Oggi vedremo come funziona un transistor, ovvero uno dei componenti base del semiconduttore, che ha la funzione di amplificazione di corrente ed è il componente centrale del circuito elettronico. Il transistor è costituito da due giunzioni PN molto vicine tra loro su un substrato semiconduttore. Le due giunzioni PN dividono l’intero semiconduttore in tre parti. La parte centrale è l’area di base e i due lati sono le aree di emettitore e collettore. PNP e NPN sono i due tipi di accordi.
Lo Stato di Funzionamento dei Transistor
Stato di interruzione
Quando la tensione applicata alla giunzione dell’emettitore del transistor è inferiore alla tensione di conduzione della giunzione PN, la corrente di base, la corrente del collettore e la corrente dell’emettitore sono zero. Il transistor perde il suo effetto di amplificazione corrente e il collettore e l’emettitore sono uguali nello stato spento dell’interruttore, che chiamiamo transistor nello stato di interruzione.
Stato attivo
Il transistor funziona nella regione attiva quando la giunzione di emettitore del transistor è polarizzata in avanti e la giunzione del collettore è polarizzata inversa. Nella regione attiva, la tensione applicata alla giunzione di emettitore del transistor è maggiore della tensione di accensione della giunzione PN. E la corrente di base controlla la corrente del collettore, in modo che il transistor agisca come un amplificatore e il suo fattore di amplificazione di corrente β=ΔIc/ΔIb. Chiamiamo il transistor è in uno stato attivo.
Stato di saturazione
Quando la tensione applicata alla giunzione di emettitore del transistor è maggiore della tensione di conduzione della giunzione PN, e quando la corrente di base aumenta in una certa misura, la corrente di collettore non aumenta più all’aumentare della corrente di base. In questo momento, il transistor perde il suo attuale effetto di amplificazione. La tensione tra il collettore e l’emettitore è molto piccola e il collettore e l’emettitore equivalgono allo stato On dell’interruttore. Questo stato del transistor è chiamato stato di conduzione satura.
In base al livello di tensione di ciascun elettrodo quando il transistor è in funzione, è possibile valutare lo stato di funzionamento del transistor. Il personale addetto alla manutenzione elettronica utilizza spesso un multimetro per misurare la tensione di ciascun pin del transistor durante il processo di manutenzione per determinare le condizioni di lavoro e lo stato di funzionamento del transistor.
Principio di Funzionamento Teorico dei Transistor
Esistono due tipi di transistor in base ai materiali: al germanio e al silicio. Ognuno di essi ha due forme strutturali, NPN e PNP, ma i più utilizzati sono i transistor NPN al silicio e PNP al germanio. I semiconduttori di tipo N aggiungono fosforo al silicio ad alta purezza per sostituire alcuni atomi di silicio per generare una stimolazione di sottotensione di conduzione di elettroni liberi. P significa positivo. I semiconduttori di tipo P aggiungono boro per sostituire il silicio, che genera un gran numero di fori per facilitare la conduzione. Fatta eccezione per la differenza di polarità di alimentazione, i due principi di funzionamento sono gli stessi. Quanto segue introduce solo l’attuale principio di amplificazione dei tubi di silicio NPN.
Transistor NPN e transistor PNP
Un transistor NPN è composto da due semiconduttori di tipo N e un semiconduttore di tipo P nel mezzo. La giunzione PN formata tra la regione di emettitore e la regione di base è chiamata giunzione di emettitore e la giunzione PN formata dalla regione di collettore e la regione di base è chiamata giunzione di collettore. Le tre derivazioni sono chiamate Emettitore e, Base b e Collettore c.
Quando il potenziale nel punto b è superiore al potenziale nel punto e di pochi volt, la giunzione dell’emettitore è in uno stato polarizzato in avanti. Quando il potenziale nel punto C è di alcuni volt superiore al potenziale nel punto b, la giunzione del collettore è in uno stato polarizzato inversamente e la potenza del collettore Ec è maggiore della potenza di base Eb.
Durante la fabbricazione del transistor, la concentrazione di portante maggioritaria nella regione dell’emettitore viene deliberatamente aumentata rispetto a quella nella regione di base. Allo stesso tempo, la regione di base è molto sottile e il contenuto di impurità deve essere rigorosamente controllato. In questo modo, una volta inserita l’alimentazione, la giunzione dell’emettitore viene polarizzata positivamente. I portatori maggioritari (elettroni) nella regione di emettitore e i portatori maggioritari (fori) nella regione di base si diffondono facilmente tra loro attraverso la giunzione di emettitore. La base di concentrazione del primo è maggiore del secondo, quindi la corrente attraverso la giunzione dell’emettitore è fondamentalmente un flusso di elettroni, che è chiamato flusso di elettroni dell’emettitore.
Principio di Amplificazione dei Transistor
L’emettitore emette elettroni alla base
L’alimentatore Ub viene aggiunto alla giunzione di emissione tramite il resistore Rb. La giunzione di emissione è polarizzata in avanti e la maggior parte dei portatori (elettroni liberi) nell’area di emissione attraversa continuamente la giunzione di emissione ed entra nell’area di base, formando una corrente di emettitore Ie. Allo stesso tempo, la maggior parte dei portatori nella regione di base si diffonde nella regione di emissione, ma poiché la concentrazione dei portatori maggioritari è molto inferiore alla concentrazione dei portatori nella regione di emissione, questa corrente può essere ignorata, quindi si può considerare che il la giunzione di emissione è principalmente il flusso di elettroni.
La diffusione e ricombinazione di elettroni nella base
Dopo che gli elettroni sono entrati nell’area di base, vengono prima concentrati vicino alla giunzione dell’emettitore e formano gradualmente una differenza di concentrazione di elettroni. A causa della differenza di concentrazione, il flusso di elettroni viene promosso a diffondersi nella base fino alla giunzione del collettore e viene attirato nel collettore dal campo elettrico della giunzione del collettore. Si chiama corrente di collettore Ic. C’è anche una piccola parte di elettroni (perché la regione di base è molto sottile) ricombinata con i buchi nella regione di base e il rapporto tra il flusso di elettroni diffuso e il flusso di elettroni composito determina la capacità di amplificazione del transistor.
Raccogliere gli elettroni nel collettore
Poiché la tensione inversa applicata alla giunzione del collettore è molto grande, la forza del campo elettrico generata da questa tensione inversa impedirà agli elettroni nella regione del collettore di diffondersi nella regione di base. Allo stesso tempo, gli elettroni diffusi vicino alla giunzione del collettore verranno attirati nella regione del collettore per formare la corrente del collettore principale Icn. Inoltre, anche i portatori minoritari (fori) nella regione del collettore andranno alla deriva e fluiranno nella regione di base per formare una corrente di saturazione inversa, rappresentata da Icbo. Il suo valore è molto piccolo, ma è estremamente sensibile alla temperatura.
Come funzionano i Transistor nei Calcolatori e nei Computer?
In pratica, non hai bisogno di sapere niente di tutto questo su elettroni e buchi a meno che non progetterai chip per computer per vivere! Tutto quello che devi sapere è che un transistor funziona come un amplificatore o un interruttore, usando una piccola corrente per accenderne uno più grande. Ma c’è un’altra cosa che vale la pena sapere: in che modo tutto questo aiuta i computer a memorizzare informazioni e prendere decisioni?
Funzionamento Logico
Possiamo mettere insieme alcuni interruttori a transistor per creare qualcosa chiamato porta logica, che confronta diverse correnti di ingresso e di conseguenza fornisce un’uscita diversa. Le porte logiche consentono ai computer di prendere decisioni molto semplici utilizzando una tecnica matematica chiamata algebra booleana. Il tuo cervello prende le decisioni allo stesso modo. Ad esempio, utilizzando “input” (cose che sai) sul tempo e su ciò che hai nel tuo corridoio, puoi prendere una decisione come questa: “Se piove E ho un ombrello, andrò a fare la spesa”.
Questo è un esempio di algebra booleana che usa quello che viene chiamato AND “operatore” (la parola operatore è solo un po’ di gergo matematico per far sembrare le cose più complicate di quanto non siano in realtà). Puoi prendere decisioni simili con altri operatori. “Se c’è vento o nevica, allora indosserò un cappotto” è un esempio di utilizzo di un operatore OR. O che ne dici di “Se piove E ho un ombrello O ho un cappotto, allora va bene uscire”. Utilizzando AND, OR e altri operatori chiamati NOR, XOR, NOT e NAND, i computer possono sommare o confrontare numeri binari. Quell’idea è la pietra angolare dei programmi per computer: la serie logica di istruzioni che fanno fare le cose ai computer.
Normalmente, un transistor a giunzione è “spento” quando non c’è corrente di base e passa a “acceso” quando scorre la corrente di base. Ciò significa che è necessaria una corrente elettrica per accendere o spegnere il transistor. Ma transistor come questo possono essere collegati a porte logiche in modo che le loro connessioni di uscita ritornino ai loro ingressi. Il transistor rimane quindi acceso anche quando viene rimossa la corrente di base. Ogni volta che scorre una nuova corrente di base, il transistor “si accende o si spegne”. Rimane in uno di quegli stati stabili (acceso o spento) fino a quando un’altra corrente non arriva e la capovolge dall’altra parte. Questo tipo di disposizione è noto come flip-flop e trasforma un transistor in un semplice dispositivo di memoria che memorizza uno zero (quando è spento) o uno (quando è acceso). I flip-flop sono la tecnologia di base alla base dei chip
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