 суффиксной буквой 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: ATV, E-line, MRT, HRT, SC-43, SC-72, TO-3, TO-18, TO-39, TO-. 92, ТО-126, ТО220, ТО247, ТО251, ТО262, ЗТХ851.
Неупакованные транзисторные чипы (кристаллы) могут быть собраны в гибридные устройства. [103] 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). [103]
Исследователи создали несколько видов гибких транзисторов, в том числе органические полевые транзисторы . [104] [105] [106] Гибкие транзисторы используются в некоторых видах гибких дисплеев и другой гибкой электронике .
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь )В области электроники планарный кремниевый полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), пожалуй, самое важное изобретение.
ST больше не предлагает эти компоненты, эта веб-страница пуста, а таблицы данных устарели.
Гибридная схема определяется как сборка, содержащая оба активных полупроводниковых прибора (в корпусе и без корпуса).
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )