Leitfaden zu Transistortypen, Funktionen und Anwendungen

Transistoren helfen dabei, den Stromfluss in elektronischen Geräten zu steuern.Sie arbeiten wie Schalter oder Verstärker, schalten Signale ein und machen sie stärker.In diesem einfachen Leitfaden lernen Sie, was ein Transistor ist, wie es funktioniert und warum es in der Technologie wichtig ist.

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Abbildung 1. Transistor

Was ist ein Transistor?

Ein Transistor Compact Semiconductor -Gerät, das die Bewegung der Strom durch eine Schaltung steuert.Es kann Signale ein- und ausschalten oder sie stärker machen, je nachdem, wie es verwendet wird.Dies hilft, elektronische Geräte ordnungsgemäß zu arbeiten und das zu tun, was sie tun sollen.

Transistoren kommen in fast allen modernen Elektronik vor.Sie helfen dabei, Dinge wie Taschenrechner, Telefone und Computer auszuführen, indem sie den Stromfluss in ihnen verwalten.

Der erste Transistor wurde 1947 von drei Wissenschaftlern in Bell Labs durchgeführt: John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain.Vorher verwendeten die Elektronik Vakuumröhrchen, die groß waren und viel Strom verbrauchten.

Die Transistoren waren viel kleiner, brauchten weniger Energie und brechen nicht so leicht.Ältere elektronische Maschinen waren groß, langsam und leicht zu beschädigen.Die Erfindung des Transistors trug dazu bei, Geräte kleiner, schneller und zuverlässiger zu machen.Im Laufe der Zeit machten die Ingenieure Transistoren noch kleiner.Heute können Milliarden von ihnen auf einen einzelnen Computerchip passen.

Transistorsymbole und PIN -Konfigurationen

Transistoren haben drei Hauptnadeln oder Terminals, die als Basis (B), Sammler (C) und Emitter (E) bezeichnet werden.Dieses Drei-terminale Layout wird in beiden gemeinsamen Arten von bipolaren Übergangstransistoren (BJTs) verwendet: NPN und PNP.Jedes Terminal hat einen bestimmten Job im Betrieb des Transistors.Die Basis ist der Kontrollstift - es erhält ein kleines Signal, das den Transistor ein- oder ausschalten.Der Kollektor ist das Terminal, an dem der Strom vom Stromkreis gesammelt wird.In dem Emitter ist der Strom je nach Typ entweder verlässt oder in den Transistor eintritt.

Abbildung 2. Transistorsymbole

Wenn Sie sich das Symbol eines Transistors in einem Schaltplan ansehen, können Sie feststellen, ob es sich um einen NPN- oder PNP -Typ handelt, indem Sie die Richtung des kleinen Pfeils auf dem Emitterbein überprüfen.In einem NPN -Transistor zeigt der Pfeil nach außen, was zeigt, dass der Strom aus dem Emitter herausfließt.Bei einem PNP -Transistor zeigt der Pfeil nach innen, was bedeutet, dass der Strom in den Emitter fließt.Dieser Pfeil zeigt nicht nur die Richtung - er hilft Ihnen zu verstehen, wie der Transistor in der Schaltung funktionieren soll.

Ein einfacher Weg, um sich an den Unterschied zu erinnern, ist der Ausdruck "NPN = nicht in".Dies bedeutet, dass der Pfeil in einem NPN -Transistor nicht in Richtung der Basis hinweist, während es in einem PNP -Transistor ist.Dieser schnelle Tipp erleichtert es einfacher, die beiden Typen auf einen Blick voneinander zu unterscheiden.

Jeder Teil des Symbols - Base, Sammler und Emitter - repräsentiert eine echte physische Verbindung zum Transistor.Zu wissen, welcher Stift das macht, was wichtig ist, wenn der Transistor in eine Schaltung gelegt wird.Die Basis steuert den Schaltanschluss, der Kollektor behandelt den größten Teil des Stroms, und der Emitter ist der Weg, den der Strom für das Verlassen oder Eintritt erfordert.

Struktur und Betrieb des Transistors

Transistoren arbeiten unter Verwendung einer geschichteten Struktur aus Halbleitermaterialien, typischerweise Silizium.Diese Materialien werden durch einen Prozess namens Doping modifiziert, der Verunreinigungen zur Kontrolle ihrer elektrischen Leitfähigkeit einführt.Doping kann entweder freie Elektronen (negative Ladungsträger) hinzufügen oder "Löcher" (positive Ladungsträger) erzeugen.Mit zusätzliche Elektronen dotierte Materialien werden als N-Typ bezeichnet, während diejenigen mit fehlenden Elektronen als P-Typ bezeichnet werden.

Ein typischer NPN-Transistor besteht aus drei Schichten: einem N-Typ-Emitter, einer P-Typ-Basis und einem N-Typ-Sammler.Diese Anordnung gibt dem NPN seinen Namen.

Abbildung 3. Typische NPN -Transistorschicht

Der Emitter setzt Elektronen in die Basis frei, die sehr dünn und leicht dotiert ist.Die Basis steuert, wie viele Elektronen in den Sammler gehen, der sie sammelt und in den Rest des Stromkreises übergibt.

Damit der Transistor ordnungsgemäß funktioniert, muss der Basis-Emitter-Übergang vorwärts vorgespannt sein.Dies bedeutet, dass die Basis eine höhere Spannung als der Emitter ist.

Abbildung 4. NPN -Transistor -Vorurteile und Elektronenfluss

Dadurch können sich die Elektronen leicht vom Emitter in die Basis und dann in den Kollektor bewegen und die Stromfluss- und Signalverstärkung ermöglichen.

Im Gegensatz dazu verwendet ein PNP-Transistor eine P-N-P-Schichtstruktur.Es funktioniert ähnlich, aber die Ladungsträger sind Löcher, und der Strom fließt in die entgegengesetzte Richtung - vom Emitter bis zum Sammler.

Betriebsmodi des Transistors

NPN -Transistoren haben vier Hauptbetriebsmodi.Sättigung, Grenzwert, aktiv und reverse.Jeder Modus beeinflusst, ob der Transistor ein- oder ausgeschaltet ist, ob er ein Signal verstärkt oder wie der Strom durch ihn fließt.

Abbildung 5. Vier Transistormodi

Um den Modus eines Transistors zu bestimmen, betrachten wir die Spannungen zwischen seinen Klemmen:

• VBE: Basis zum Emitter

• VBC: Basis zum Sammler

Diese Spannungen bestimmen den Zustand jeder Übergabe und definieren, wie sich der Transistor verhält.

Jeder Modus entspricht einer bestimmten Spannungsbedingung:

• Aktiver Modus: VC> VB> VE

• Sättigungsmodus: VB> VC und VB> VE

• Grenzmodus: VC> VB und VE> VB

• Reverse-Active-Modus: VC < VB < VE

Lassen Sie uns jeden detaillierter erkunden.

Sättigungsmodus.Voller Staat

Im Sättigungsmodus wirkt der Transistor wie ein geschlossener Schalter.Beide Kreuzungen sind vorwärtsgerichtet, sodass der maximale Stromfluss vom Sammler zum Emitter.

Bedingungen:

• VB> VC

• vb> ve

• VBE> ~ 0,6 V (Schwellenwert)

• VCE (SAT) ≈ 0,05 V - 0,2 V

Während der Strom frei fließt, existiert noch ein kleiner Spannungsabfall (VCE (SAT)).Dieser Zustand wird in der Regel für die Schaltanwendungen verwendet.

Abbildung 6. Sättigungsmodus Stromfluss mit Schwellenwertanzeige

Grenzmodus.Transistor ab

Im Grenzmodus verhält sich der Transistor wie ein offener Schalter.Kein Strom fließt durch den Kollektor oder den Emitter, da beide Kreuzungen umgekehrt sind.

Bedingungen:

• VC> VB

• ve> vb

• VBE ≈ 0V oder negativ

Dieser Modus ist ideal, um Teile einer Schaltung zu isolieren oder wenn der Transistor vollständig ausgeschaltet ist.

Abbildung 7. Grenzmodus ohne aktuelle Pfade

Aktiver Modus (Amplifikationsmodus)

Der aktive Modus fungiert ein Transistor als Verstärker.Ein kleiner Strom an der Basis steuert einen größeren Strom vom Sammler zum Emitter.Der Basis-Emitter-Übergang ist nach vorne vorgespannt und der Basiskollektorverbiss ist umgekehrt vorgespannt.

Bedingungen:

• vc> vb> ve

• VBE> ~ 0,6 V

In diesem Modus bezieht der Stromverstärkung des Transistors, der als β dargestellt wird, den Kollektorstrom (IC) auf den Basisstrom (IB):

IC = β × IB

Eine andere verwandte Konstante, α, verbindet Emitter- und Sammlerströme:

IC = α × IE, wobei α ≈ 0,99

Sie können zwischen α und β mit:

β = α / (1 - α)

α = β / (β + 1)

Abbildung 8. Aktive Moduskreis mit Verstärkungsdarstellung

Reverse-Active-Modus-selten verwendet

Der Reverse-Active-Modus dreht das Verhalten des aktiven Modus.Hier ist die Emitter-Base-Verbindung umgekehrt und der Collector-Base-Junction ist vorwärtsgerichtet.Der Strom fließt vom Emitter zum Sammler gegenüber der Standardrichtung.

Bedingungen:

• VC < VB < VE

Obwohl der Transistor in diesem Modus immer noch verstärkt, ist die Stromverstärkung (βR) niedriger, was ihn für die meisten praktischen Anwendungen ungeeignet macht.

Vergleich von NPN- und PNP -Transistor -Modi

PNP -Transistoren arbeiten in den gleichen vier Modi, jedoch mit umgekehrten Polaritäten.Anstelle von Strom fließt vom Sammler zum Emitter (wie in NPN), sondern fließt vom Emitter zum Sammler.

Um das PNP -Verhalten zu analysieren, können Sie einfach die in der NPN -Modus -Logik verwendeten Ungleichheitszeichen umkehren.

Spannungszustand	NPN -Modus	PNP -Modus
Vc> vb> ve	Aktiv	Umkehren
Ve < VB < VC	Sättigung	Grenzwert
Ve> vb> vc	Grenzwert	Sättigung
VC < VB < VE	Umkehren	Aktiv

Verschiedene Arten von Transistoren

Abbildung 9. Arten von Transistoren

Transistoren werden in zwei Haupttypen eingeteilt: Feldeffekttransistoren (FETs) und Bipolare Junction Transistors (BJTs).

Bipolarer Junction -Transistor

Ein bipolarer Übergangstransistor ist eine Art Halbleitervorrichtung, der Strom mit einem anderen Strom steuert - insbesondere ein kleiner Strom am Basisterminal reguliert einen größeren Strom zwischen seinem Kollektor und dem Emitter.Im Gegensatz zu Feldeffekttransistoren, die auf Spannung für die Kontrolle beruhen, verwenden BJTs Ladungsträger-sowohl Elektronen als auch Löcher-, um sie zu leiten.

BJTs werden für ihre hohen Verstärkung und schnelle Reaktionszeiten geschätzt, wodurch sie ideal für Aufgaben wie die Verstärkung schwacher Signale oder das Schalten elektronischer Zustände in digitalen Schaltkreisen sind.Sie sind in zwei Hauptversionen erhältlich: NPN und PNP, die sich auf der Art der beteiligten Ladungsträger und der Richtung des Stromflusses unterscheiden.

NPN -Transistor

Bei einem NPN -Transistor dienen Elektronen als Hauptladungsträger.Der Transistor bleibt nicht leitend (aus), bis ein kleiner Strom auf das Basisterminal angewendet wird.Dieser Basisstrom "öffnet" den Basis-Emitter-Übergang effektiv und erzeugt einen vorwärts gerichteten Zustand, der die potenzielle Barriere verringert.

Sobald dies geschieht, können Elektronen aus dem Emitter zum Sammler fließen.Der eingehende Basisstrom liefert nicht den Hauptstrom von Elektronen.Stattdessen ermöglicht es die Bewegung von Elektronen, die bereits im Emitter vorhanden sind.Diese Elektronen gehen durch den dünnen Basisbereich, in dem nur eine kleine Portionsrekombination und die Mehrheit bis zum Kollektor fortgesetzt werden, was einen stetigen Strompfad erzeugt.Dies macht den NPN-Transistor für allgemeine Verstärker und Logik-Ebene gut geeignet.

PNP -Transistor

Ein PNP -Transistor funktioniert ähnlich, jedoch mit umgekehrten Polaritäten und Ladungsträgertypen.Hier sind Löcher die dominierenden Träger, und die Richtung des Stromflusses ist entgegengesetzt der eines NPN.

Der Transistor bleibt frei, bis ein kleiner Strom aus der Basis fließt (relativ zum Emitter).In diesem Fall wird der Basis-Emitter-Übergang nach vorne vorgespannt, sodass Löcher vom Emitter die Basis betreten können.Einige Löcher rekombinieren mit Elektronen in der Basis, aber die meisten gehen in Richtung des Sammlers.

Wie im NPN spielt der kleine Basisstrom eine kontrollierende Rolle, sodass ein viel größerer Strom vom Emitter zum Sammler übergeben kann.Mit dieser Merkmale können PNP -Transistoren in ähnlichen Anwendungen verwendet werden, insbesondere wenn ein negativer Spannungsbetrieb oder ein Komplementärschaltungsdesign erforderlich ist.

Abbildung 10. Typische BJT -Konfiguration

Die in Diagramm 10 gezeigte Schaltung zeigt eine typische BJT -Konfiguration.Hier sind drei Ströme vorhanden: Basisstrom (IB), Kollektorstrom (IC) und Emitterstrom (dh).Die Basis-Emitter-Spannung (VEB) und die Collector-Base-Spannung (VCB) werden im Schaltverhalten des Transistors verwendet.Wenn die Basis Strom erhält, schaltet sich der Transistor ein und lässt den Kollektorstrom durch den Lastwiderstand (RL) fließen, wodurch eine Ausgangsspannung (V0) erzeugt wird.

Diese Schaltung demonstriert die Kernfunktion von BJTS, die einen kleinen Eingang an der Basis verwenden, um einen größeren Ausgangsstrom zwischen dem Kollektor und dem Emitter zu steuern.

Feldeffekttransistoren (FETs)

Feldeffekttransistoren (FETs) sind Halbleitergeräte, die den Stromfluss unter Verwendung eines elektrischen Feldes und nicht mit der Gleichstrominjektion regulieren.Im Gegensatz zu bipolaren Übergangstransistoren (BJTs) benötigen FETs keinen kontinuierlichen Strom am Kontrollterminal.Stattdessen reagieren sie auf Spannungsänderungen.Diese spannungsbasierte Steuerung gibt FETs eine hohe Eingangsimpedanz und macht sie sehr effizient, um Signale zu verstärken und elektrische Pfade zu wechseln.

FETs werden in zwei Haupttypen eingeteilt:

• Übergangsfeld-Effekt-Transistoren (JFETs)

• Metal-Oxid-Sämiener-Feld-Effekt-Transistoren (MOSFETs)

Junction Field-Effect Transistor (JFET)

Ein JFET ist ein Drei-terminales Gerät, das aus einem Tor, einer Quelle und einem Abfluss besteht.Es steuert Strom durch einen Halbleiterkanal durch Einstellung der Größe eines Verarmungsbereichs, der durch einen umgekehrten PN-Übergang zwischen dem Gate und dem Kanal erzeugt wird.

Abbildung 11. N-Kanal JFET

In einem N-Kanal-JFET besteht der Kanal aus N-Typ-Material und das Tor besteht aus P-Typ-Material.Wenn die Gate-to-Source-Spannung (VGS) Null ist und eine kleine Drain-zu-Source-Spannung (VDS) angewendet wird, fließen die Elektronen frei durch den Kanal, was zum maximalen Abflussstrom, der als IDSS bezeichnet wird, führt.

Wenn eine negative Spannung auf das Tor angelegt wird, wird der PN-Übergang mehr voreingenommen.Dies erweitert den Depletionsregion, der den leitenden Pfad des Kanals verengt und den Strom reduziert.Wenn die negative Gate -Spannung weiter zunimmt, verengt sich der Kanal weiter.Schließlich wird der Kanal vollständig eingeklemmt und der Stromfluss anstockt - dieser Zustand wird als Prise bezeichnet und der Abflussstrom (ID) fällt auf nahezu Null ab.

Metalloxid-Sämiewerk FET (MOSFET)

Ein MOSFET ist ein Vierterminalgerät, das ein Tor, eine Quelle, einen Abfluss und ein Körper (oder ein Substrat) umfasst.Das definierende Merkmal ist die dünne Isolieroxidschicht, die das Tor vom darunter liegenden Halbleiterkanal trennt.Diese Isolierung führt zu einer extrem hohen Eingangsimpedanz, da praktisch kein Gate -Strom unter normalem Betrieb fließt.

Abbildung 12. MOSFET -Struktur

MOSFETs sind vielseitiger als JFETs, da sie im Depletion -Modus arbeiten können (Kanal leitet bei Null -Gate -Spannung und kann durch Anwenden einer Spannung ausgeschaltet werden) und des Verbesserungsmodus (Kanal ist normalerweise ausgeschaltet und erfordert eine Gate -Spannung, um zu leiten).Diese Dual-Mode-Fähigkeit macht sie sowohl für die analoge Signalverarbeitung als auch für die digitale Hochgeschwindigkeitsschaltung ideal.

Trotz ihrer Empfindlichkeit gegenüber statischer Elektrizität übertreffen MOSFETs aufgrund ihrer Effizienz, Skalierbarkeit und geringem Stromverbrauch in den schnellen Umgebungen und sind weit verbreitet in digitalen Schaltkreisen, analogen Verstärkern und Leistungselektronik.

Gemeinsame Anwendungen von Transistoren

• Innerhalb von Mikrochips (integrierte Schaltungen).Diese Chips werden in Computern, Smartphones und Tablets verwendet, um Verarbeitungs- und Steueraufgaben auszuführen.

• In logischen Schaltungen und Toren.Transistoren werden zum Erstellen von Logiktoren verwendet, die Computern helfen.Treffen Sie Entscheidungen mit 1S und 0s (Binärcode).

• In Radios- und Signalgeräten.Transistoren helfen dabei, Funksignale zu verstärken, Rauschen zu entfernen und die Schallqualität in Funkgeräten und Fernseher zu verbessern.& Kommunikationssysteme.

• Zum Speichern von Daten.Die Transistoren speichern Daten in Speicherchips in Laptops, Telefonen und USB -Laufwerken.Sie halten Informationen, indem sie ein- oder ausschalten.

• In persönlichen und medizinischen Geräten.Transistoren werden in Hörgeräten, Herzschrittmachern, Mobiltelefonen und Fitness -Trackern eingesetzt.Sie helfen, diese Geräte reibungslos mit wenig Leistung zu laufen.

• In Audiosystemen.Sie machen Klangsignale stärker, sodass Sie Musik lauter und klarer in Stereoanlagen hören können.Sprecher & musikalische Ausrüstung.

Abschluss

Transistoren können Dinge einschalten und schwache Signale stärker machen.Sie befinden sich in Geräten, die von Funkgeräten und Telefonen bis hin zu Computern und medizinischen Geräten reichen.Nachdem Sie diesen Leitfaden gelesen haben, wissen Sie jetzt, was ein Transistor ist, wie er funktioniert und warum es wichtig ist.Dieses Wissen ist ein großartiger erster Schritt, wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie Elektronik funktioniert.