Применение транзисторов¶
Транзисторы используются как основной класс полупроводниковых приборов для усиления, генерации и коммутации электрических сигналов. Представляют собой трёхэлектродные (иногда четырёхэлектродные) устройства на основе полупроводниковых кристаллов, работающие за счёт управления током через p-n переход или канал. Транзисторы являются базовым элементом современной электроники: их применяют в аналоговой и цифровой технике, силовой электронике, оптоэлектронике, радиосвязи и вычислительной технике. По принципу действия различают биполярные транзисторы (БТ) и полевые транзисторы (МДП, МОП, JFET); по материалу — германиевые, кремниевые, арсенидгаллиевые и другие.
¶История
Транзистор был изобретён в 1947 году в лабораториях Bell Laboratories группой учёных во главе с Джоном Бардином, Уолтером Брэттейном и Уильямом Шокли. Первый прибор — точечный биполярный транзистор на германии — обладал низкой надёжностью и ограниченной частотой, но уже в 1950-х годах появились плоскостные структуры, резко повысившие стабильность характеристик. В СССР серийное производство транзисторов было развёрнуто в середине 1950-х годов; отечественные приборы серии МП, МП3, ГТ и ГД широко применялись в радиотехнике. К концу 1960-х транзисторы вытеснили лампы в большинстве устройств, а к 1970-м — в вычислительной технике.
¶Классификация по применению
По области применения транзисторы условно делят на несколько групп:
| Группа | Типичные параметры | Область применения |
|---|---|---|
| Маломощные | токи до 0,1–1 А, частоты до сотен МГц | слаботочная аналоговая и цифровая схемотехника |
| Среднемощные | токи 1–10 А | промышленная автоматика, регуляторы |
| Силовые | токи десятки–сотни ампер, напряжения до 6–12 кВ | преобразователи, электроприводы, инверторы |
| Сверхвысокочастотные | частоты до десятков ГГц | радиосвязь, радары, спутниковая техника |
| Стабилитроны-подобные (варикапы, тиристоры) | специализированные | генераторы, ключи, управляемые выпрямители |
¶Аналоговая схемотехника
В аналоговой электронике транзисторы используются для усиления слабых сигналов — звуковых, телеметрических, измерительных. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером обеспечивает усиление по напряжению и току, коэффициент усиления по току (β) типичных приборов составляет 50–500. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-структуры) обладают очень высоким входным сопротивлением и применяются в каскадах с большим входным сопротивлением, например в осциллографах и измерительных приборах. Транзисторные операционные усилители, построенные на десятках транзисторов, являются базовыми элементами аналоговой вычислительной техники и систем автоматического управления.
¶Цифровая схемотехника
В цифровой электронике транзисторы работают в ключевом режиме — включены либо выключены, что соответствует логическим нулю и единице. Логические элементы семейств TTL построены на биполярных транзисторах, а серии КМОП (КМП, CMOS) — на парах комплементарных МДП-транзисторов. Именно КМОП-технология доминирует в современных микросхемах: интегральная плотность достигает десятков миллиардов транзисторов на кристалл, а рабочее напряжение снижено до 0,7–1,2 В. Процессоры, память, контроллеры и периферийные микросхемы полностью основаны на транзисторных структурах.
¶Силовая электроника
Силовые транзисторы — IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором), MOSFET, а также тиристоры и симисторы — используются в преобразовательной технике. Они управляют большими токами и напряжениями в инверторах переменного тока, электроприводах, сварочных аппаратах, источниках питания и системах возобновляемой энергетики. IGBT-модули применяются в тяговых преобразователях электропоездов и электромобилей; силовые MOSFET — в импульсных источниках питания и DC-DC преобразователях. В России силовые полупроводниковые приборы производятся на предприятиях «Микрон» (Зеленоград), «Ангстрем-Т» и в НИИ «Электроника».
¶Радиосвязь и радиолокация
Сверхвысокочастотные транзисторы на арсениде галлия (GaAs) и нитриде галлия (GaN) используются в передающих трактах радиостанций, мобильной связи, Wi-Fi и радарах. Малошумящие транзисторы применяются в приёмных трактах радиоприёмников и усилителях антенн. Модуляторы и генераторы на транзисторах формируют несущие частоты в диапазонах от сотен килогерц до десятков гигагерц.
¶Оптоэлектроника и датчики
Транзисторные структуры используются в фототранзисторах — датчиках света, применяемых в оптопарах, системах позиционирования и оптических накопителях. В интегральных датчиках (акселерометрах, гироскопах, датчиках давления) транзисторные схемы выполняют функции усиления и преобразования сигналов с чувствительных элементов.
¶Перспективы
Современные исследования направлены на создание транзисторов на углеродных нанотрубках, графене, двухслойных дихалькогенидах и других 2D-материалах, а также на транзисторы с вертикальной структурой (GAAFET, CFET) для дальнейшего масштабирования интегральных схем. Разрабатываются криогенные транзисторы для квантовых вычислений и приборы на широкозонных полупроводниках (карбиде кремния, нитриде галлия) для высоковольтных применений.
¶Источники
- Гуревич А. Г. «Транзисторы: физика, технологии, моделирование»
- Сивухин Д. В. «Общая физика. Электричество»
- Шокли У. «Электроника и управление»
- Техническая документация на семейства КМОП-микросхем и силовые модули IGBT