Transistor

Allikas: Vikipeedia

Transistor (ingl transfer üle kandma + resistor takisti) on kolme või enama väljaviiguga pooljuhtseadis, mida kasutatakse elektrisignaalide tekitamiseks, võimendamiseks, muundamiseks ja lülitamiseks. Transistori abil saab ühe elektrisignaali abil juhtida ehk tüürida teist elektrisignaali.

Transistorid

Erinevus[muuda | redigeeri lähteteksti]

NPN-transistori tähis
PNP-transistori tähis

Eristatakse bipolaartransistoreid ja unipolaartransistoreid ehk väljatransistoreid.

Enamik transistore valmistatakse pooljuhtivast ränist. Kõrgsageduslike mudelite jaoks on kasutusel ka galliumarseniid ja teised analoogsed materjalid.

Transistorite tüübid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Eelkäijad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Varasemal ajal kasutati transistoridega samal otstarbel releesid ja elektronlampe ehk raadiolampe. Releesid saab kasutada vaid signaali diskreetseks sisse- ja väljalülitamiseks, samas transistoril (ja elektronlambil) on pidev väljundkarakteristik. Tänapäeval kasutatakse elektronlampe väga vähe, sest transistoril on elektronlambi ees mitmeid eeliseid.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Maailma esimene transistor

Esimene transistori patent anti füüsik Julius Edgar Lilienfeldile 1925. aastal. Patendikirjeldus oli väga sarnane seadmele, mida tänapäeval tuntakse väljatransistori nime all. Ka 1934. aastal patenteeris saksa leiutaja Oskar Heil sarnase seadme.

1942. aastal eksperimenteeris järgmine sakslane Herbert Mataré radarisüsteemile anduri väljatöötamisel niinimetatud "topeltdioodidega". Tema loodud seadmel oli pooljuhtaluse peal kaks eraldiseisvat, kuid väga lähestikku asetsevat metallkontakti. Leiutisega töötades avastas ta nähtusi, mida ei olnud võimalik selgitada kahe iseseisvalt toimiva dioodi tööga. Nende nähtuste uurimisest kasvas välja algeline idee bipolaartransistori loomiseks.

1947. aastal avastasid Ameerika Ühendriikide teadlased John Bardeen ja Walter Brattain, et kui panna germaaniumikristalli külge elektrilised kontaktid, siis sellest väljuva elektrivoolu tugevus on oluliselt suurem esialgsest elektrivoolu tugevusest. William Shockley nägi selles avastuses suurt potentsiaali ning töötas paar kuud avastatud nähtuse mõistmiseks. Tema töö laiendas oluliselt teadmisi pooljuhtide olemusest ning nendega seotud nähtustest.

Esimene ränialuseline transistor töötati välja Texas Instruments'is Gordon Teali poolt aastal 1954. Esimese MOSFET transistori (metall-oksiid-pooljuht väljatransistori) valmistasid teadlased John Atalla ja Dawon Kahng 1960. aastal.

Eelised[muuda | redigeeri lähteteksti]

Transistor on elektronlambist:

  • Palju väiksem – isegi kuni tuhandeid kordi.
  • Ökonoomsem – eraldab vähem soojust (kasutatakse madalamat pinget ja puudub sisemise kütte vajadus).
  • Mehaaniliselt vastupidavam – elektronlampi kattev klaas läheb kergesti katki ja sisemised detailid kardavad põrutusi.
  • Pikema tööeaga – elektronlambid kaotavad töötades aja jooksul oma töövõime, peamiselt katoodi emissiooni võime vähenemise tõttu.
  • Kiirema töövalmidusega – transistorit ei pea soojendama enne töörežiimi.

Transistori puudused võrreldes elektronlambiga:

  • Elektronlamp peab vastu elektromagnetilisele impulsile, transistor aga mitte. Samuti on elektronlamp vähem tundlik ülepingete ja liigvoolude suhtes.
  • Elektronlampe saab kergemini tööle panna suurema võimsusega, sest neid saab konstruktiivselt valmistada suuremana ja oma ehituse tõttu on neid lihtsam jahutada.

Bipolaarse transistori volt-amper karakteristik[muuda | redigeeri lähteteksti]

Bipolaarse transistori volt-amper karakteristik näitab, kuidas sõltub transistori kollektori vool Ic baasivoolust Ib. Graafiku horisontaalteljel on kollektor-emitter pinge Vce ja vertikaalteljel on kollektori vool Ic, kusjuures baasi voolu Ib mõju kujutavad jooned on iga juhu jaoks eraldi joonistatud. Seega on transistori kollektorivool funktsioon baasi voolust ja kollektor-emitter pingest. Ic=f(Ib, Vce). Tunnusjoon liigub oma teljestikus sõltuvalt temperatuurist, mis muutub kas keskkonna (teised elektroonika seadmed) või oma enese soojenemise toimel.[1]

Lugedes transistori tunnusjoont selgub, et bipolaarne transistor on kindlates piirides konstantse voolu hoidja (välistame soojusliku kõikumise). See tähendab, et konstantse baasivooluga jääb kollektori vool muutumatuks isegi siis, kui muudetakse pinget, mida transistor juhib. Sellega kaasneb transistori takistuse kasvamine ja suurem soojuse eraldumine – suureneb kollektori ja emitteri vaheline pinge Vec.

Töörežiim ja küllastus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Bipolaarse transistori tunnusjooned

Kui vaadata reaalse transistori tunnusjooni, siis vajub kollektori vool madalamaks, kui kollektori ja emitteri vaheline pinge Vce muutub väiksemaks. Seda osa tunnusjoonest, kus toimub järsk langus, nimetatakse transistori küllastuseks ja teist poolt töörežiimiks.

Küllastuseks nimetatakse tunnusjoone järsult langevat osa, sest seal on transistori takistus minimaalse väärtuse lähedal (vastavale baasivoolule Ib) ja transistor ei ole võimeline lineaarselt muutma oma kollektori voolu Ic. Sellisesse olukorda võib sattuda siis, kui vähendada skeemi toitepinget. Transistor püüab hoida konstantset kollektori voolu Ic, kuid vähese toitepinge tõttu kukub küllastusse. Küllastust on otstarbekas kasutada lülituste puhul, sest siis eraldub (läheb raisku) transistoril minimaalne võimus (Vce on väike). Tahtliku küllastuse saab tekitada baasivoolu Ib suurendamisega vastava koormise jaoks.[2]

Töörežiimiks nimetatakse tunnusjoone horisontaalset osa, sest seal on transistor võimeline oma kollektori voolu Ic lineaarselt muutma. Väikeseste kollektori voolude puhul on tunnusjooned horisontaalsemad, kuid mida suuremaks muutuvad voolud, seda suuremaks muutub tunnusjoone tõusunurk. Võimendite ehitamisel tekitatakse konstante baasi vool Ib, mis hoiab transistori töörežiimis.[3]

Kasutamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Transistorid on kasutusel peaaegu kõikides elektroonikaseadmetes. Arvuti erinevates osades, eriti protsessorites, on ta põhiliseks komponendiks. Nende suurus varieerub mõnekümnest nanomeetrist (kõrgtehnoloogilised kiibid) mõne sentimeetrini (võimendid).

Bipolaarne transistor lülitina[muuda | redigeeri lähteteksti]

Bipolaarset transistori võib kasutada lihtsalt lülitina, kus väikese vooluga tüüritakse suuremat voolu. Bipolaarset transistori iseloomustab vooluvõimendustegur hfe=Ic/Ib, mille väärtused väikese vooluga transistoride hulgas on näiteks 100, 200, 400. See tähendab seda, et nõrk baasivool Ib võib tekitada hfe korda suurema kollektori voolu Ic. hfe on sõltuv temperatuurist ja transistoride andmelehtedel on nende graafikud toodud erinevates olukordade jaoks. Vooluvõimenduse tegurit saab konstantsena hoida, kui kasutada negatiivset tagsisidet.[4]

Bipolaarse transistoriga lülituse skeem on toodud all oleval joonisel koos graafikuga, mis kirjeldab transistori avanemist lülitusel. Baasi voolu mõjutatakse sujuvalt tõusva pingega (0-5V) läbi takisti, et piirata liigset voolu. Baasi voolu asemel mõõdetakse baasi pinget. Transistor juhib 70 oomist takistit ja kollektori voolu asemel mõõdetakse kollektori pinget.

Bipolaarne transistor võimendina[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ühise-emitteriga võimendid on disainitud nii, et väike muudatus sisendpinges (Vin) muudab voolu, mis läbib transistori baasi ja koos transistori vooluvõimendusega tähendab see seda, et väike muutus sisend pinges Vin toob endaga kaasa suure muutuse väljundpinges, Vout. Erinevates konfiguratsioonides on võimalik transistorit kasutada voolu võimendamiseks, pinge võimendamiseks ja ka mõlema korraga võimendamiseks.

Konfiguratsioon, kus ühise-emitteriga transistor toimib võimendina

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Tony Fischer-Cripps, "The Electronics Companion", lk 92 "Transistor characteristic"
  2. Tony Fischer-Cripps, "The Electronics Companion", lk 94 "Saturation"
  3. Tony Fischer-Cripps, "The Electronics Companion", lk 96 "Simple bias"
  4. Tony Fischer-Cripps, "The Electronics Companion", lk 90 "Bipolar junction transistor - operation"