Transistor

Für andere Verwendungen siehe Transistor (Disambiguierung).
Größenvergleich von BJT -Transistor Pakete von links nach rechts: SOT-23, To-92, To-126, To-3
Metalloxid-Sämiener-Feld-Effekt-Transistor (MOSFET), zeigen Tor (G), Körper (b), Quelle (s) und Abfluss (d) Klemmen. Das Tor wird durch eine Isolierschicht (rosa) vom Körper getrennt.

A Transistor ist ein Halbleitervorrichtung gewöhnt an verstärken oder Schalter elektrische Signale und Energie. Der Transistor ist einer der grundlegenden Bausteine ​​der Moderne Elektronik.[1] Es besteht aus Halbleitermaterialnormalerweise mit mindestens drei Terminals Für den Anschluss an eine elektronische Schaltung. EIN Stromspannung oder aktuell Angewendet auf ein Paar der Terminals des Transistors steuert den Strom durch ein anderes Klemmenpaar. Da die gesteuerte (Ausgangs-) Leistung höher sein kann als die Steuerung (Eingangsleistung), kann ein Transistor ein Signal verstärken. Einige Transistoren werden einzeln verpackt, aber viele weitere werden in eingebettetes in eingebettet integrierte Schaltkreise.

Österreichisch-ungarischer Physiker Julius Edgar Lilienfeld schlug das Konzept von a vor Feldeffekttransistor 1926, aber es war zu diesem Zeitpunkt nicht möglich, tatsächlich ein Arbeitsgerät zu erstellen.[2] Das erste Arbeitsgerät, das erstellt wurde, war a Punktkontakttransistor 1947 von amerikanischen Physikern erfunden John Bardeen und Walter Brattain während der Arbeit unter William Shockley bei Bell Labs. Die drei teilten die 1956 Nobelpreis für Physik für ihre Leistung.[3] Der am weitesten verbreitete Transistor ist die Metal-Oxid-Jemonial-Feld-Effekt-Transistor (MOSFET), das von erfunden wurde von Mohamed Atalla und Dawon Kahng 1959 bei Bell Labs.[4][5][6] Transistoren revolutionierten das Elektronikfeld und ebnete den Weg für kleinere und billigere Funkgeräte, Taschenrechner, und Computers, unter anderem.

Die meisten Transistoren werden aus sehr rein gemacht Siliziumund einige von GermaniumManchmal werden einige andere Halbleitermaterialien verwendet. Ein Transistor kann nur eine Art von Ladungsträger in einem Feld-Effekt-Transistor haben oder zwei Arten von Ladungsträgern in haben Bipolar -Junction -Transistor Geräte. Verglichen mit dem Vakuumröhre, Transistoren sind im Allgemeinen kleiner und erfordern weniger Strom. Bestimmte Vakuumröhrchen haben Vorteile gegenüber Transistoren bei sehr hohen Betriebsfrequenzen oder hohen Betriebsspannungen. Viele Arten von Transistoren werden zu standardisierten Spezifikationen von mehreren Herstellern hergestellt.

Geschichte

Hauptartikel: Vorgeschichte des Transistors
Julius Edgar Lilienfeld schlug das Konzept von a vor Feldeffekttransistor 1925.

Das thermionisch Triode, a Vakuumröhre 1907 erfunden, aktiviert verstärkt Radio Technologie und Fernstrecken Telefonie. Die Triode war jedoch ein fragiles Gerät, das eine beträchtliche Menge an Strom verbrauchte. Im Jahr 1909, Physiker William Eccles entdeckte den Kristalldiodenoszillator.[7] Österreichisch-ungarischer Physiker Julius Edgar Lilienfeld einpatent für a eingereicht Feldeffekttransistor (FET) in Kanada im Jahr 1925,[8] das sollte a sein fester Zustand Austausch für die Triode.[9][10] Lilienfeld reichte 1926 auch identische Patente in den Vereinigten Staaten ein[11] und 1928.[12][13] Lilienfeld veröffentlichte jedoch weder Forschungsartikel über seine Geräte, noch zitierten seine Patente spezifische Beispiele für einen Arbeitsprototyp. Weil die Produktion von hochwertiger Qualität Halbleiter Die Materialien waren noch Jahrzehnte entfernt, Lilienfelds Festkörperverstärker-Ideen hätten in den 1920er und 1930er Jahren nicht praktisch verwendet, auch wenn ein solches Gerät gebaut worden wäre.[14] 1934 der deutsche Erfinder Oskar Heil patentierte ein ähnliches Gerät in Europa.[15]

Bipolare Transistoren

John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain bei Bell Labs 1948. Bardeen und Brattain erfanden die Punktkontakttransistor 1947 und Shockley die Bipolar -Junction -Transistor 1948.
Eine Nachbildung des ersten arbeitenden Transistors, a Punktkontakttransistor 1947 erfunden
Weitere Informationen: Punktkontakttransistor und Bipolar -Junction -Transistor

Vom 17. November 1947 bis 23. Dezember 1947, John Bardeen und Walter Brattain bei AT&T's Bell Labs in Murray Hill, New Jersey, durchgeführte Experimente und beobachtete, dass, wenn zwei Goldpunktkontakte auf einen Kristall von angewendet wurden GermaniumEs wurde ein Signal erzeugt, wobei die Ausgangsleistung größer als der Eingang ist.[16] Leiter der Solid State Physics Group William Shockley sah das Potenzial in diesem und in den nächsten Monaten daran, das Wissen von stark auszubauen Halbleiter. Der Begriff Transistor wurde von geprägt von John R. Pierce Als Kontraktion des Begriffs Transressistenz.[17][18][19] Entsprechend Lillian Hoddeson Und Vicki Daitch hatte Shockley vorgeschlagen, dass Bell Labs 'erstes Patent für einen Transistor auf der Feldeffekte basieren sollte und dass er als Erfinder genannt wird. Nachdem die Anwälte von Bell Labs von Lilienfelds Patenten entdeckt hatten, die vor Jahren in die Dunkelheit geraten waren, riet die Anwälte von Bell Labs gegen Shockleys Vorschlag, weil die Idee eines Feld-Effekt-Transistors, der ein elektrisches Feld als "Netz" verwendete, nicht neu war. Stattdessen war BARDEEN, Brattain und Shockley 1947 erfunden, der erste Punktkontakttransistor.[14] Bei Anerkennung dieser Leistung wurden Shockley, Bardeen und Brattain gemeinsam mit dem 1956 ausgezeichnet Nobelpreis für Physik "Für ihre Forschungen zu Halbleitern und ihre Entdeckung des Transistoreffekts".[20][21]

Das Forschungsteam von Shockley versuchte zunächst, einen Feldeffekttransistor (FET) zu errichten, indem er versuchte, die Leitfähigkeit eines Halbleiters zu modulieren, war jedoch hauptsächlich aufgrund von Problemen mit dem Oberflächenzustände, das baumelnde Bindung, und die Germanium und Kupfer zusammengesetzte Materialien. Während des Versuchs, die mysteriösen Gründe für ihr Versagen eines funktionierenden FET zu verstehen, führte sie stattdessen dazu, den Bipolar zu erfinden Punktkontakt und Junction -Transistoren.[22][23]

Herbert Mataré 1950 erfand er im Juni 1948 unabhängig einen Punktkontakttransistor.

1948 wurde der Point-Contact-Transistor von deutschen Physikern unabhängig erfunden Herbert Mataré und Heinrich Welker während der Arbeit bei der Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse, a Westinghouse Tochtergesellschaft in Paris. Mataré hatte bereits Erfahrung in der Entwicklung Kristallgleichrichter aus Silizium und Germanium im Deutschen Radar Bemühungen während Zweiter Weltkrieg. Mit diesem Wissen begann er 1947 mit der Erforschung des Phänomens der "Einmischung" Dezember 1947. Als die Wissenschaftler von Bell Labs den Transistor bereits vor ihnen erfunden hatten, beeilte sich das Unternehmen, seinen "Übergang" für verstärkte Verwendung im französischen Telefonnetz in die Produktion zu bringen, und reichte am 13. August 1948 seinen ersten Transistor -Patentantrag ein.[24][25][26]

Der Erste Bipolare Junction -Transistoren wurden von William Shockley von Bell Labs erfunden, das am 26. Juni 1948 ein Patent (2.569.347) beantragte. Am 12. April 1950, Bell Labs Chemists Gordon Teal und Morgan sparks hatte erfolgreich einen funktionierenden bipolaren NPN -Übergangsanschluss des Germaniumtransistors erstellt. Bell Labs hatte die Entdeckung dieses neuen "Sandwich" -Transistors in einer Pressemitteilung am 4. Juli 1951 angekündigt.[27][28]

Der Transistor der Philco Surface Barrier entwickelte und produziert 1953

Der erste Hochfrequenztransistor war der Oberflächenbarrier-Germaniumtransistor entwickelt von Philco 1953 in der Lage, mit Frequenzen bis hin zu operieren zu können 60 MHz.[29] Diese wurden durch Ätzen von Depressionen in eine Germaniumbasis vom N-Typ von beiden Seiten mit Jets von gemacht Indium (iii) Sulfat Bis es ein paar zehntausendsteldicke dick waren. Indium In die Depressionen bildeten den Sammler und den Emitter.[30][31]

AT & T verwendete erstmals Transistoren in Telekommunikationsgeräten in Schaltkreisen des Nr. 4A -Mautschalternschaltsystems im Jahr 1953 zur Auswahl von Stammschaltkreisen aus Routing -Informationen, die auf Übersetzerkarten codiert sind.[32] Die westliche Elektromutn Nr. 3A Phototransistor Lesen Sie die mechanische Codierung von geschlagenen Metallkarten.

Die erste "Prototyp" -Tasche Transistorradio wurde von intermetall gezeigt (ein Unternehmen, das von gegründet wurde von Herbert Mataré im Jahr 1952) am Internationale Funkausstellung Düsseldorf Zwischen dem 29. August 1953 und 6. September 1953.[33][34] Das erste "Produktion" -Pocket -Transistor -Radio war das Regency TR-1, veröffentlicht im Oktober 1954.[21] Erstellt als Joint Venture zwischen der Regentschaftsabteilung für Industrial Development Engineering Associates, I.D.E.A. und Texas Instrumente von Dallas Texas wurde das TR-1 in Indianapolis, Indiana, hergestellt. Es war ein fein intellozialer Radio mit 4 Transistoren und einer Germaniumdiode. Das industrielle Design wurde an das Chicagoer Unternehmen Painter, Teague und Petertil ausgelagert. Es wurde ursprünglich in einer von sechs verschiedenen Farben veröffentlicht: Schwarz, Elfenbein, Mandarinrot, Wolkengrau, Mahagoni und Olivengrün. Andere Farben sollten in Kürze folgen.[35][36][37]

Die erste "Produktion" Alltransistor Car Radio wurde von Chrysler und entwickelt Philco Unternehmen und es wurde in der Ausgabe des Wall Street Journal vom 28. April 1955 bekannt gegeben. Chrysler hatte das All-Transistor Car Radio, Mopar Model 914HR, ab Herbst 1955 für seine neue Linie von Chrysler und imperialer Autos von 1956 erhältlich, die am 21. Oktober 1955 erstmals den Händlerausstellungsböden trafen.[38][39][40]

Das Sony TR-63, das 1957 veröffentlicht wurde, war das erste mit Massenproduktion produzierte Transistor-Radio, das zur Massenmarket-Penetration von Transistorradios führte.[41] Der TR-63 verkaufte Mitte der 1960er Jahre sieben Millionen Einheiten weltweit.[42] Der Erfolg von Sony mit Transistorradios führte dazu, dass Transistoren Vakuumrohre als dominant ersetzten Elektronische Technologie In den späten 1950er Jahren.[43]

Der erste arbeitende Siliziumtransistor wurde am 26. Januar 1954 von Bell Labs entwickelt, von Morris Tanenbaum. Der erste kommerzielle Siliziumtransistor wurde von produziert von Texas Instrumente 1954. Dies war die Arbeit von Gordon Teal, ein Experte für den Anbau von Kristallen mit hoher Reinheit, der zuvor bei Bell Labs gearbeitet hatte.[44][45][46]

Feldeffekttransistoren

Hauptartikel: Feldeffekttransistor

Das Grundprinzip der Feldeffekttransistor (FET) wurde erstmals vom österreichischen Physiker vorgeschlagen Julius Edgar Lilienfeld 1926, als er a einreichte Patent für ein Gerät ähnlich wie Mesfet und 1928, als er ein Patent für einen Feld-Effekt-Transistor isoliert Gate einreichte.[47][48] Das FET -Konzept wurde später auch vom deutschen Ingenieur theoretisiert Oskar Heil in den 1930er Jahren und von William Shockley In den 1940er Jahren.

1945 Jfet wurde patentiert von Heinrich Welker.[49] Nach der theoretischen Behandlung von Shockleys theoretischer Behandlung von JFET im Jahr 1952 wurde 1953 von George C. Dacey und einem funktionierenden praktischen JFET durchgeführt und erstellt Ian M. Ross.[50]

1948 patentierte Bardeen den Vorläufer von MOSFET, einem isolierten Gate-FET (IGFET) mit einer Inversionsschicht. Bardeens Patent sowie das Konzept einer Inversionsschicht bilden heute die Grundlage für die CMOS -Technologie.[51]

MOSFET (MOS -Transistor)

Hauptartikel: Mosfet
Mohamed Atalla (links) und Dawon Kahng (rechts) erfand die Mosfet (MOS -Transistor) in Bell Labs im Jahr 1959.

Halbleiterunternehmen konzentrierten sich zunächst auf Junction -Transistoren in den ersten Jahren der Halbleiterindustrie. Der Junction -Transistor war ein relativ sperriges Gerät, das schwierig war Massenproduktion, die es auf mehrere spezialisierte Anwendungen beschränkte. Feldeffekttransistoren (FETs) wurden als potenzielle Alternativen zu Junction -Transistoren theoretisiert, aber die Forscher konnten FETs zunächst nicht ordnungsgemäß funktionieren, hauptsächlich aufgrund der störenden Oberflächenzustand Barriere, die das Äußere verhinderte elektrisches Feld vom Eindringen des Materials.[52]

In den 1950er Jahren der ägyptische Ingenieur Mohamed Atalla untersuchten die Oberflächeneigenschaften von Silizium Halbleiter in Bell Labs, wo er eine neue Methode von vorschlug Herstellung von Halbleitervorrichtungen, Beschichtung a Siliziumwafer mit einer isolierenden Schicht von Siliziumoxid so dass Strom zuverlässig in das leitende Silizium unten eindringen und die Oberflächenzustände überwinden konnte, die verhinderten, dass Elektrizität die halbleitende Schicht erreichte. Dies ist bekannt als als Oberflächenpassivierung, eine Methode, die für die entscheidend wurde Halbleiterindustrie wie es später die Massenproduktion von Silizium ermöglichte integrierte Schaltkreise.[53][54] Er präsentierte seine Ergebnisse 1957.[55] Er baute auf seiner Oberflächen -Passivierungsmethode auf und entwickelte die Metal -Oxid -Jemonductor (MOS) Prozess.[53] Er schlug vor, dass der MOS Dawon Kahng.[53]

Das Metal-Oxid-Jemonial-Feld-Effekt-Transistor (MOSFET) oder MOS -Transistor, wurde 1959 von Mohamed Atalla und Dawon Kahng erfunden.[4][5] Das MOSFET war der erste wirklich kompakte Transistor, der für eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten miniaturisiert und massenproduziert werden konnte.[52] In einem selbstausgerichteten CMOs Prozess wird ein Transistor gebildet, wo die Gate -Schicht (Polysilicium oder Metall) eine Diffusionsschicht überschreitet.[56]: S.1 (siehe Abb. 1.1) Mit hohe Skalierbarkeit,[57] und viel geringer Stromverbrauch und höhere Dichte als bipolare Übergangstransistoren,[58] Das MOSFET ermöglichte es, bauen zu können Hohe Dichte integrierte Schaltkreise,[6] Ermöglichen der Integration von mehr als 10.000 Transistoren in einen einzigen IC.[59]

CMOs (komplementär Mos) wurde erfunden von Chih-Tang Sah und Frank Wanlass bei Fairchild Semiconductor 1963.[60] Der erste Bericht von a schwimmend-gate MOSFET wurde von Dawon Kahng gemacht und Simon Sze 1967.[61] A Doppelgate MOSFET wurde erstmals 1984 von demonstriert Elektrotechnisches Labor Forscher Toshihiro Sekigawa und Yutaka Hayashi.[62][63] Flossen (Flossenfeldeffekttransistor), eine Art 3D-Nicht-Planarer Multi-Gate MOSFET, stammt aus der Forschung von Digh Hisamoto und seinem Team bei Hitachi Central Research Laboratory 1989.[64][65]

Bedeutung

Transistoren sind die wichtigsten aktiven Komponenten in praktisch allen modernen Elektronik. Viele betrachten den Transistor daher als eine der größten Erfindungen des 20. Jahrhunderts.[66]

Die Erfindung des ersten Transistors in Bell Labs wurde als eine ernannt IEEE Meilenstein in 2009.[67] Die Liste der IEEE -Meilensteine ​​enthält auch die Erfindungen der Junction Transistor 1948 und das MOSFET im Jahr 1959.[68]

Das Mosfet (Metalle-Oxid-Semiconductor-Feldeffekttransistor), auch als MOS-Transistor bekannt Computers und Elektronik[54] zu Kommunikationstechnik wie zum Beispiel Smartphones.[69] Das MOSFET wurde als der wichtigste Transistor angesehen,[70] möglicherweise die wichtigste Erfindung in der Elektronik,[71] und die Geburt der modernen Elektronik.[72] Der MOS -Transistor war der grundlegende Baustein der Moderne Digitale Elektronik Seit dem späten 20. Jahrhundert den Weg für das ebnen digitales Zeitalter.[73] Das US -Patent- und Markenbüro nennt es eine "bahnbrechende Erfindung, die Leben und Kultur auf der ganzen Welt verändert".[69] Seine Bedeutung in heute Gesellschaft ruht sich auf seine Fähigkeit aus, zu sein Massenproduktion Verwendung eines hoch automatisierten Prozesss (Herstellung von Halbleitervorrichtungen) Das erreicht erstaunlich niedrige Kosten pro Transistor. MOSFETs sind die am meisten hergestellten künstlichen Objekte aller Zeiten mit mehr als 13 Sextillionen, die bis 2018 hergestellt wurden.[74]

Obwohl mehrere Unternehmen jeweils über eine Milliarde einzeln verpackt werden (bekannt als diskret) MOS -Transistoren jedes Jahr,[75] Die überwiegende Mehrheit der Transistoren wird jetzt in produziert integrierte Schaltkreise (oft verkürzt auf IC, Mikrochips oder einfach Chips), zusammen mit Dioden, Widerstände, Kondensatoren und andere elektronische Bauteile, um vollständige elektronische Schaltkreise zu erzeugen. EIN Logik -Tor besteht aus bis zu ungefähr zwanzig Transistoren, während ein Fortgeschrittenen Mikroprozessorab 2021 können bis zu 39 Milliarden Transistoren verwendet werden (Mosfets).[76]

Die niedrigen Kosten, Flexibilität und Zuverlässigkeit des Transistors haben es zu einem allgegenwärtigen Gerät gemacht. Transistorisiert mechatronisch Schaltungen haben ersetzt elektromechanische Geräte Bei der Kontrolle von Geräten und Maschinen. Es ist oft einfacher und billiger, einen Standard zu verwenden Mikrocontroller und schreiben a Computer Programm eine Steuerfunktion ausführen, als ein äquivalentes mechanisches System zu entwerfen, um dieselbe Funktion zu steuern.

Vereinfachte Betrieb

A Darlington Transistor Im Inneren ist der tatsächliche Transistorchip (das kleine Quadrat) zu sehen. Ein Darlington -Transistor ist effektiv zwei Transistoren auf demselben Chip. Ein Transistor ist viel größer als der andere, aber beide sind im Vergleich zu Transistoren in groß Große Integration Weil dieses spezielle Beispiel für Stromanwendungen bestimmt ist.
Ein einfaches Schaltplan, um die Etiketten eines n -p -n -bipolaren Transistors anzuzeigen

Ein Transistor kann ein kleines Signal verwenden, das zwischen einem Paar seiner Klemmen angewendet wird, um ein viel größeres Signal an einem anderen Klemmenpaar zu steuern. Diese Eigenschaft heißt gewinnen. Es kann ein stärkeres Ausgangssignal, eine Spannung oder einen Strom erzeugen, das proportional zu einem schwächeren Eingangssignal ist und somit als Verstärker. Alternativ kann der Transistor verwendet werden, um den Strom in einer Schaltung als elektrisch gesteuertem Strom ein- oder auszuschalten Schalter, wo die Strommenge durch andere Schaltungselemente bestimmt wird.[77]

Es gibt zwei Arten von Transistoren, die geringfügige Unterschiede in der Art und Weise aufweisen, wie sie in einer Schaltung verwendet werden. EIN Bipolarer Transistor hat Terminals gekennzeichnet Base, Kollektor, und Emitter. Ein kleiner Strom am Basisterminal (dh zwischen der Basis und dem Emitter) kann einen viel größeren Strom zwischen den Kollektor- und Emitterterminals steuern oder wechseln. Für ein FeldeffekttransistorDie Terminals sind gekennzeichnet Tor, Quelle, und Abflussund eine Spannung am Tor kann einen Strom zwischen Quelle und Abfluss steuern.[78]

Das Bild repräsentiert einen typischen bipolaren Transistor in einer Schaltung. Eine Ladung fließt je nach Strom in der Basis zwischen Emitter- und Kollektorterminals. Da sich die Basis- und Emitterverbindungen intern wie eine Halbleiterdiode verhalten, entwickelt sich ein Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter, während der Basisstrom existiert. Die Menge dieser Spannung hängt von dem Material ab, aus dem der Transistor hergestellt wird und der als bezeichnet wird VSEIN.[78]

Transistor als Schalter

BJT wurde als elektronischer Schalter in der geerdeten Emitterkonfiguration verwendet

Transistoren werden üblicherweise in verwendet Digitale Schaltungen als elektronische Schalter, die entweder in einem "Ein" oder "Aus" -Zustand sein können, beide für Hochleistungsanwendungen wie z. Stromversorgungsversorgungen und für Anwendungen mit geringer Leistung wie z. Logik -Tore. Wichtige Parameter für diese Anwendung umfassen den Strom umgeschaltet, die Spannung gehandhabt und die Schaltgeschwindigkeit, die durch die gekennzeichnet ist Anstiegs- und Herbstzeiten.[78]

In einem Schaltkreis ist das Ziel, so nah wie möglich der ideale Schalter zu simulieren, der die Eigenschaften eines offenen Stromkreises beim Ausschalten, beim Einschalten und einen momentanen Übergang zwischen den beiden Zuständen aufweist. Die Parameter werden so ausgewählt, dass der Ausgang "Aus" auf Leckageströme beschränkt ist, die zu klein sind, um verbundene Schaltkreise zu beeinflussen, der Widerstand des Transistors im "On" -Zustand zu klein, um die Schaltkreise zu beeinflussen, und der Übergang zwischen den beiden Zuständen ist schnell genug keine schädliche Wirkung haben.[78]

In einer geerdeten Emitter-Transistor-Schaltung, wie z. Die Kollektorspannung fällt aufgrund des reduzierten Widerstands des Sammlers zum Emitter ab. Wenn die Spannungsdifferenz zwischen Kollektor und Emitter Null (oder nahe Null) wäre, wäre der Kollektorstrom nur durch den Lastwiderstand (Glühbirne) und die Versorgungsspannung begrenzt. Das nennt man Sättigung Weil der Strom vom Sammler zu freiem Emitter fließt. Wenn gesättigt, soll der Schalter sein an.[79]

Die Verwendung von bipolaren Transistoren zum Schalten von Anwendungen erfordert die Verzerrung des Transistors so, dass er zwischen dem Grenzbereich im Off-State und der Sättigungsregion betrieben wird (Sättigungsbereich (an). Dies erfordert einen ausreichenden Basisantriebsstrom. Da der Transistor Stromverstärkung liefert, erleichtert er das Umschalten eines relativ großen Stroms im Kollektor um einen viel kleineren Strom in das Basisanschluss. Das Verhältnis dieser Ströme variiert abhängig von der Art des Transistors und auch für einen bestimmten Typ, je nach Sammlerstrom. Im Beispiel einer leichten Schaltkreis, wie gezeigt, wird der Widerstand ausgewählt, um genügend Basisstrom bereitzustellen, um sicherzustellen, dass der Transistor gesättigt ist.[78] Der Basiswiderstandswert wird aus der Versorgungsspannung, dem Transistor C-E-Anschlussspannungsabfall, dem Kollektorstrom und dem Beta des Amplifikationsfaktors berechnet.[80]

Transistor als Verstärker

Verstärkerschaltung, Konfiguration der Common-Emitter mit einem Spannungs-Divider-Vorspannungskreislauf

Das Common-Emitter-Verstärker ist so konzipiert, dass eine kleine Spannungsänderung (Vin) ändert den kleinen Strom durch die Basis des Transistors, dessen Stromverstärkung in Kombination mit den Eigenschaften der Schaltung bedeutet, dass kleine Schwankungen in Vin erzeugen große Veränderungen in Vaus.[78]

Verschiedene Konfigurationen von einzelnen Transistorverstärkern sind möglich, wobei einige Stromverstärkung, einige Spannungsverstärkung und einige beides bieten.

Aus Mobiltelefone zu FernseherEine große Anzahl von Produkten umfasst Verstärker für Tonwiedergabe, Funkübertragung, und Signalverarbeitung. Der erste diskrete Transistor-Audioverstärker lieferte kaum ein paar hundert Milliwatt, aber die Strom- und Audio-Treue nahm allmählich zu, da bessere Transistoren zur Verfügung standen und die Verstärkerarchitektur entwickelte.[78]

Moderne Transistor -Audioverstärker von bis zu einigen hundert Watts sind häufig und relativ kostengünstig.

Vergleich mit Vakuumröhrchen

Bevor Transistoren entwickelt wurden, Vakuum (Elektronen-) Röhrchen (oder in Großbritannien "Thermionventile" oder nur "Ventile") waren die wichtigsten aktiven Komponenten in elektronischen Geräten.

Vorteile

Die wichtigsten Vorteile, mit denen Transistoren in den meisten Anwendungen Vakuumrohre ersetzen konnten, sind

  • Keine Kathodenheizung (die den charakteristischen orangefarbenen Röhrchen erzeugt), reduziert den Stromverbrauch, die Verzögerung als Rohrheizung aufwärmen und immun von Immun Kathodenvergiftung und Erschöpfung.
  • Sehr geringe Größe und Gewicht, reduzierende Gerätegröße.
  • Eine große Anzahl extrem kleiner Transistoren kann als Single hergestellt werden Integrierter Schaltkreis.
  • Niedrige Betriebsspannungen, die mit Batterien von nur wenigen Zellen kompatibel sind.
  • Schaltkreise mit größerer Energieeffizienz sind normalerweise möglich. Insbesondere für Anwendungen mit geringer Leistung (z. B. Spannungsverstärkung) kann der Energieverbrauch sehr viel geringer sein als bei Röhrchen.
  • Ergänzende Geräte zur Verfügung, die Konstruktionsflexibilität umfassen, einschließlich Komplementärsymmetrie Schaltkreise, nicht möglich mit Vakuumröhrchen.
  • Sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Schock und Vibration, sorgt für physische Robustheit und beseitigt praktisch schockinduzierte falsche Signale (zum Beispiel, Mikrofonik in Audioanwendungen).
  • Nicht anfällig für Bruch eines Glasumschlags, Leckage, Outgassing und anderen physischen Schäden.

Einschränkungen

Transistoren können die folgenden Einschränkungen haben:

  • Ihnen fehlt das höhere Elektronenmobilität vom Vakuum von Vakuumröhrchen gewährt, das für Hochleistungs-Hochfrequenzbetrieb wünschenswert ist-wie die in einigen Over-der-Luft Fernsehsender und in Wanderwellenrohre In einigen Satelliten als Verstärker verwendet
  • Transistoren und andere Festkörpergeräte sind anfällig für Beschädigungen durch sehr kurze elektrische und thermische Ereignisse, einschließlich elektrostatische Entladung im Handling. Vakuumrohre sind elektrisch viel robuster.
  • Sie reagieren empfindlich gegenüber Strahlung und kosmischen Strahlen (speziell strahlungsgehärtet Chips werden für Raumfahrzeuge verwendet).
  • In Audioanwendungen fehlt den Transistoren die niedrigere Verzerrung-die sogenannte Röhrengeräusch- Was für Vakuumröhrchen charakteristisch ist und von einigen bevorzugt wird.[81]

Typen

Einstufung

BJT PNP symbol.svg PNP JFET P-Channel Labelled.svg P-Kanal
BJT NPN symbol.svg Npn JFET N-Channel Labelled.svg N-Kanal
BJT Jfet
BJT- und JFET -Symbole
IGFET P-Ch Enh Labelled.svg IGFET P-Ch Enh Labelled simplified.svg IGFET P-Ch Dep Labelled.svg P-Kanal
IGFET N-Ch Enh Labelled.svg IGFET N-Ch Enh Labelled simplified.svg IGFET N-Ch Dep Labelled.svg N-Kanal
Mosfet Enh MOSFET DEP
MOSFET -Symbole

Transistoren werden durch kategorisiert nach

Daher kann ein bestimmter Transistor als beschrieben werden Silizium, Oberflächenmontage, BJT, NPN, Low-Power-, Hochfrequenzschalter.

Mnemonik

Praktisch mnemonisch sich an die Art des Transistors erinnern (dargestellt durch a elektrisches Symbol) beinhaltet die Richtung des Pfeils. Für die BJT, auf an n-p-n Transistorsymbol, der Pfeil wird "Not PSalint iN". Auf einen p-n-p Transistorsymbol, der Pfeil "PSalint iN PRoudly ". Dies gilt jedoch nicht für MOSFET-basierte Transistorsymbole, da der Pfeil typischerweise umgekehrt ist (d. H. Der Pfeil für die N-P-N-Punkte im Inneren).

Feldeffekttransistor (FET)

Hauptartikel: Feldeffekttransistor
Siehe auch: Jfet
Betrieb von a Fet und sein Id-Vg Kurve. Wenn zunächst keine Gate -Spannung angewendet wird, gibt es keine Inversionselektronen im Kanal, sodass das Gerät ausgeschaltet ist. Mit zunehmender Gate -Spannung steigt die Inversion -Elektronendichte im Kanal, der Strom steigt und somit wird das Gerät eingeschaltet.

Das Feldeffekttransistor, manchmal genannt Unipolarer Transistorverwendet entweder Elektronen (in N-Kanalfet) oder Löcher (in P-Kanalfet) für die Leitung. Die vier Terminals des FET werden benannt Quelle, Tor, Abfluss, und Karosserie (Substrat). Bei den meisten FETs ist der Körper mit der Quelle innerhalb des Pakets verbunden, und dies wird für die folgende Beschreibung angenommen.

In einem FET fließt der Stromabfluss über einen leitenden Kanal, der die verbindet Quelle Region zum Abfluss Region. Die Leitfähigkeit wird durch das elektrische Feld variiert, das erzeugt wird, wenn eine Spannung zwischen dem Gate- und der Quellanschlüsse angewendet wird. Daher wird der Strom zwischen dem Abfluss und der Quelle durch die zwischen Gate und Quelle aufgebrachte Spannung gesteuert. Als Gate -Source -Spannung (VGs) wird erhöht, der Drain -Source -Strom (IDs) erhöht exponentiell für VGs unterhalb der Schwelle und dann mit einer ungefähr quadratischen Geschwindigkeit: (IDs ∝ (VGs − VT)2, wo VT ist die Schwellenspannung, bei der der Abflussstrom beginnt)[84] in dem "Raumladung begrenzt"Region oberhalb der Schwelle. Ein quadratisches Verhalten wird beispielsweise in modernen Geräten nicht beobachtet 65 nm Technologieknoten.[85]

Bei geringem Geräusch bei schmal BandbreiteDer höhere Eingangswiderstand des FET ist vorteilhaft.

FETs sind in zwei Familien unterteilt: Junction FET (Jfet) und Isoliertes Tor FET (IGFET). Das IGFET ist allgemeiner als a bekannt Metall -Oxid -Semiconductor FET (Mosfet), reflektiert seine ursprüngliche Konstruktion aus Metallschichten (Gate), Oxid (Isolierung) und Halbleiter. Im Gegensatz zu IGFETs bildet das JFET -Tor a P - N Diode mit dem Kanal, der zwischen Quelle und Abflüssen liegt. Funktionell macht das N-Kanal-Jfet das Festkörper-Äquivalent des Vakuumröhrchens Triode was in ähnlicher Weise eine Diode zwischen ihrer bildet Netz und Kathode. Außerdem arbeiten beide Geräte in der Depletion-ModeBeide haben eine hohe Eingangsimpedanz und leiten beide Strom unter der Kontrolle einer Eingangsspannung.

Metall -Justiz -FETS (FETS (Mesfets) sind jfets, in denen die umgekehrt voreingenommen P - N Junction wird durch a ersetzt Metall -Semedonductor -Übergang. Diese und die Hemts (Hochelektronenmobilitätstransistoren oder HFETs), bei denen ein zweidimensionales Elektronengas mit sehr hoher Trägermobilität für den Ladungstransport verwendet wird, eignen sich besonders für die Verwendung bei sehr hohen Frequenzen (mehrere GHz).

FETs sind weiter unterteilt in Depletion-Mode und Verbesserungsmodus Typen, je nachdem, ob der Kanal mit Null-Gate-to-Source-Spannung ein- oder ausgeschaltet ist. Für den Verbesserungsmodus ist der Kanal bei null Vorspannung ausgeschaltet und ein Gate -Potential kann die Leitung "verbessern". Für den Depletionsmodus ist der Kanal bei Null eine Vorspannung, und ein Gate -Potential (der entgegengesetzten Polarität) kann den Kanal "erschöpfen" und die Leitung verringern. Für den beiden Modus entspricht eine positivere Gate-Spannung einem höheren Strom für N-Kanalgeräte und einen niedrigeren Strom für P-Kanal-Geräte. Nahezu alle JFETs sind Depletions-Modus, da die Diodenverbindungen die Verzerrung und das Leiten weiterleiten würden, wenn sie Verbesserungsmodusgeräte wären, während die meisten IGFETs Verbesserungsmodus-Typen sind.

Metal -Oxid -Semiconductor -FET (MOSFET)

Hauptartikel: Mosfet

Der Metalloxid-Sämiener-Feld-Effekt-Transistor (Mosfet, MOS-FET oder MOS-FET), auch bekannt als Metal-Oxid-Silicon-Transistor (MOS-Transistor oder MOS),[6] ist eine Art von Feldeffekttransistor, nämlich erfunden bis zum kontrollierte Oxidation eines Halbleiters typischerweise Silizium. Es hat einen isolierten Tor, deren Spannung die Leitfähigkeit des Geräts bestimmt. Diese Fähigkeit, die Leitfähigkeit mit der Menge der angelegten Spannung zu ändern Signale. Das MOSFET ist bei weitem der häufigste Transistor und der grundlegende Baustein der meisten modernen Elektronik.[73] Das MOSFET macht 99,9% aller Transistoren der Welt aus.[86]

Bipolar -Junction -Transistor (BJT)

Hauptartikel: Bipolar -Junction -Transistor

Bipolare Transistoren werden so benannt Träger. Der Bipolare Junction-Transistor, der erste Typ von Transistor, der Massenproduzent ist, ist eine Kombination aus zwei Übergangsdioden und bildet entweder eine dünne Schicht aus P-Typ-Halbleiter, die zwischen zwei N-Typ-Halbleitern (einem n-p-p-n Transistor) oder eine dünne Schicht aus N-Typ-Halbleitern zwischen zwei P-Typ-Halbleitern (einem P-N-P-P-Transistor). Diese Konstruktion erzeugt zwei P -N -Übergänge: Eine Basis-Emitter-Verbindung und eine Basiskollektorverbindung, getrennt durch einen dünnen Region des Halbleiterns, der als Basisregion bekannt ist. (Zwei Übergangsdioden, die miteinander verkabelt wurden, ohne eine intervenierende halbleitende Region zu teilen, ist kein Transistor).

BJTs haben drei Terminals, die den drei Halbleiterschichten entsprechen - an Emitter, a Base, und ein Kollektor. Sie sind nützlich in Verstärker Weil die Ströme am Emitter und des Sammlers durch einen relativ kleinen Basisstrom kontrollierbar sind.[87] In einem N-P-N-Transistor, der in der aktiven Region tätig ist, ist der Emitter-Base-Übergang vorwärts verzerrt (Elektronen und Löcher Rekombination an der Kreuzung), und der Basiskollektorverbiss ist umgekehrt vorgespannt (Elektronen und Löcher werden bei der Kreuzung weggebildet), und Elektronen werden in den Basisbereich injiziert. Da die Basis eng ist, diffundieren die meisten dieser Elektronen in den umgekehrten Basis-Sammler-Übergang und werden in den Kollektor gefegt. Vielleicht werden einhundertstel der Elektronen in der Basis rekombinieren, was der dominierende Mechanismus im Basisstrom ist. Da die Basis leicht dotiert ist (im Vergleich zu den Emitter- und Kollektorregionen), sind die Rekombinationsraten niedrig, sodass mehr Träger im gesamten Basisbereich diffundieren können. Durch die Steuerung der Anzahl der Elektronen, die die Basis verlassen können, kann die Anzahl der Elektronen, die in den Kollektor eintreten, gesteuert werden.[87] Der Kollektorstrom ist ungefähr β (Common-Emitter-Strom-Strömungsgewinn) mit dem Basisstrom. Es ist in der Regel für kleine Signaltransistoren größer als 100, kann bei Transistoren, die für Hochleistungsanwendungen ausgelegt sind, kleiner sein.

Im Gegensatz zum Feldeffekttransistor (siehe unten) ist die BJT ein Gerät mit niedrigem Eingangsimpedanz. Auch als Basis-Emitter-Spannung (VSEIN) wird der Basis-Emitter-Strom erhöht und daher der Collector-Emitter-Strom (ICe) exponentiell nach dem erhöhen Shockley Diodenmodell und die Ebers-Moll-Modell. Aufgrund dieser exponentiellen Beziehung hat die BJT eine höhere Transkonduktanz als der FET.

Bipolare Transistoren können durch Licht ausgesetzt werden, da die Absorption von Photonen im Basisbereich einen Photostrom erzeugt, der als Basisstrom wirkt; Der Kollektorstrom ist ungefähr β -mal das Photostrom. Zu diesem Zweck entwickelte Geräte haben ein transparentes Fenster im Paket und werden aufgerufen Phototransistoren.

Verwendung von MOSFets und BJTs

Das Mosfet ist bei weitem der am häufigsten verwendete Transistor für beide Digitale Schaltungen ebenso gut wie Analoge Schaltungen,[88] Berücksichtigung von 99,9% aller Transistoren der Welt.[86] Das Bipolar -Junction -Transistor (BJT) war bisher der am häufigsten verwendete Transistor in den 1950er bis 1960er Jahren. Auch nachdem MOSFets in den 1970er Jahren weit verbreitet waren, blieb die BJT für viele analoge Schaltungen wie Verstärker aufgrund ihrer größeren Linearität bis zu MOSFET -Geräten (wie z. Power MOSFets, Ldmos und RF CMOS) ersetzte sie für die meisten elektronische Leistungsstärke Anwendungen in den 1980er Jahren. Im integrierte SchaltkreiseDie wünschenswerten Eigenschaften von MOSFets ermöglichten es ihnen, in den 1970er Jahren nahezu alle Marktanteile für digitale Schaltkreise zu erfassen. Diskrete MOSFETs (typischerweise leitende MOSFETs) können bei Transistoranwendungen angewendet werden, einschließlich analoge Schaltungen, Spannungsregulatoren, Verstärker, Stromsender und Motorfahrer.

Andere Transistortypen

Transistorsymbol erstellt auf Portugiesischer Bürgersteig in dem Universität von Aveiro
Für frühe bipolare Transistoren siehe Bipolare Übergangstransistor § Bipolare Transistoren.

Geräteidentifikation

Für die Feststellung von Transistorgeräten werden drei Hauptidentifikationsstandards verwendet. In jeweils das alphanumerische Präfix liefert Hinweise auf den Typ des Geräts.

Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC)

Das JEDEC Das Teil der Nummerierung entwickelte sich in den 1960er Jahren in den USA. Der jedec EIA-370 Transistor -Gerätenummern beginnen normalerweise mit 2nAngabe eines Drei-terminalen Geräts. Dual-Gate Feldeffekttransistoren sind vier terminale Geräte und beginnen mit 3n. Auf das Präfix folgt eine zwei-, drei- oder vierstellige Zahl ohne Bedeutung für die Geräteeigenschaften, obwohl frühe Geräte mit geringen Zahlen tendenziell deutsche Geräte sind. Zum Beispiel, 2n3055 ist ein Silizium -N -P -N -Power -Transistor, 2N1301 ist ein P -N -P -Deutsch -Switching -Transistor. Ein Buchstabensuffix wie "A" wird manchmal verwendet, um eine neuere Variante anzuzeigen, aber selten Gruppierungen zu gewinnen.

JEDEC -Präfix -Tabelle
Präfix Typ und Verwendung
1n Zwei-terminaler Gerät wie Dioden
2n Drei-terminales Gerät wie Transistoren oder Einzelstuhl Feldeffekttransistoren
3n Vier-terminales Gerät wie Dual-Gate-Feldeffekttransistoren

Japanischer Industriestandard (JIS)

In Japan die Jis Semiconductor Bezeichnung (| JIS-C-7012), Beschriftungen Transistor-Geräte beginnend mit 2s,[96] z. B. 2SD965, aber manchmal ist das "2S" -Präfix auf dem Paket nicht markiert - ein 2SD965 ist möglicherweise nur gekennzeichnet D965 und ein 2SC1815 könnte von einem Lieferanten so einfach aufgeführt werden C1815. Diese Serie hat manchmal Suffixe, wie z. R, O, Bl, steht für rot, Orange, blauusw., um Varianten wie enger zu bezeichnen hFe (Gewinn) Gruppierungen.

JIS -Transistor -Präfix -Tabelle
Präfix Typ und Verwendung
2SA Hochfrequenz P-N-P BJT
2SB Audiofrequenz P-N-P BJT
2SC Hochfrequenz N-P-N BJT
2sd Audiofrequenz N-P-N BJT
2SJ P-Kanal-FET (sowohl JFET als auch MOSFET)
2sk N-Kanal-FET (sowohl JFET als auch MOSFET)

EECA EELECEAN ELEKTRONISCHE BESTELLUNGEN ASSOCIATION (EECA)

Die European Electronic Component Manufacturers Association (EECA) verwendet ein Nummerierungsschema, das von vererbt wurde Pro Elektron Wenn es 1983 mit der EECA zusammengeführt wurde. Dieses Schema beginnt mit zwei Buchstaben: Der erste gibt den Halbleitertyp (A für Germanium, B für Silizium und C für Materialien wie Gaas); Der zweite Buchstabe bezeichnet die beabsichtigte Verwendung (A für Diode, C für allgemeiner Transistor usw.). Eine dreistellige Sequenznummer (oder ein Buchstaben und zwei Ziffern für Industriearten) folgt. Bei frühen Geräten zeigte dies den Falltyp an. Suffixe können mit einem Buchstaben verwendet werden (z. B. "C" bedeutet oft hoch hFe, wie in: BC549c[97]) oder andere Codes können folgen, um die Verstärkung (z. B. BC327-25) oder Spannung (z. B. BUK854-800A) anzuzeigen[98]). Die häufigeren Präfixe sind:

EECA -Transistor -Präfix -Tabelle
Präfix Typ und Verwendung Beispiel Äquivalent Bezug
AC Germanium, kleines Signal Af Transistor AC126 Nte102a
ANZEIGE Germanium, Af Power Transistor AD133 NTE179
Af Germanium, kleines Signal Rf Transistor AF117 NTE160
Al Germanium, Rf Power Transistor ALZ10 NTE100
WIE Germanium, Transistor wechseln ASY28 NTE101
AU Germanium, Stromveränderungstransistor AU103 NTE127
BC Silizium, Small-Signal Transistor ("Allgemeinzweck") BC548 2N3904 Datenblatt
Bd Silizium, Krafttransistor BD139 NTE375 Datenblatt
Bf Silizium, Rf (Hochfrequenz) BJT oder Fet BF245 NTE133 Datenblatt
BS Silizium, Schalttransistor (BJT oder Mosfet) BS170 2N7000 Datenblatt
Bl Silizium, Hochfrequenz, hohe Leistung (für Sender) BLW60 NTE325 Datenblatt
Bu Silizium, Hochspannung (für Crt Horizontale Ablenkungsschaltungen) BU2520A NTE2354 Datenblatt
Vgl Galliumarsenid, kleines Signal Mikrowelle Transistor (Mesfet)) CF739 — Datenblatt
Cl Galliumarsenid, Mikrowelle Stromtransistor (Fet) Cly10 — Datenblatt

Proprietär

Hersteller von Geräten können beispielsweise ihr proprietäres Nummernsystem haben CK722. Da sind Geräte Zweitqualzein Präfix eines Herstellers (wie "MPF" in MPF102, das ursprünglich a bezeichnen würde Motorola Fet) jetzt ist ein unzuverlässiger Indikator dafür, wer das Gerät hergestellt hat. Einige proprietäre Namensschemata übernehmen Teile anderer Namensschemata, zum Beispiel ist ein PN2222A ein (möglicherweise Fairchild Semiconductor) 2N2222a in einem Plastikgehäuse (aber ein PN108 ist eine plastische Version eines BC108, nicht ein 2n108, während der PN100 nicht mit anderen XX100 -Geräten zu tun hat).

Militärische Teilenzahlen werden manchmal ihre Codes zugewiesen, wie das britische Namensunterhaltsnamensystem.

Hersteller, die eine große Anzahl ähnlicher Teile kaufen, können sie mit "Hausnummern" geliefert werden, die eine bestimmte Einkaufspezifikation identifizieren und nicht unbedingt ein Gerät mit einer standardisierten registrierten Nummer. Beispielsweise ist ein HP -Teil 1854.0053 ein (JEDEC) 2N2218 -Transistor[99][100] Das wird auch die CV -Nummer zugewiesen: CV7763[101]

Namensprobleme

Bei so vielen unabhängigen Namensschemata und der Abkürzung von Teilzahlen, wenn sie auf den Geräten gedruckt werden, tritt manchmal Unklarheiten auf. Zum Beispiel können zwei verschiedene Geräte als "J176" gekennzeichnet sein (einer der J176-Low-Power Jfet, der andere das höhere Kraft Mosfet 2SJ176).

Als ältere "Durchloch" -Transistoren werden gegeben Oberflächenmontage Verpackte Gegenstücke werden in der Regel viele verschiedene Teilenummern zugewiesen, da Hersteller ihre Systeme mit der Sorte in umgehen können Pinout Arrangements und Optionen für duale oder übereinstimmende N -P -N + P -N -P -Geräte in einem Pack. Selbst wenn das ursprüngliche Gerät (z. B. ein 2N3904) möglicherweise von einer Standardbehörde zugewiesen und im Laufe der Jahre von Ingenieuren bekannt ist, sind die neuen Versionen bei ihrer Benennung alles andere als standardisiert.

Konstruktion

Halbleitermaterial

Halbleitermaterialeigenschaften
Halbleiter
Material		 Junction Forward
Spannung bei 25 ° C, v		 Elektronenmobilität
@ 25 ° C, m2/(V · s)		 Lochmobilität
@ 25 ° C, m2/(V · s)		 Max. Kreuzung
Temperatur.° C
Ge 0,27 0,39 0,19 70 bis 100
Si 0,71 0,14 0,05 150 bis 200
Gaas 1.03 0,85 0,05 150 bis 200
Al -Si Junction 0,3 — — 150 bis 200

Die ersten BJTs wurden aus gemacht Germanium (GE). Silizium (SI) Typen werden derzeit vorherrschen, aber bestimmte fortschrittliche Mikrowellen- und Hochleistungsversionen verwenden jetzt die zusammengesetzter Halbleiter Material Galliumarsenid (Gaas) und die Halbleiterlegierung Silizium-Germanium (Sige). Einzelelement -Halbleitermaterial (GE und Si) wird als beschrieben als elementar.

In der benachbarten Tabelle sind grobe Parameter für die häufigsten Halbleitermaterialien angegeben. Diese Parameter variieren mit einer Erhöhung der Temperatur, des elektrischen Feldes, des Verunreinigungsniveaus, der Dehnung und des sonnenigen anderen Faktoren.

Das Verbindungsspannung Ist die auf die Emitter-Basis-Übergang eines BJT angewendete Spannung, um den Basis-Betrieb zu einem bestimmten Strom zu machen. Der Strom erhöht sich exponentiell, wenn die Anschlussspannung erhöht wird. Die in der Tabelle angegebenen Werte sind typisch für einen Strom von 1 mA (die gleichen Werte gelten für Halbleiterdioden). Je niedriger die Überspannung der Übergangsspannung ist, desto besser, da dies bedeutet, dass weniger Strom erforderlich ist, um den Transistor zu "fahren". Die Übergangsspannung für einen bestimmten Strom nimmt mit einer Temperaturanstieg ab. Für eine typische Siliziumverbindung beträgt die Änderung –2,1 mV/° C.[102] In einigen Schaltungen spezielle Kompensationselemente (Senssistoren) muss verwendet werden, um solche Änderungen zu kompensieren.

Die Dichte der mobilen Träger im Kanal eines MOSFET ist eine Funktion des elektrischen Feldes, das den Kanal und verschiedene andere Phänomene wie das Verunreinigungsniveau im Kanal bildet. Einige Verunreinigungen, die als Dotiermittel bezeichnet werden, werden absichtlich bei der Herstellung eines MOSFET eingeführt, um das elektrische Verhalten des MOSFET zu kontrollieren.

Das Elektronenmobilität und Lochmobilität Säulen zeigen die Durchschnittsgeschwindigkeit, die Elektronen und Löcher durch das Halbleitermaterial mit einem diffundieren elektrisches Feld von 1 Volt pro Meter über das Material aufgetragen. Je höher die Elektronenmobilität ist, desto schneller kann der Transistor arbeiten. Die Tabelle zeigt, dass GE in dieser Hinsicht ein besseres Material als SI ist. GE hat jedoch vier Hauptmängel im Vergleich zu Silizium und Galliumarsenid:

  1. Die maximale Temperatur ist begrenzt.
  2. Es hat relativ hoch Leckstrom.
  3. Es kann nicht hohen Spannungen standhalten.
  4. Es ist weniger für die Herstellung integrierter Schaltungen geeignet.

Da die Elektronenmobilität höher ist als die Lochmobilität für alle Halbleitermaterialien, ein gegebenes Bipolar N -P -N -Transistor tendiert dazu, zu wecken als ein Äquivalent P -N -P -Transistor. Gaas hat die höchste Elektronenmobilität der drei Halbleiter. Aus diesem Grund wird GaAs in Hochfrequenzanwendungen verwendet. Ein relativ neuer[wenn?] FET -Entwicklung, die Hochelektronenmobilitätstransistor (Hemt) hat a Heterostruktur (Kreuzung zwischen verschiedenen Halbleitermaterialien) von Aluminiumgalliumarsenid (Algaas) -Galliumarsenid (GAAs), das doppelt so hoch ist wie die Elektronenmobilität eines Gaas-Metal-Barrieres Junction. Aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit und niedrigen Geräusche werden Hämten in Satellitenempfänger verwendet, die bei Frequenzen bei etwa 12 GHz arbeiten. Hemts basierend auf Galliumnitrid und Aluminiumgalliumnitrid (Algan/Gan Hemts) liefern immer noch eine höhere Elektronenmobilität und werden für verschiedene Anwendungen entwickelt.

Maximal Stellentemperatur Die Werte stellen einen Querschnitt dar, der aus den Datenblättern verschiedener Hersteller entnommen wird. Diese Temperatur sollte nicht überschritten werden oder der Transistor kann beschädigt werden.

Al -Si Junction bezieht Schottky Diode. Dies ist in der Tabelle enthalten, weil einige Siliziumleistung IGFETs a haben parasitär Umgekehrte Schottky -Diode, die sich zwischen Quelle und Drain als Teil des Herstellungsprozesses gebildet hat. Diese Diode kann ein Ärgernis sein, aber manchmal wird sie in der Schaltung verwendet.

Verpackung

Siehe auch: Halbleiterpaket und Chipträger
Verschiedene diskrete Transistoren
Sowjet KT315B Transistoren

Diskrete Transistoren können einzeln verpackte Transistoren oder ausgepackte Transistorchips (-stimmungen) sein.

Transistoren kommen in vielen verschiedenen Halbleiterpakete (siehe Bild). Die beiden Hauptkategorien sind Durchschnitt (oder geführt), und Oberflächenmontage, auch bekannt als Oberflächenmontagevorrichtung (Smd). Das Kugelgitteranordnung (BGA) ist das neueste Oberflächen-Mount-Paket. Es hat Löten "Bälle" auf der Unterseite anstelle von Leads. Da sie kleiner sind und kürzere Verbindungen aufweisen, haben SMDs bessere Hochfrequenzeigenschaften, aber niedrigere Leistungsbewertungen.

Transistorpakete bestehen aus Glas, Metall, Keramik oder Kunststoff. Das Paket bestimmt häufig die Leistungsbewertung und die Frequenzeigenschaften. Power -Transistoren haben größere Pakete, an die geklemmt werden kann Temperatur fällt zur verstärkten Kühlung. Darüber hinaus haben die meisten Leistungstransistoren den Kollektor oder drainieren physisch mit dem Metallgehäuse verbunden. Im anderen Extrem Mikrowelle Transistoren sind so klein wie Sandkörner.

Oft ist ein bestimmter Transistor -Typ in mehreren Paketen erhältlich. Transistorpakete sind hauptsächlich standardisiert, aber die Zuordnung der Funktionen eines Transistors zu den Terminals ist nicht: Andere Transistor -Typen können den Terminals des Pakets andere Funktionen zuweisen. Selbst für denselben Transistor -Typ kann die terminale Zuordnung variieren (normalerweise durch einen Suffix -Buchstaben an die Teilenummer, q. E. BC212L und BC212K).

Heutzutage sind die meisten Transistoren in einer Vielzahl von SMT-Paketen erhältlich. Im Vergleich dazu ist die Liste der verfügbaren Durchlöcherpakete relativ klein. MRT, HRT, SC-43, SC-72, TO-3, TO-18, TO-39, bis 92, TO-126, TO220, TO247, TO251, TO262, ZTX851.

Entpackte Transistorchips (Würfel) können in Hybridgeräte zusammengesetzt werden.[103] Das IBM SLT Das Modul der 1960er Jahre ist ein Beispiel für ein solches Hybridschaltungsmodul unter Verwendung von Glas -Passivierungsträger (und Dioden). Andere Verpackungstechniken für diskrete Transistoren wie Chips umfassen Direkter Chip -Anhang (DCA) und Chip-on-Board (COB).[103]

Flexible Transistoren

Forscher haben verschiedene Arten flexibler Transistoren gemacht, einschließlich Organische Feldeffekttransistoren.[104][105][106] Flexible Transistoren sind in einigen Arten von nützlich Flexible Anzeigen und andere Flexible Elektronik.

Siehe auch

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Weitere Lektüre

Bücher
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  • Der Leistungstransistor - Temperatur- und Wärmeübertragung; 1. Ed; John McWane, Dana Roberts, Malcom Smith; McGraw-Hill; 82 Seiten; 1975; ISBN978-0-07-001729-0. (Archiv)
  • Analyse der Transistorschaltung - Theorie und Lösungen für 235 Probleme; 2. Aufl.; Alfred Gronner; Simon und Schuster; 244 Seiten; 1970. (Archiv)
  • Transistorphysik und Schaltkreise; R. L. Riddle und M.P. Ristenbatt; Prentice-Hall; 1957.
Zeitschriften
Datenbank

Externe Links

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