Tranzistor je polprevodniška naprava. Lahko okrepi elektronske signale ali jih vklopi in izklopi. Lahko si ga predstavljate kot stikalo za luč. Majhen gib lahko nadzoruje veliko večji pretok električne energije. Tranzistorji delujejo kot stikala in ojačevalniki. Omogočajo vam nadzor nad velikimi tokovi ali napetostmi z majhnim signalom. Ti majhni deli so povsod. Vaš telefon in računalnik za delovanje potrebujeta milijarde tranzistorjev.
Procesor | Ocena števila tranzistorjev |
|---|---|
Apple A17 | Približno dvakrat toliko kot Kirin 9000 |
Kirin HiSilicon 9000 | Manj tranzistorjev kot Apple A17 |
Kaj je tranzistor
Definicija
Tranzistor deluje kot drobna vrata v elektroniki. Pomaga nadzorovati gibanje elektrike v vezju. Ta naprava lahko okrepi signale ali jih vklopi in izklopi. V notranjosti so tri plasti iz polprevodniškega materiala. Te plasti so nastavljen kot PNP ali NPNSrednja plast je krmilni del. Če tukaj spremenite vhod, se spremeni tok v drugih plasteh.
Tranzistorji imajo tri glavne dele:
Oddajnik
Osnovna
Collector
Majhna napetost ali tok na bazi nadzoruje večji tok med emitorjem in kolektorjem. Zato tranzistorji so tako pomembni v elektroniki. Najdete jih v skoraj vsaki sodobni napravi.
Nasvet: Predstavljajte si tranzistor kot varuha vrat. Majhen signal mu pove, ali naj teče večji tok.
Tranzistorji lahko okrepijo signal. Izhodna moč je lahko veliko večja od vhodne moči. Zato radijski sprejemniki, računalniki in telefoni uporabljajo tranzistorje.
Tranzistor uporablja polprevodniški material.
Ima tri priključke za priključitev na vezje.
Dopiranje spremeni polprevodnik, tako da tranzistor deluje pravilno.
Vloga v vezjih
Tranzistorji opravljajo veliko nalog v analognih in digitalnih vezjih. Okrepijo lahko signale, preklapljajo tokove in gradijo logična vrata. V analognih vezjih tranzistorji ojačajo šibke signale. Na primer, zvočniki uporabljajo tranzistorje za povišanje glasnosti glasbe. V digitalnih vezjih tranzistorji delujejo kot stikala. Vklapljajo in izklapljajo signale, da lahko računalniki obdelujejo informacije.
Tukaj je tabela, ki prikazuje, kako tranzistorji delujejo v različnih vrstah vezij:
Vrsta vezja | Primarne vloge tranzistorjev | Primeri aplikacij |
|---|---|---|
Analogni | Amplification | Zvočni ojačevalniki, RF oddajniki |
filtriranje | Vezja za filtriranje signalov | |
modulacija | AM/FM prenos | |
Digital | Logična vrata | IN, ALI, NE vrata |
Preklapljanje | Krmilniki motorjev, mikroprocesorji |
Tranzistorji so močno spremenili elektroniko. Prej so ljudje uporabljali vakuumske cevi. Te cevi so bile velike in so porabile veliko energije. Ko je Bell Labs leta 1947 izumil tranzistor, so vezja postala manjša in so delovala bolje. Danes imajo integrirana vezja veliko tranzistorjev skupaj. To je omogočilo računalnike, pametne telefone in vesoljska potovanja.
Opomba: Lunarni modul Apollo 11 je imel integrirana vezja s tranzistorji. To je astronavtom pomagalo varno pristati na Luni.
Tranzistorji pomagajo, da so naprave hitre, majhne in porabijo manj energije. Tranzistorje uporabljate, ko uporabljate kalkulator, poslušate glasbo ali pošiljate besedilna sporočila.
Kako delujejo tranzistorji
Funkcija stikala
Tranzistorji so v mnogih stvareh, ki jih uporabljate vsak dan. Ne vidite jih, vendar so tam. Delujejo kot drobna stikala v vaših napravah. Ko pritisnete gumb na telefonu, tranzistorji pomagajo vklopiti ali izklopiti stvari. Predstavljajte si tranzistor kot pipo. Če odprete pipo, voda teče. Če jo zaprete, se voda ustavi. V elektroniki tranzistorji nadzorujejo tok, tako kot pipa nadzoruje vodo.
Tranzistorji delujejo kot stikala na dva glavna načina. En način se imenuje način odklopa. V tem načinu je tranzistor kot odprto stikalo. Med kolektorjem in emitorjem ne teče tok. Drugi način se imenuje način nasičenja. Tukaj je tranzistor kot zaprto stikalo. Skozenj teče največ toka. To vklopno in izklopno delovanje omogoča nadzor električnih signalov v vezjih.
Nasvet: Tranzistorji lahko zelo hitro preklapljajo in skoraj ne oddajajo zvoka. Zato jih nova elektronika uporablja namesto starih stikal.
Tukaj je nekaj primerov uporabe tranzistorjev kot stikala v resničnem življenju:
Računalniški procesorji jih uporabljajo za zelo hitro preklapljanje.
Pomagajo pri krmiljenju relejev v avtomobilih in gospodinjskih aparatih.
Tranzistorska stikala so majhna, lahka in poceni, zato so v skoraj vsaki napravi.
Če na bazo pošljete majhno napetost NPN tranzistor, se vklopi. Nato lahko tok teče. Če odvzamete napetost, se tranzistor izklopi. To vam omogoča nadzor nad velikimi tokovi z majhnimi signali.
Funkcija ojačevalnika
Tranzistorji lahko tudi okrepijo šibke signale. Uporabljate jih kot ojačevalnike. Na primer, ko predvajate glasbo, tranzistorji ojačajo zvok, da ga lahko slišite. V radiu tranzistorji naredijo signal antene dovolj močan, da ga lahko slišite.
Majhen signal gre v bazo ali vrata tranzistorja. Ta majhen signal krmili večji tok od kolektorja do emitorja. Izhodni signal postane dovolj močan za zvočnike ali slušalke. To vidimo pri kitarskih pedalih. En sam tranzistor naredi šibek zvok kitare glasnejši.
Opomba: Tranzistor potrebuje pravilno napetost, da deluje kot ojačevalnik. Temu pravimo polariziranje. Napetost med bazo in emiterjem mora biti pri silicijevih tranzistorjih od približno 0.6 V do 0.7 V. Napetost med kolektorjem in emiterjem mora biti dovolj visoka, da se signal premika navzgor in navzdol.
Tukaj je tabela, ki prikazuje območje ojačanja za ojačevalnik s skupnim oddajnikom:
Vrsta ojačanja | Minimalni dobiček | Največji dobiček |
|---|---|---|
Običajni ojačevalnik | -5.32 | -218 |
Tranzistorje najdete v avdio opremi, kjer ojačajo signale mikrofona brez dodajanja šuma. Pomagajo tudi pri nadzoru tona, saj omogočajo spreminjanje nizkih, srednjih in visokih tonov.
Trenutni nadzor
Tranzistorji vam pomagajo nadzorovati količino toka, ki se giblje v vezju. Uporabljate jih za upravljanje toka med različnimi deli naprave. Vsak tranzistor ima tri priključke. Za bipolarni tranzistor so to emiter, baza in kolektor. Za polne tranzistorje so to izvor, vrata in odtok.
Takole tranzistorji nadzorujejo tok in napetost:
Na bazo BJT-ja pošljete majhen tok ali na vrata FET-a napetost.
Ta majhen vhod krmili veliko večji tok od kolektorja do emiterja ali od odtoka do vira.
Tranzistor lahko vklopite ali izklopite s spreminjanjem vhoda, tako kot obračanje pipe za nadzor vode.
Nasvet: Povezava med baznim tokom in kolektorskim tokom v bipolarnem tranzistorju (BJT) je pomembna. Majhen bazni tok lahko nadzoruje veliko večji kolektorski tok. To se imenuje ojačanje in kaže, kako tranzistorji nadzorujejo signale.
Tranzistorji za delovanje uporabljajo polprevodniški material. Polprevodniki omogočajo zelo dober nadzor napetosti in toka. To vidimo v računalnikih, telefonih in celo v vesoljski opremi.
Z uporabo tranzistorjev lahko na več načinov nadzorujete napetost in tok. Z njimi lahko preklapljate signale, jih ojačate ali upravljate moč v vezju. Zaradi tega so tranzistorji glavni deli sodobne elektronike.
Deli tranzistorjev
Ključne komponente
Vsak tranzistor ima trije glavni deliVsak del opravlja nekaj pomembnega. Ti deli delujejo skupaj za prenos električne energije v napravah.
Sestavina | Opis |
|---|---|
Oddajnik | Oddaja elektrone, ima veliko dopinga, izdelan je iz bakra ali aluminija. |
Osnovna | Nadzoruje pretok, ima malo dopiranja, omogoča elektronom prehod od emiterja do kolektorja. |
Collector | Zbira elektrone, večji od emiterja in baze, ima nekaj dopiranja, izdelan iz silicija ali aluminija. |
Emiter oddaja elektrone ali vrzeli. Baza je tanka in nadzoruje pretok. Skozi bazo lahko prehaja le nekaj nosilcev naboja. Kolektor sprejema elektrone ali vrzeli iz emiterja. Velikost in material vsakega dela vplivata na delovanje tranzistorja. Ko tranzistor uporabljate kot stikalo, baza odloča, ali se tok premika od emiterja do kolektorja. Kot ojačevalnik majhen signal na bazi ustvari večji signal na kolektorju.
Nasvet: Način nastavitve teh delov in iz česa so izdelani določa, ali tranzistor deluje kot stikalo ali ojačevalnik.
Polprevodniški material
Tranzistorji uporabljajo posebne materiale, imenovane polprevodniki. Ti materiali pomagajo pri nadzoru elektrike. Silicij je najpogostejši polprevodnik. Silicij najdete v skoraj vsaki elektronski napravi, ker je poceni in dobro deluje.
Tukaj je nekaj materialov, ki se uporabljajo za tranzistorje:
Germanij se je najprej uporabljal v polprevodnikih.
Silicij je postal priljubljen v petdesetih letih prejšnjega stoletja, ker ga je enostavno najti in deluje bolje.
Galijev arzenid se uporablja za hitro elektroniko, vendar ga je težko izdelati.
Silicij je dober, ker dobro prenaša toploto in ga je enostavno dobiti. Germanij je pomagal pri zgodnjih tranzistorjih, vendar se zlahka topi in ni stabilen. Galijev arzenid je boljši za zelo hitra vezja, kot so tista v satelitih ali celičnih stolpih.
Material, ki ga izberete, vpliva na hitrost in delovanje tranzistorja. Materiali z visoko mobilnostjo omogočajo hiter prenos naboja, zato naprave delujejo hitreje. Nekateri novi materiali, kot so magnetni polprevodniki, lahko celo shranjujejo pomnilnik znotraj tranzistorja.
Opomba: Vrsta polprevodnika, ki ga izberete, lahko naprave naredi hitrejše, manjše in močnejše.
Vrste tranzistorjev
Tranzistorji imajo različne oblike in vrste. Večina elektronike uporablja dve glavni vrsti. Vsaka vrsta opravlja posebno nalogo. Če se seznanite z njimi, boste lažje razumeli, kako delujejo naprave.
BJT
Ena glavnih vrst je bipolarni spojni tranzistorLjudje ga na kratko imenujejo BJT. Ta tranzistor uporablja elektrone in vrzeli za premikanje toka. Upravljate ga tako, da pošljete majhen tok v bazo. BJT-ji so dobri za krepitev šibkih signalov. Pomagajo tudi pri vklapljanju in izklapljanju naprav.
Tukaj je tabela s pomembnimi značilnostmi bipolarnih tranzistorjev:
Značilen | Opis |
|---|---|
Izklopni tok kolektorja (ICBO) | Tok v kolektorju, ko je prisotna napetost in je emiter odprt. |
Mejni tok oddajnika (IEBO) | Tok v emiterju, ko je prisotna napetost in je kolektor odprt. |
Ojačanje enosmernega toka (hFE) | Kolektorski tok, deljen s baznim tokom, ko je emiter ozemljen. |
Napetost nasičenja kolektor-emiter (VCE(sat)) | Napetost, ko je tranzistor pod določenimi pogoji nasičen. |
Napetost nasičenja baze in emiterja (VBE(sat)) | Napetost med bazo in emiterjem pri nasičenju pod določenimi pogoji. |
Prehodna frekvenca (fT) | Frekvenca, kjer je ojačenje toka 1 z ozemljenim oddajnikom. |
Izhodna kapacitivnost kolektorja (Cob) | Kapaciteta kolektor-baza, izmerjena pri določenih pogojih. |
Šumna številka (NF) | Razmerje med signalom in šumom na vhodu in izhodu, določeno s formulo. |
BJT-je vidite na mnogih mestih:
ojačevalniki
Oscilatorjev
Nizkonapetostno preklapljanje
Ojačevalnik s skupnim kolektorjem (emiterski sledilnik)
Ojačevalnik s skupnim oddajnikom
Ojačevalnik s skupno bazo
Preklopno vezje
Nasvet: Če želite narediti preprost ojačevalnik, verjetno boste uporabili bipolarni tranzistor.
FET
Druga glavna vrsta je tranzistor s efektom polja. Ta tranzistor se krmili z napetostjo. FET-ji uporabljajo samo eno vrsto nosilca naboja. Porabijo manj energije kot bipolarni tranzistorji. Tranzistorje s efektom polja najdemo v digitalnih vezjih in logičnih vratih.
Tukaj je tabela, ki primerja tranzistorje s efektom polja in bipolarne tranzistorje:
Feature | FET-ji | BJT-ji |
|---|---|---|
Kontrolni tip | Napetostno krmiljeno | Tokovno krmiljeno |
Trenutni dobiček | nizka | visoka |
Povečanje napetosti | visoka | nizka |
Preklopna hitrost | Hitro | srednje |
Poraba energije | nizka | visoka |
Temperaturni Koeficient | Pozitivna | Negativen |
Velikosti | Manjši | večja |
vhodna impedanca | visoka | nizka |
Aplikacije | Nizkonapetostne aplikacije | Aplikacije z nizkim tokom |
Stroški izdelave | Višje | Spodnja |
Obstajata dve pogosti vrsti tranzistorjev s efektom polja:
Vrsta FET-a | Opis | Tipične uporabe |
|---|---|---|
JFET | Preprost FET s kanalom, ki ga krmili vrata, izdelana iz pn spoja. | Zaradi visoke vhodne impedance se uporablja v ojačevalnikih in stikalih. |
MOSFET | Najpogosteje uporabljen FET z izoliranimi vrati za krmiljenje z nizko porabo energije. | Najdemo ga v digitalnih vezjih, močnostni elektroniki in logičnih vratih. |
Opomba: Tranzistorji s efektom polja pomagajo vašim napravam delovati hitreje in porabiti manj energije. Najdete jih v računalnikih, telefonih in avtomobilih.
Vsaka vrsta tranzistorja ima svojo nalogo. Nekateri so najboljši za krepitev signalov. Drugi so dobri za hitro preklapljanje. Poznavanje razlik vam pomaga izbrati pravi tranzistor za vaš projekt.
Pomen tranzistorjev
Vpliv na tehnologijo
Tranzistorji so spremenili svet, v katerem živite. Te drobne naprave so tehnologijo izboljšale in olajšale njeno uporabo. Ko so znanstveniki leta 1947 izdelali prvi tranzistor, se je začelo veliko novih idej. Pred tranzistorji so ljudje uporabljali vakuumske cevi. Vakuumske cevi so bile velike in so se pogosto lomile. Tranzistorji so elektroniko naredili manjšo in zanesljivejšo.
Tranzistorji so pomagali pri izdelavi elektronske naprave veliko manjši. Zaradi njih imate zdaj računalnike, pametne telefone in pametne ure.
Digitalna doba se je začela s tranzistorji. Omogočili so nam shranjevanje in uporabo velike količine informacij.
Tranzistorji so nadomestili vakuumske cevi. To je izboljšalo stvari v komunikaciji, zabavi, zdravstvu in znanosti.
Umetna inteligenca in internet stvari potrebujeta tranzistorje. Ta področja še naprej rastejo, saj tranzistorji postajajo manjši in močnejši.
Kako so tranzistorji spremenili stvari, si lahko ogledate v teh pomembnih trenutkih:
Leto | Mejnik | Opis |
|---|---|---|
1947 | Prvi tranzistor | Znanstveniki iz Bell Labsa so izdelali prvi delujoči tranzistor. |
1955 | Površinska pasivizacija | To je omogočilo izdelavo številnih integriranih vezij. |
1959 | Prvi MOSFET | Zdaj bi se na en čip lahko prilegalo na tisoče tranzistorjev. |
1963 | Izum CMOS-a | To je pomagalo pri izdelavi računalniških čipov in pomnilnika za računalnike. |
Vsakodnevna uporaba
Tranzistorje uporabljate ves čas, tudi če tega ne opazite. Nahajajo se v skoraj vsaki elektronski napravi doma ali v šoli. Tukaj je nekaj primerov:
Računalniki imajo v svojih čipih milijone ali milijarde tranzistorjev.
Pametni telefoni uporabljajo tranzistorje za hitro delovanje in shranjevanje slik in aplikacij.
Televizorji potrebujejo tranzistorje, da okrepijo signale in preklapljajo kanale.
Radijski sprejemniki uporabljajo tranzistorje, da zvok postane glasnejši in vam pomagajo pri izbiri postaj.
Digitalni fotoaparati imajo v svojih senzorjih in čipih tranzistorje.
Sodobni čipi imajo lahko milijarde tranzistorjev. Nekateri novi čipi jih imajo več kot 60 milijard. Število tranzistorji v procesorju lahko znašajo milijone ali milijarde, odvisno od tega, za kaj se uporablja.
Vsakič, ko pošljete sporočilo, gledate videoposnetek ali igrate igro, uporabljate tranzistorje. Ti majhni deli omogočajo delovanje vaših najljubših naprav.
Tranzistorji vam na več načinov spremenijo življenje. Najdete jih v vsaki digitalni napravi, ki jo uporabljate.
Tranzistorji pomagajo računalnikom pri delovanju tako, da se hitro vklopijo in izklopijo.
Šibke signale okrepijo, da lahko bolje slišite glasbo ali glasove.
V mnogih strojih varujejo napajanje.
Energijo baterije pretvarjajo v energijo, ki jo lahko uporabite.
Tranzistorji pomagajo narediti naprave manjše in hitrejše. Prav tako jim omogočajo boljše delovanje.
Začeli so digitalno dobo in pripomogli k rasti tehnologije v medicini, komunikaciji in vsakdanjem življenju.
Ko uporabljate telefon ali računalnik, ne pozabite, da tranzistorji pomagajo pri njegovem delovanju.
FAQ
Kaj počne tranzistor v vašem telefonu?
Tranzistor omogoča telefonu obdelavo informacij in shranjevanje podatkov. Zelo hitro vklopi in izklopi signale. Tranzistorje uporabljate vsakič, ko odprete aplikacijo ali pošljete sporočilo.
Zakaj tranzistorji zmanjšujejo naprave?
Tranzistorji zavzamejo manj prostora kot stare vakuumske cevi. Lahko ustrezajo milijardam jih na čipu. To vam omogoča, da zmogljive naprave nosite v žepu.
Ali lahko tranzistorje najdete v vsakdanjih predmetih?
Ja! Vidiš tranzistorji v računalnikih, televizorji, radii in celo igrače. Pomagajo tem napravam, da delujejo bolje in porabijo manj energije.
Kako veste, ali tranzistor deluje?
Tranzistor lahko preizkusite z multimetrom. Če med priključkoma vidite pravilno napetost, tranzistor deluje. Če ne, ga boste morda morali zamenjati.
Kakšna je razlika med BJT in FET?
tip | Nadzoruje | Običajna uporaba |
|---|---|---|
BJT | Trenutna | ojačevalniki |
FET | Napetost | Digitalna vezja |
Nasvet: Za močne signale izberite BJT. Za hitro preklapljanje izberite FET.
