Transistor

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

Eristatakse bipolaar- ja unipolaar- e. väljatransistoreid. Enamik transistore valmistatakse pooljuhtivast ränist. Kõrgsageduslike mudelite jaoks on kasutusel ka gallium-arseniid ja teised analoogsed materjalid.

Transistorite tüübid

• Bipolaartransistor
• Isoleeritud paisuga väljatransistor (MOSFET)
• Isoleeritud paisuga bipolaartransistor (IGBT)

Eelkäijad

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

Maailma esimene transistor

Esimene transistori patent anti füüsik Julius Edgar Lilienfeldile 1925. aastal. Patendikirjeldus sarnanes 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

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

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

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 V_ec.

Töörežiim ja küllastus

Fail:BC547CFairchildSemiconductorTunnusjooned.jpg

Bipolaarse transistori tunnusjooned

Kui vaadata reaalse transistori tunnusjooni, siis vajub kollektori vool madalamaks, kui kollektori ja emitteri vaheline pinge V_ce 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 I_b) ja transistor ei ole võimeline lineaarselt muutma oma kollektori voolu I_c. Sellisesse olukorda võib sattuda siis, kui vähendada skeemi toitepinget. Transistor püüab hoida konstantset kollektori voolu I_c, 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 I_b suurendamisega vastava koormise jaoks.

Töörežiimiks nimetatakse tunnusjoone horisontaalset osa, sest seal on transistor võimeline oma kollektori voolu I_c 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 I_b, mis hoiab transistori töörežiimis.

Kasutamine

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

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

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.

• NPN transistor lülitina
  NPN transistor lülitina
• NPN transistori avanemine
  NPN transistori avanemine

Bipolaarne transistor võimendina

Ühise-emitteriga võimendid on disainitud nii, et väike muudatus sisendpinges (Vin) muudab voolu, mis läbib tranistori 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

• Pn-siire