Wie funktionieren Transistoren?

Ein Transistor ist ein Halbleitergerät, das den Strom steuertEs in fast allen modernen elektronischen Systemen, einschließlich Mikroprozessoren, Verstärkern und Schalter, in denen die Fähigkeit, die Ströme schnell einzuschalten, eine komplexe und Hochgeschwindigkeitsverarbeitung beim Computer ermöglicht.

Katalog

Verständnis der Kernstruktur von Transistoren

Im Herzen eines Transistors liegt die PN -Übergang, die sich im Baustein dieser elektronischen Komponente bildet.Ein Transistor besteht aus zwei PN-Verbindungen, die hintereinander angeordnet sind und entweder eine NPN- oder PNP-Struktur erzeugen.Da NPN -Transistoren aus Silizium den Markt dominieren, werden wir uns in dieser Erklärung auf den Silizium -NPN -Transistor konzentrieren.

NPN -Transistorstruktur

Bei einem NPN -Transistor wird der Elektronenfluss vom Emitter zum Kollektor von der Basis gesteuert.Wenn ein kleiner Strom in die Basis fließt, kann ein größerer Strom vom Emitter an den Sammler übergeben, wodurch eine Verstärkung oder das Schalten ermöglicht werden kann.

Ein NPN -Transistor besteht aus drei Regionen:

• Emitter (N-Typ)

Stark dotiert, um eine hohe Elektronenkonzentration bereitzustellen.

• Basis (p-Typ)

Dünn und leicht dotiert, wodurch der gesteuerte Elektronenfluss.

• Sammler (N-Typ)

Leicht mit einem größeren Bereich dotiert im Vergleich zum Emitter, um Elektronen effizient zu sammeln.

Vergleich von NPN- und PNP -Konfigurationen

Diese Auswahl hängt von den spezifischen Anwendungsanforderungen ab, z. B. Verstärkung oder Umschaltung.Silizium -NPN -Transistoren werden häufig für ihre beeindruckende Geschwindigkeits- und Leistungsbekämpfung bevorzugt, eine Auswahl, die durch eine Fülle experimenteller Daten und die intrinsischen Qualitäten von Silizium informiert wird.

Die komplexe Schicht, die für die Erstellung von Übergang erforderlich ist, verwendet präzise Abscheidungstechniken wie chemische Dampfablagerung und Photolithographie.Diese ermöglichen eine detaillierte Kontrolle über die Integrität und Funktionalität der Junction, und präsentieren Branchenstandards, die über Jahre hinweg verfeinert wurden.

Die Einbeziehung dieser Transistoren in Schaltkreise erfordert auch ein Verständnis ihrer thermischen und elektrischen Parameter.Fortschritte in der Materialwissenschaft und -technik erweitern diese Grenzen weiterhin und ebnen den Weg für weitere Miniaturisierungs- und Effizienzgewinne.

Transistor -Betriebszustände

Grenzzustand

Im Cutoff -Zustand ist die auf die Emitterverbindlichkeit des Transistor angewendete Spannung geringer als der Schwellenwert, der für die PN -Übergang erforderlich ist.Infolgedessen gibt es keinen Basisstrom, Kollektorstrom oder Emitterstrom, und der Transistor verstärkt den Strom nicht.Der Transistor ist "aus", und der Sammler und Emitter haben ungefähr die gleiche Spannung.

Aktiver Zustand

Der Transistor betritt den aktiven Zustand, wenn die Emitterverbindung vorwärts gerichtet ist und der Kollektorverbiss umgekehrt ist.In diesem Zustand überschreitet die Spannung über den Emitterverbiss die Einschaltspannung der PN-Übergang, wodurch der Strom fließen kann.Der Basisstrom steuert den Kollektorstrom und ermöglicht dem Transistor das Eingangssignal.Die Stromverstärkung (β) ist definiert als β = ΔIC/ΔIB, wobei IC der Kollektorstrom und IB der Basisstrom ist.

Sättigungszustand

In der Sättigung ist die auf den Emitterverbindungs ​​angelegte Spannung höher als die Leitungsspannung des PN -Übergangs, und der Basisstrom hat sich auf einen Punkt erhöht, an dem weitere Erhöhungen nicht zu einem proportionalen Anstieg des Kollektorstroms führen.Der Transistor verliert seine Verstärkungsfähigkeit und verhält sich wie ein geschlossener Schalter.Die Spannung zwischen Kollektor und Emitter ist sehr niedrig und signalisiert, dass der Transistor "auf" und in einem vollständig leitenden Zustand ist.

Der Betriebszustand eines Transistors kann identifiziert werden, indem die Spannung an jedem seiner Terminals (Basis, Sammler und Emitter) gemessen wird.Sie können Multimeter verwenden, um den Betriebszustand von Transistoren während der Wartung oder Fehlerbehebung zu bewerten.

Prinzipien der Transistorfunktionalität

Es gibt zwei Haupttypen von Transistoren, die auf ihren Materialien basieren: Germanium und Silizium.Jedes von diesen kann zwei strukturelle Konfigurationen haben: NPN und PNP.Die am häufigsten verwendeten Transistoren sind jedoch Silizium -NPN- und Germanium -PNP -Transistoren.

• N-Typ-Halbleiter, Phosphor, wird zu reinem Silizium zugesetzt, um freie Elektronen zu erzeugen, die zur elektrischen Leitung beitragen.

• Halbleiter vom P-Typ, Bor, wird hinzugefügt, wodurch Löcher (positive Ladungsträger) eingeführt wird, die die Leitung erleichtern.

Obwohl NPN- und PNP -Transistoren unterschiedliche Stromversorgungspolaritäten haben, sind ihre Arbeitsprinzipien gleich.Im Folgenden konzentrieren wir uns auf den aktuellen Amplifikationsprozess bei NPN -Siliziumtransistoren.

Stromfluss bei NPN -Transistoren in einem NPN -Transistor

• Der nach vorwärts gerichtete Emitterverbiss ermöglicht einen Elektronenfluss vom Emitter zur Basis.Da die Basis sehr dünn ist, gehen die meisten Elektronen durch die Basis und erreichen den Kollektor und bilden den Kollektorstrom (IC).

• Eine kleine Anzahl von Elektronen rekombine mit Löchern in der Basis, wodurch ein kleiner Basisstrom (IB) erzeugt wird.Der Emitterstrom (dh) ist die Summe der Basis- und Sammlerströme:

Diese Beziehung zeigt, dass der Großteil des Emitterstroms in den Sammler fließt, wobei nur ein kleiner Teil in die Basis geht.

Stromverstärkung

Die aktuelle Amplifikationseigenschaft eines NPN -Transistors kann durch zwei Schlüsselfaktoren beschrieben werden:

• Gleichstromverstärkung (β₁): Es ist das Verhältnis des Kollektorstroms zum Basisstrom IB.

• Wechselstromverstärkung (β): Es ist das Verhältnis der Änderung des Kollektorstroms ΔIC zur Änderung des Basisstroms ΔIB während der dynamischen (AC) -Operation.

Bei niedrigen Frequenzen sind die DC- und Wechselstromgewinne ähnlich, sodass sie oft nicht streng unterschieden werden.

Stromverstärkung in der gemeinsamen Basiskonfiguration

In einer gemeinsamen Basiskonfiguration wird die Stromverstärkung durch α definiert:

• Gleichstromverstärkung (α₁): Es ist das Verhältnis des Kollektorstrom -IC zum Emitterstrom dh.

• Wechselstromverstärkung (α): Ähnlich wie β ist α als das Verhältnis der Änderung des Kollektorstroms ΔIC zur Änderung des Emitterstroms ΔIE definiert.

In den meisten Fällen liegt α nahe 1, was bedeutet, dass fast der gesamte Emitterstrom in den Sammler fließt.

Beziehung zwischen β und α

Die Beziehung zwischen β und α kann als:

​

oder umgekehrt:

​

Dies zeigt, dass β, wenn sich α nähert, groß wird, was den Transistor zu einem effizienten Stromverstärker macht.

Obwohl Transistoren hauptsächlich Stromverstärker sind, werden sie häufig in Schaltungen als Spannungsverstärker verwendet.Dies geschieht durch Umwandlung des amplifizierten Stroms in Spannung mit Resistenten in der Schaltung, sodass kleine Änderungen des Eingangsstroms (an der Basis) Änderungen der Ausgangsspannung (am Kollektor) erzeugen, um Änderungen der Ausgangsspannung zu erzeugen.

Transistorverstärkungsmechanismus

Dynamik der Elektronenbewegung und der Stromerzeugung

Elektronen von der Basis sind für die Einleitung des Emitterstroms (dh) verantwortlich.Diese Elektronen navigieren durch Konzentrationsgradienten und diffundieren über den Basisbereich, um den Kollektor zu erreichen.Diese Reise, die in der Bildung des Sammlerstroms (IC) gipfelt, beeinflusst die Fähigkeit des Transistors, Signale zu verstärken.

Verbreitung, Rekombination und ihre Auswirkungen

Das Potenzial für die Amplifikation bei Transistoren wird durch den Anteil der Elektronen, die den Kollektor erfolgreich erfolgreich diffundieren, tief beeinflusst, die mit Löchern in der Basis rekombinieren.Dieses Gleichgewicht besteht darin, den Gewinn zu definieren und sich auf verschiedene Anwendungen auswirken, die den Standard -Transistor -Gebrauch überschreiten.Eine gezielte Manipulation dieser Faktoren kann die Verstärkungsfähigkeiten erhöhen.

Strategisches Design in der Verstärkung

Das Schaltungsdesign betont häufig Strategien, um die Elektronen zu steigern, die den Kollektor erreichen und gleichzeitig die Rekombination verringern.Die Präzision in den Dotierungsniveaus und die Auswahl der Materialien besteht darin, die Elektronenmobilität zu optimieren und die Rekombinationsraten zu verwalten.Ingenieure setzen diese Strategien an, wobei die Transistormerkmale akribisch angepasst werden, um Ziele wie eine größere Bandbreite und Energieeffizienz zu erreichen.Diese Selbstbeobachtung kann zu neuartigen Lösungen führen.

Fortschritte bei der Verbesserung der Transistor

Durch die Auswahl von Halbleitermaterialien und mit Genauigkeitsentwürfen sind die Transistorverstärkungen mit Genauigkeit zu erreichen.Einblicke in das Elektronenverhalten fördern Innovationen und erweitern die Grenzen der technologischen Fähigkeiten.Der Prozess verstärkt die Fähigkeiten im Gerät und öffnet den Wegen zu zukünftigen Fortschritten und bereichert den Technologieumfang.

Transistorenverstärkerkreis

Ein Verstärkerkreis, der aus Transistoren besteht, ist ein grundlegender Baustein in komplexeren Verstärkungssystemen.Es nutzt die Eigenschaften von Halbleitergeräten entweder den Eingangsstrom eines bipolaren Übergangstransistors (BJT) oder die Eingangsspannung eines Feldseffekttransistors (FET), um den Ausgangsstrom zu steuern und eine Signalverstärkung zu erreichen.

Übersicht über Verstärkerschaltung

Der Verstärkerkreis besteht typischerweise entweder aus einem BJT oder einem FET.Konzeptionell kann die Schaltung als Zwei-Port-Netzwerk modelliert werden, wobei die Verstärkungsfunktion im Folgenden hervorgehoben wird:

• Die Schaltung nutzt die Steuerfunktionen des Transistors (BJT oder FET), um schwache Eingangssignale zu verstärken.Das Ausgangssignal zeigt eine erhöhte Spannung oder einen erhöhten Strom sowie verbesserte Energie.

• Die für die Ausgangssignalverstärkung erforderliche Energie erfolgt aus der DC -Stromversorgung.Es wird jedoch über den Transistor in Signalenergie umgewandelt und liefert die erforderliche Ausgabe an die Last.

Kreislaufzusammensetzung

Transistorverstärkerschaltungen sind in drei gemeinsamen Konfigurationen erhältlich: gemeinsame Emitter (CE), gemeinsame Basis (CB) und gemeinsamer Kollektor (CC).Jede Konfiguration weist unterschiedliche Eigenschaften auf und bietet eine Reihe von Einzeltransistorverstärkerdesigns.

In einer gemeinsamen Emitterschaltung gehen die Eingangs- und Ausgangsschleifen durch das Emitterterminal des Transistors.Diese Konfiguration ist dafür bekannt, eine Spannungsverstärkung anzubieten.Mit dem gemeinsamen Basiskreis können die Eingangs- und Ausgangsschleifen durch die Basis des Transistors gelangen und typischerweise niedrige Eingangsimpedanz und hohe Ausgangsimpedanz liefert.

Die gemeinsame Kollektorschaltung, bei der die Eingangs- und Ausgangsschleifen durch den Kollektor gelangen, wird hauptsächlich für die Impedanzanpassung verwendet und weist normalerweise keine Spannungsverstärkung auf, bietet jedoch eine Stromverstärkung.

Der Amplifikationsprozess basiert auf der Trennung von AC- und DC -Signalpfaden und der Vereinfachung der Schaltungsanalyse in unterschiedliche Wechselstrom- und DC -Komponenten.Durch die Analyse der Schaltung in Bezug auf Wechselstrom- und DC -Pfade können wir deutlich sehen, wie der Transistor das Eingangssignal moduliert, was zu einer effektiven Amplifikation am Ausgang führt.Dieser Ansatz liefert Einblicke sowohl in das dynamische Signalverhalten als auch in den zugrunde liegenden DC -Betriebspunkt der Verstärkerschaltung.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Was ist die Grundfunktion eines Transistors?

Ein Transistor ist eine Halbleitervorrichtung, die zum Verstärken oder Schalten von elektronischen Signalen und elektrischer Leistung verwendet wird.Transistoren sind einer der grundlegenden Bausteine ​​der modernen Elektronik.Es besteht aus Halbleitermaterial, normalerweise mit mindestens drei Klemmen zur Verbindung zu einem externen Schaltkreis.

2. Wie schaltet sich ein Transistor ein?

Mit einem auf die Basis des Transistors angelegten Nullsignals wird „aus“ wie ein offener Schalter und Null -Kollektorstrom fließt.Mit einem positiven Signal, das auf die Basis des Transistors angewendet wird, wird „Ein“ wie ein geschlossener Schalter und maximaler Stromstrom durch das Gerät fließt.

3. Wie benutzt man einen Transistor?

Eine der häufigsten Verwendungszwecke für Transistoren in einem elektronischen Schaltkreis sind einfache Schalter.Kurz gesagt, ein Transistor führt den Strom über den Collector-Emitter-Pfad nur dann, wenn eine Spannung auf die Basis angewendet wird.Wenn keine Basisspannung vorhanden ist, ist der Schalter ausgeschaltet.Wenn die Basisspannung vorhanden ist, ist der Schalter eingeschaltet.

4. Was ist eine einfache Erklärung für Transistor?

Ein Transistor ist eine elektronische Komponente, die als Teil eines Verstärkers oder als Schalter verwendet werden kann.Es besteht aus einem Halbleitermaterial.Der Transistor kann für eine Vielzahl verschiedener Dinge verwendet werden, einschließlich Verstärker und digitalen Schalter für Computermikroprozessoren.Digitale Arbeiten verwendet hauptsächlich MOSFETs.

5. Wie testet man einen Transistor?

Schließen Sie das Basisanschluss des Transistors an das terminal markierte positive (normalerweise farbige rot) am Multimeter an.Schließen Sie das terminal, das negativ oder häufig (normalerweise schwarz gefärbt) mit dem Kollektor gekennzeichnet ist, an und messen Sie den Widerstand.Es sollte Open Circuit gelesen (es sollte eine Ablenkung für einen PNP -Transistor geben).