Guida ai tipi di transistor, alle funzioni e alle applicazioni

I transistor aiutano a controllare il flusso di elettricità nei dispositivi elettronici.Operano come switch o amplificatori, acconsenti segnali o rendendoli più forti.In questa semplice guida, imparerai cos'è un transistor, come funziona e perché è importante nella tecnologia.

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Figura 1. Transistor

Cos'è un transistor?

Un dispositivo a semiconduttore compatto transistor che controlla il modo in cui l'elettricità si muove attraverso un circuito.Può accendere e spegnere i segnali o renderli più forti, a seconda di come viene utilizzato.Questo aiuta i dispositivi elettronici a lavorare correttamente e a fare ciò che dovrebbero fare.

I transistor si trovano in quasi tutti i moderni elettronica.Aiutano a gestire cose come calcolatori, telefoni e computer gestendo il flusso di elettricità al loro interno.

Il primo transistor fu fatto nel 1947 a Bell Labs da tre scienziati: John Bardeen, William Shockley e Walter Brattain.Prima di allora, l'elettronica usava i tubi a vuoto, che erano grandi e usavano molta potenza.

I transistor erano molto più piccoli, avevano bisogno di meno energia e non si sono ridotti così facilmente.Le macchine elettroniche più vecchie erano grandi, lente e facili da danneggiare.L'invenzione del transistor ha contribuito a rendere i dispositivi più piccoli, più veloci e più affidabili.Nel tempo, gli ingegneri hanno reso i transistor ancora più piccoli.Oggi miliardi di loro possono adattarsi a un singolo chip per computer.

Simboli transistor e configurazioni di pin

I transistor hanno tre pin principali, o terminali, chiamati base (B), collezionista (C) ed emettitore (E).Questo layout a tre terminali viene utilizzato in entrambi i tipi comuni di transistor bipolari di giunzione (BJT): NPN e PNP.Ogni terminale ha un lavoro specifico nell'operazione del transistor.La base è il perno di controllo: riceve un piccolo segnale che accende o si spegne il transistor.Il collettore è il terminale in cui la corrente viene raccolta dal circuito.L'emettitore è dove la corrente lascia o entra nel transistor, a seconda del tipo.

Figura 2. Simboli transistor

Quando si guarda il simbolo di un transistor in un diagramma a circuito, puoi dire se si tratta di un tipo NPN o PNP controllando la direzione della freccia piccola sulla gamba dell'emettitore.In un transistor NPN, la freccia punta verso l'esterno, il che mostra che la corrente fluisce dall'emettitore.In un transistor PNP, la freccia punta verso l'interno, il che significa che la corrente scorre nell'emettitore.Questa freccia non mostra solo la direzione: ti aiuta a capire come il transistor dovrebbe funzionare nel circuito.

Un modo semplice per ricordare la differenza è la frase "npn = non puntare".Ciò significa che la freccia in un transistor NPN non punta verso la base, mentre in un transistor PNP, lo è.Questo consiglio rapido rende più facile distinguere i due tipi a colpo d'occhio.

Ogni parte del simbolo - base, collezionista ed emettitore - rappresenta una vera connessione fisica sul transistor.Sapere quale pin fa ciò che è importante quando si posiziona il transistor in un circuito.La base controlla la commutazione, il collettore gestisce la maggior parte della corrente e l'emettitore è il percorso che la corrente prende per lasciare o entrare.

Struttura e funzionamento del transistor

I transistor funzionano utilizzando una struttura a strati realizzata con materiali a semiconduttore, in genere silicio.Questi materiali vengono modificati attraverso un processo chiamato doping, che introduce impurità per controllare la loro conducibilità elettrica.Il doping può aggiungere elettroni liberi (vettori di carica negativa) o creare "buchi" (portatori di carica positivi).I materiali drogati con elettroni extra sono chiamati di tipo N, mentre quelli con elettroni mancanti sono noti come di tipo P.

Un tipico transistor NPN è costituito da tre strati: un emettitore di tipo N, una base di tipo P e un collezionista di tipo N.Questa disposizione è ciò che dà al NPN il nome.

Figura 3. Tipico strato di transistor NPN

L'emettitore rilascia elettroni nella base, che è molto sottile e drogato leggermente.La base controlla quanti elettroni si muovono nel collettore, che li raccoglie e li passa nel resto del circuito.

Affinché il transistor funzioni correttamente, la giunzione di base-emettitore deve essere distorta in avanti.Significa che la base è a una tensione più elevata rispetto all'emettitore.

Figura 4. Biasistor Transistor NPN e flusso di elettroni

Ciò consente agli elettroni di spostarsi facilmente dall'emettitore nella base e quindi al collettore, consentendo l'amplificazione del flusso di corrente e del segnale.

Al contrario, un transistor PNP utilizza una struttura a strati P-N-P.Funziona in modo simile, ma i portatori di carica sono buchi e l'attuale fluisce nella direzione opposta, dallo emettitore al collezionista.

Modalità operative del transistor

I transistor NPN hanno quattro principali modalità operative.Saturazione, cut-off, active e reverseactive.Ogni modalità influenza se il transistor è acceso o spento, se amplifica un segnale o come la corrente scorre attraverso di esso.

Figura 5. Quattro modalità transistor

Per determinare la modalità di un transistor, esaminiamo le tensioni tra i suoi terminali:

• VBE: base per emettitore

• VBC: base al collettore

Queste tensioni determinano lo stato di ogni giunzione e definiscono come si comporta il transistor.

Ogni modalità corrisponde a una condizione di tensione specifica:

• Modalità attiva: vc> vb> ve

• Modalità di saturazione: VB> VC e VB> VE

• Modalità di taglio: VC> VB e VE> VB

• Modalità attivo inversa: VC < VB < VE

Esploriamo ognuno in modo più dettagliato.

Modalità di saturazione.Completamente sullo stato

In modalità di saturazione, il transistor agisce come un interruttore chiuso.Entrambe le giunzioni sono polarizzate in avanti, consentendo il massimo flusso di corrente dal collettore all'emettitore.

Condizioni:

• VB> VC

• VB> ve

• VBE> ~ 0.6V (soglia)

• VCE (SAT) ≈ 0,05 V - 0,2V

Mentre la corrente scorre liberamente, esiste ancora una piccola caduta di tensione (VCE (SAT)).Questo stato viene generalmente utilizzato nelle applicazioni di commutazione.

Figura 6. Flusso di corrente della modalità di saturazione con indicazione di soglia

Modalità di cut-off.Transistor off

In modalità cut-off, il transistor si comporta come un interruttore aperto.Nessuna corrente scorre attraverso il collettore o l'emettitore perché entrambe le giunzioni sono polarizzate inversa.

Condizioni:

• VC> VB

• VE> VB

• VBE ≈ 0V o negativo

Questa modalità è ideale per isolare parti di un circuito o quando il transistor è inteso completamente spento.

Figura 7. Modalità di taglio senza percorsi di corrente

Modalità attiva (modalità di amplificazione)

La modalità attiva è dove un transistor funge da amplificatore.Una piccola corrente alla base controlla una corrente più grande dal collettore all'emettitore.La giunzione emettitore di base è distorta in avanti e la giunzione del collettore di base è distorta inversa.

Condizioni:

• vc> vb> ve

• VBE> ~ 0.6V

In questa modalità, il guadagno di corrente del transistor, rappresentato come β, mette in relazione la corrente del collettore (IC) con la corrente di base (IB):

Ic = β × ib

Un'altra costante correlata, α, collega le correnti di emettitore e collettore:

Ic = α × ie, dove α ≈ 0,99

È possibile passare da α e β usando:

β = α / (1 - α)

α = β / (β + 1)

Figura 8. Circuito della modalità attiva con rappresentazione di guadagno

Modalità attivo inversa-raramente utilizzata

La modalità inversa-attiva capovolgi il comportamento della modalità attiva.Qui, la giunzione in base all'emettitore è distorta inversa e la giunzione della base del collettore è distorta in avanti.La corrente scorre dall'emettitore a collezionista, di fronte alla direzione standard.

Condizioni:

• VC < VB < VE

Sebbene il transistor amplifichi ancora in questa modalità, l'attuale guadagno (βR) è inferiore, rendendolo inadatto alla maggior parte delle applicazioni pratiche.

Confrontare le modalità transistor NPN e PNP

I transistor PNP operano nelle stesse quattro modalità ma con polarità invertite.Invece di corrente che scorre da Collector all'emettitore (come in NPN), scorre da emettitore a collezionista.

Per analizzare il comportamento PNP, invertire semplicemente i segni di disuguaglianza utilizzati nella logica della modalità NPN.

Condizione di tensione	Modalità NPN	Modalità PNP
Vc> vb> ve	Attivo	Inversione
Ve < VB < VC	Saturazione	Tagliare
Ve> vb> vc	Tagliare	Saturazione
VC < VB < VE	Inversione	Attivo

Vari tipi di transistor

Figura 9. Tipi di transistor

I transistor sono classificati in due tipi principali: transistor a effetto campo (FET) e transistor di giunzione bipolare (BJT).

Transistor di giunzione bipolare

Un transistor di giunzione bipolare è un tipo di dispositivo a semiconduttore che controlla la corrente usando un'altra corrente, in particolare una piccola corrente nel suo terminale di base regola una corrente maggiore tra il suo collettore e l'emettitore.A differenza dei transistor a effetto campo, che si basano sulla tensione per il controllo, i BJT usano i portatori di carica, sia elettroni che buchi, per condurre.

I BJT sono apprezzati per i loro tempi di risposta elevati e rapidi, rendendoli ideali per compiti come l'amplificazione di segnali deboli o la commutazione di stati elettronici nei circuiti digitali.Sono disponibili in due versioni principali: NPN e PNP, che differiscono in base al tipo di portatori di carica coinvolti e alla direzione del flusso di corrente.

Transistor NPN

In un transistor NPN, gli elettroni fungono da portatori di carica primari.Il transistor rimane non conduttivo (OFF) fino a quando non viene applicata una piccola corrente al terminale di base.Questa corrente di base "apre efficacemente la giunzione emetter di base, creando una condizione di polarizzazione in avanti che riduce la potenziale barriera.

Una volta che ciò accade, gli elettroni sono in grado di fluire dall'emettitore verso il collettore.La corrente di base in arrivo non fornisce il flusso principale di elettroni;Invece, consente il movimento di elettroni già presenti nell'emettitore.Questi elettroni attraversano la regione di base sottile, dove solo una piccola porzione si ricombina e la maggioranza continuano verso il collettore, creando un percorso di corrente costante.Ciò rende il transistor NPN adatto per amplificatori per scopi generali e commutazione a livello logico.

Transistor PNP

Un transistor PNP funziona in modo simile ma con polarità invertite e tipi di carriera.Qui, i buchi sono i portatori dominanti e la direzione del flusso di corrente è di fronte a quella di un NPN.

Il transistor rimane fuori fino a quando una piccola corrente non scorre fuori dalla base (rispetto all'emettitore).Quando ciò si verifica, la giunzione di base-emettitore viene polarizzata in avanti, consentendo ai fori dall'emettitore di entrare nella base.Alcuni buchi si ricombinano con elettroni nella base, ma la maggior parte continua verso il collezionista.

Come nel NPN, la piccola corrente di base svolge un ruolo di controllo, consentendo a una corrente molto più grande di passare dall'emettitore a collezionista.Questa caratteristica consente di utilizzare i transistor PNP in applicazioni simili, in particolare quando sono necessarie operazioni di tensione negativa o progettazione di circuiti complementari.

Figura 10. Configurazione tipica BJT

Il circuito mostrato nel diagramma 10 illustra una tipica configurazione BJT.Qui sono presenti tre correnti: corrente di base (IB), corrente collettore (IC) e corrente di emettitore (IE).La tensione di base-emettitore (VEB) e la tensione della base del collettore (VCB) sono utilizzate nel comportamento di commutazione del transistor.Quando la base riceve corrente, il transistor si accende, consentendo alla corrente del collettore di fluire attraverso la resistenza di carico (RL), producendo una tensione di uscita (V0).

Questo circuito dimostra la funzione principale di BJTS che utilizza un piccolo ingresso alla base per controllare una corrente di uscita più grande tra il collettore e l'emettitore.

Transistor a effetto campo (FETS)

I transistor a effetto campo (FET) sono dispositivi a semiconduttore che regolano il flusso di corrente utilizzando un campo elettrico, piuttosto che l'iniezione di corrente continua.A differenza dei transistor di giunzione bipolare (BJTS), i FET non richiedono una corrente continua nel terminale di controllo.Invece, rispondono ai cambiamenti di tensione.Questo controllo basato sulla tensione fornisce ad alta impedenza di ingresso e li rende altamente efficienti per l'amplificazione dei segnali e la commutazione dei percorsi elettrici.

I FET sono classificati in due tipi principali:

• Transistor a effetto campo da giunzione (JFETS)

• Transistor ad effetto di campo-semiconduttore metallico (MOSFET)

Transistor a effetto campo da giunzione (JFET)

Un JFET è un dispositivo a tre terminali costituito da un cancello, una fonte e uno scarico.Controlla la corrente attraverso un canale a semiconduttore regolando le dimensioni di una regione di esaurimento creata da una giunzione PN polarizzata inversa tra il gate e il canale.

Figura 11. N-channel JFET

In un JFET a canale N, il canale è realizzato in materiale di tipo N e il cancello è composto da materiale di tipo P.Quando la tensione gate-to-fonte (VGS) è zero e viene applicata una piccola tensione da scarico a fonte (VDS), gli elettroni fluiscono liberamente attraverso il canale, con conseguente massima corrente di scarico, nota come IDS.

Poiché una tensione negativa viene applicata al cancello, la giunzione PN diventa più polarizzata.Questo espande la regione di deplezione, che restringe il percorso conduttivo del canale e riduce la corrente.Man mano che la tensione di gate negativa aumenta ulteriormente, il canale continua a restringere.Alla fine, il canale viene completamente pizzicato, fermando il flusso di corrente: questa condizione viene definita pizzicamento e la corrente di scarico (ID) scende a quasi zero.

FET di metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET)

Un MOSFET è un dispositivo a quattro terminali che comprende un cancello, una fonte, uno scarico e un corpo (o substrato).La sua caratteristica di definizione è lo strato di ossido isolante sottile che separa il cancello dal canale a semiconduttore sottostante.Questo isolamento si traduce in un'impedenza di input estremamente elevata, poiché praticamente nessuna corrente di gate scorre sotto il normale funzionamento.

Figura 12. Struttura MOSFET

I MOSFET sono più versatili di JFET perché possono operare in modalità di esaurimento (conduce canali a tensione di gate zero e possono essere disattivati ​​applicando una tensione) e la modalità di miglioramento (il canale è normalmente spento e richiede una tensione di gate per condurre).Questa capacità a doppia modalità li rende ideali sia per l'elaborazione del segnale analogico che per la commutazione digitale ad alta velocità.

Nonostante la loro sensibilità all'elettricità statica, i MOSFET eccellono in ambienti a commutazione rapida e sono ampiamente utilizzati su circuiti digitali, amplificatori analogici ed elettronica di potenza a causa della loro efficienza, scalabilità e basso consumo di energia.

Applicazioni comuni di transistor

• All'interno di microchip (circuiti integrati).Questi chip sono utilizzati in computer, smartphone e tablet per svolgere attività di elaborazione e controllo.

• Nei circuiti logici e cancelli.I transistor sono utilizzati per costruire porte logiche, che aiutano i computer.prendere decisioni utilizzando 1s e 0s (codice binario).

• In radio e dispositivi di segnale.I transistor aiutano ad amplificare i segnali radio, rimuovere il rumore e migliorare la qualità del suono nelle radio, TVS.e sistemi di comunicazione.

• Per la memorizzazione dei dati.I transistor archiviano i dati nei chip di memoria trovati in laptop, telefoni e unità USB.Tengono pezzi di informazione acceso o spegnendo.

• In dispositivi personali e medici.I transistor sono utilizzati in apparecchi acustici, pacemaker, telefoni cellulari e fitness tracker.Aiutano questi dispositivi a funzionare senza intoppi usando poca potenza.

• Nei sistemi audio.Rendono più forti segnali sonori, quindi puoi sentire la musica più forte e più chiara negli stereo.Altoparlanti e attrezzature musicali.

Conclusione

I transistor possono attivare e spegnere le cose o rendere più forti segnali deboli.Si trovano in dispositivi che vanno da radio e telefoni a computer e attrezzature mediche.Dopo aver letto questa guida, ora sai cos'è un transistor, come funziona e perché è importante.Questa conoscenza è un ottimo primo passo se vuoi saperne di più su come funziona l'elettronica.