- トランジスタとは何ですか?
- トランジスタは何でできていますか?
- トランジスタはどのように機能しますか?
- さまざまなタイプのトランジスタ:
- バイポーラ接合トランジスタ(BJT)
- トランジスタ構成とは何ですか?
- 電界効果トランジスタ(FET):
- 接合型電界効果トランジスタ(JFET)
- 金属酸化物電界効果トランジスタ(MOSFET):
- トランジスタのバイアスのモード:
- トランジスタの応用
私たちの脳はニューロンと呼ばれる1000億個の細胞で構成されているため、物事を考えたり記憶したりするために使用されます。コンピュータのように、トランジスタという名前の何十億もの小さな脳細胞もあります。それはシリコンと呼ばれる砂からの化学元素抽出物で構成されています。トランジスタは、ジョンバーディーン、ウォルターブラッテン、ウィリアムショックレーによって半世紀以上前に設計されて以来、電子工学の理論を根本的に変えています。
それで、私たちはそれらがどのように機能するか、またはそれらが実際に何であるかをあなたに話しますか?
トランジスタとは何ですか?
これらのデバイスは、増幅またはスイッチングの目的で一般的に使用される半導体材料で構成されており、電圧と電流の流れを制御するためにも使用できます。また、入力信号をエクステント出力信号に増幅するためにも使用されます。トランジスタは通常、半導体材料で構成されたソリッドステート電子デバイスです。電子電流の循環は、電子の追加によって変更できます。このプロセスは、電圧変動をもたらし、出力電流の多くの変動に比例して影響を与え、増幅を実現します。すべてではありませんが、ほとんどの電子デバイスには1つ以上のタイプのトランジスタが含まれています。トランジスタのいくつかは、個別に配置されるか、一般に、状態のアプリケーションに応じて変化する集積回路に配置されます。
「トランジスタは3本足の昆虫タイプのコンポーネントであり、一部のデバイスには単独で配置されますが、コンピュータでは、小さなマイクロチップに数百万個の数が詰め込まれています。」
トランジスタは何でできていますか?
トランジスタは、電流を保持する能力を持つ3層の半導体で構成されています。シリコンやゲルマニウムなどの導電性材料は、プラスチックワイヤで囲まれた導体と絶縁体の間で電気を運ぶ能力があります。半導体材料は、半導体のドーピングと呼ばれるいくつかの化学的手順によって処理されます。シリコンにヒ素、リン、アンチモンをドープすると、いくつかの余分な電荷キャリア、つまり電子が得られます。これは、N型または負の半導体として知られていますが、シリコンにホウ素、ガリウム、アルミニウムなどの別の不純物をドープすると、次のようになります。より少ない電荷キャリア、すなわち正孔は、P型または正の半導体として知られています。
トランジスタはどのように機能しますか?
動作の概念は、トランジスタの使用方法または動作を理解するための主要な部分です。トランジスタには3つの端子があります。
• ベース:トランジスタ電極にベースを与えます。
• エミッター:これによって放出される電荷キャリア。
• コレクター:これによって収集された電荷キャリア。
トランジスタがNPNタイプの場合、トリガーするには0.7vの電圧を印加する必要があり、ベースピンに印加される電圧としてトランジスタがオンになります。これは順方向にバイアスされた状態であり、電流はコレクタからエミッタに流れ始めます(飽和とも呼ばれます)。領域)。トランジスタが逆バイアス状態にあるか、ベースピンが接地されているか、電圧がない場合、トランジスタはオフ状態のままで、コレクタからエミッタへの電流の流れを許可しません(カットオフ領域とも呼ばれます)。
トランジスタがPNPタイプの場合、通常はオン状態ですが、ベースピンが完全に接地されるまで完全にオンとは言えません。ベースピンを接地した後、トランジスタは逆バイアス状態になるか、オンになると言われます。ベースピンに供給される電源は、コレクタからエミッタへの電流の伝導を停止し、トランジスタはオフ状態または順方向バイアス状態にあると言われます。
トランジスタを保護するために、抵抗を直列に接続し、その抵抗の値を見つけるために、次の式を使用します。
R B = V BE / I B
さまざまなタイプのトランジスタ:
主に、トランジスタをバイポーラ接合トランジスタ(BJT)と電界効果トランジスタ(FET)の2つのカテゴリに分けることができます。さらに、以下のように分割できます。
バイポーラ接合トランジスタ(BJT)
バイポーラ接合トランジスタは、ベース、エミッタ、コレクタの3つの端子を備えたドープ半導体で構成されています。この手順では、正孔と電子の両方が関与します。ベースからエミッタ端子への小電流を変更することにより、コレクタからエミッタに流れる大量の電流が切り替わります。これらは、電流制御デバイスとも呼ばれます。前に説明したように、NPNとPNPはBJTの2つの主要部分です。BJTは、すべてのトランジスタでインピーダンスが最も低いため、ベースに入力を与えることでオンになります。増幅率もすべてのトランジスタで最も高くなります。
BJTの種類は次のとおりです。
1. NPNトランジスタ:
NPNトランジスタの中間領域、つまりベースはp型で、2つの外側領域、つまりエミッタとコレクタはn型です。
フォワードアクティブモードでは、NPNトランジスタはバイアスされます。DCソースVbbにより、ベースとエミッタの接合部は順方向にバイアスされます。したがって、この接合部では空乏領域が減少します。コレクタからベースへの接合は逆バイアスされ、コレクタからベースへの接合の空乏領域が増加します。大部分の電荷キャリアは、n型エミッターの電子です。ベースエミッタ接合は順方向にバイアスされているため、電子はベース領域に向かって移動します。したがって、これによりエミッタ電流Ieが発生します。ベース領域は薄く、正孔によって軽くドープされ、電子と正孔の組み合わせが形成され、一部の電子はベース領域に残ります。これにより、ベース電流Ibが非常に小さくなります。。ベースコレクタ接合は、ベース領域の正孔とコレクタ領域の電子に逆バイアスされますが、ベース領域の電子に順バイアスされます。コレクタ端子に引き付けられたベース領域の残りの電子は、コレクタ電流Icを引き起こします。NPNトランジスタの詳細については、こちらをご覧ください。
2. PNPトランジスタ:
PNPトランジスタの中間領域、すなわち、ベースはn型であり、2つの外側領域、すなわち、コレクタおよびエミッタは、p型である。
上記のNPNトランジスタで説明したように、アクティブモードでも動作しています。大部分の電荷キャリアは、p型エミッター用の正孔です。これらの穴の場合、ベースエミッタ接合は順方向にバイアスされ、ベース領域に向かって移動します。これにより、エミッタ電流Ieが発生します。ベース領域は薄く、電子によって軽くドープされ、電子と正孔の組み合わせが形成され、いくつかの正孔がベース領域に残ります。これにより、ベース電流Ibが非常に小さくなります。ベースコレクタ接合は、ベース領域の穴およびコレクタ領域の穴に逆バイアスされているが、ベース領域の穴に順バイアスされている。コレクタ端子に引き付けられたベース領域の残りの穴は、コレクタ電流Icを引き起こします。PNPトランジスタの詳細については、こちらをご覧ください。
トランジスタ構成とは何ですか?
一般に、構成には3つのタイプがあり、ゲインに関する説明は次のとおりです。
コモンベース(CB)構成:電流ゲインはありませんが、電圧ゲインはあります。
コレクタ接地(CC)構成:電流ゲインはありますが、電圧ゲインはありません。
エミッタ接地(CE)構成:電流ゲインと電圧ゲインの両方があります。
トランジスタ共通ベース(CB)構成:
この回路では、ベースは入力と出力の両方に共通に配置されています。入力インピーダンスが低い(50〜500オーム)。それは高い出力インピーダンス(1-10メガオーム)を持っています。ベース端子に関して測定された電圧。したがって、入力電圧と電流はVbe&Ieになり、出力電圧と電流はVcb&Icになります。
- 現在のゲインは1未満になります。つまり、alpha(dc)= Ic / Ie
- 電圧ゲインが高くなります。
- パワーゲインは平均になります。
トランジスタ共通エミッタ(CE)構成:
この回路では、エミッタは入力と出力の両方に共通に配置されています。入力信号はベースとエミッターの間に適用され、出力信号はコレクターとエミッターの間に適用されます。VbbとVccは電圧です。それは高い入力インピーダンス、すなわち(500-5000オーム)を持っています。それは低い出力インピーダンス、すなわち(50-500キロオーム)を持っています。
- 現在のゲインは高くなります(98)、つまりベータ(dc)= Ic / Ie
- パワーゲインは最大37dbです。
- 出力は180度位相がずれます。
トランジスタの共通コレクタ構成:
この回路では、コレクタは入力と出力の両方に共通に配置されています。これは、エミッタフォロワとも呼ばれます。入力インピーダンスが高く(150-600キロオーム)、出力インピーダンスが低い(100-1000オーム)。
- 現在のゲインは高くなります(99)。
- 電圧利得は1未満になります。
- パワーゲインは平均になります。
電界効果トランジスタ(FET):
電界効果トランジスタには、ソース、ゲート、ドレインの3つの領域が含まれています。これらは、電圧レベルを制御するため、電圧制御デバイスと呼ばれます。電気的挙動を制御するために、外部から印加される電界を選択できるため、電界効果トランジスタと呼ばれます。この場合、電流は多数の電荷キャリア、つまり電子によって流れます。したがって、ユニポーラトランジスタとしても知られています。主にメガオーム単位の高い入力インピーダンスを持ち、電界によって制御されるドレインとソース間の周波数伝導率が低くなります。FETは非常に効率的で、強力で、コストも低く抑えられます。
電界効果トランジスタには、接合型電界効果トランジスタ(JFET)と金属酸化物電界効果トランジスタ(MOSFET)の2種類があります。電流は、nチャネルとpチャネルという名前の2つのチャネル間を流れます。
接合型電界効果トランジスタ(JFET)
接合型電界効果トランジスタにはPN接合がありませんが、高抵抗率の半導体材料の代わりに、ドレインまたはソース端子の2つの端子を持つ多数電荷キャリアの流れのためのn&pタイプのシリコンチャネルを形成します。nチャネルでは、電流の流れは負ですが、pチャネルでは電流の流れは正です。
JFETの働き:
JFETには、nチャネルJFETとpチャネルJFETという名前の2種類のチャネルがあります。
NチャネルJFET:
ここでは、次の2つの条件でのnチャネルJFETの主な動作について説明する必要があります。
まず、Vgs = 0の場合、
Vdsが正のドレイン端子に小さな正の電圧を印加します。この印加電圧Vdsにより、電子がソースからドレインに流れ、ドレイン電流Idが発生します。ドレインとソースの間のチャネルは抵抗として機能します。nチャネルを均一にします。ドレイン電流Idによって設定され、ソースからドレインに移動するさまざまな電圧レベル。電圧はドレイン端子で最も高く、ソース端子で最も低くなります。ドレインは逆バイアスされているため、ここでは空乏層が広くなっています。
Vdsが増加し、Vgs = 0 V
空乏層が増加し、チャネル幅が減少します。Vdsは、2つの空乏領域が接触するレベルで増加します。この状態はピンチオフプロセスと呼ばれ、ピンチオフ電圧Vpを引き起こします。
ここで、Idピンチオフは0 MAに低下し、Idは飽和レベルに達します。IDとのVgs = 0としても知られているドレイン・ソース飽和電流(のIdss)。VdsはVpで増加し、電流Idは同じままで、JFETは定電流源として機能します。
次に、Vgsが0に等しくない場合、
負のVgsを適用すると、Vdsは異なります。空乏領域の幅が広がり、チャネルが狭くなり、抵抗が増加します。より少ないドレイン電流が流れ、飽和レベルに達します。負のVgsにより、飽和レベルが低下し、Idが低下します。ピンチオフ電圧は継続的に低下します。したがって、それは電圧制御デバイスと呼ばれます。
JFETの特徴:
特性は、次のようなさまざまな領域を示しています。
オーミック領域:Vgs = 0、空乏層が小さい。
カットオフ領域:チャネル抵抗が最大であるため、ピンチオフ領域とも呼ばれます。
飽和またはアクティブ領域:ドレインソース電圧が低いゲートソース電圧によって制御されます。
故障領域:ドレインとソース間の電圧が高いため、抵抗膜が故障します。
PチャネルJFET:
pチャネルJFETはnチャネルJFETと同じように動作しますが、いくつかの例外が発生しました。つまり、ホールが原因でチャネル電流が正であり、バイアス電圧の極性を逆にする必要があります。
アクティブ領域のドレイン電流:
Id = Idss
ドレインソースチャネル抵抗:Rds =デルタVds /デルタID
金属酸化物電界効果トランジスタ(MOSFET):
金属酸化物電界効果トランジスタは、電圧制御電界効果トランジスタとしても知られています。ここで、金属酸化物ゲート電子は、ガラスと呼ばれる二酸化ケイ素の薄層によってnチャネルとpチャネルから電気的に絶縁されています。
ドレインとソース間の電流は、入力電圧に正比例します。
これは、ゲート、ドレイン、ソースの3端子デバイスです。チャネルの機能によるMOSFETには、pチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETの2種類があります。
金属酸化物電界効果トランジスタには、空乏型とエンハンスメント型の2種類があります。
空乏タイプ: Vgsが必要です。つまり、スイッチをオフにするにはゲート-ソース間電圧が必要で、空乏モードは通常閉じているスイッチと同じです。
Vgs = 0、Vgsが正の場合、電子は多く、Vgsが負の場合、電子は少なくなります。
エンハンスメントタイプ:Vgsが必要です。つまり、スイッチをオンにするにはゲートソース電圧が必要で、エンハンスメントモードは通常開いているスイッチと同じです。
ここで、追加の端子は接地に使用される基板です。
ゲートソース電圧(Vgs)がスレッショルド電圧(Vth)よりも大きい
トランジスタのバイアスのモード:
バイアスは、順方向バイアスと逆方向バイアスの2つの方法で実行できますが、バイアスに応じて、次の4つの異なるバイアス回路があります。
固定ベースバイアスと固定抵抗バイアス:
この図では、ベースとVccの間に接続されたベース抵抗Rbを示しています。ベースエミッタ接合は、電圧降下Rbにより順方向にバイアスされ、それを介してIbが流れます。ここで、Ibは以下から取得されます。
Ib =(Vcc-Vbe)/ Rb
これにより、安定係数(beta +1)が発生し、熱安定性が低下します。ここで、電圧と電流の表現、すなわち、
Vb = Vbe = Vcc-IbRb Vc = Vcc-IcRc = Vcc-Vce Ic =ベータIbIe = Ic
コレクターフィードバックバイアス:
この図では、トランジスタのコレクタとベース端子の間に接続されたベース抵抗Rbを示しています。したがって、ベース電圧Vbとコレクタ電圧Vcは、これにより互いに類似しています。
Vb = Vc-IbRbここで、Vb = Vcc-(Ib + Ic)Rc
これらの式により、IcはVcを減少させ、これによりIbが減少し、自動的にIcが減少します。
ここで、(ベータ+1)係数は1未満になり、Ibはアンプのゲインを低下させます。
したがって、電圧と電流は次のように与えることができます-
Vb = Vbe Ic =ベータIbIeはIbとほぼ同じです
デュアルフィードバックバイアス:
この図では、これはコレクタフィードバックベース回路の変更された形式です。それは安定性を高める追加の回路R1を持っているので。したがって、ベース抵抗の増加は、ベータの変動、つまりゲインにつながります。
さて、
I1 = 0.1 Ic Vc = Vcc-(Ic + I(Rb)Rc Vb = Vbe = I1R1 = Vc-(I1 + Ib)Rb Ic =ベータIbIeはIcとほぼ等しい
エミッタ抵抗による固定バイアス:
この図では、固定バイアス回路と同じですが、追加のエミッタ抵抗Reが接続されています。Icは温度によって増加し、Ieも増加し、Reの両端の電圧降下が再び増加します。これにより、Vcが減少し、Ibが減少して、iCが通常の値に戻ります。電圧利得は、Reの存在によって減少します。
さて、
Ve = Ie Re Vc = Vcc – Ic Rc Vb = Vbe + Ve Ic =ベータIbIeはIcとほぼ同じです
エミッタバイアス:
この図では、2つの電源電圧VccとVeeが等しいが極性が反対になっています。ここで、VeeはReによってベースエミッタ接合に順方向にバイアスされ、Vccはコレクタベース接合に逆バイアスされます。
さて、
Ve = -Vee + Ie Re Vc = Vcc- Ic Rc Vb = Vbe + Ve Ic = beta Ib IeはIbとほぼ同じです。ここで、Re >> Rb / beta Vee >> Vbe
これにより、安定した動作点が得られます。
エミッタフィードバックバイアス:
この図では、安定性を高めるために、フィードバックとしてコレクターとエミッターフィードバックの両方を使用しています。エミッタ電流Ieの流れにより、エミッタ抵抗Reの両端で電圧降下が発生するため、エミッタベース接合は順方向バイアスになります。ここでは、温度が上昇し、Icが上昇し、Ieも上昇します。これにより、Reで電圧降下が発生し、コレクタ電圧Vcが低下し、Ibも低下します。これにより、出力ゲインが低下します。式は次のように指定できます。
Irb = 0.1 Ic = Ib + I1 Ve = IeRe = 0.1Vcc Vc = Vcc-(Ic + Irb)Rc Vb = Vbe + Ve = I 1 R1 = Vc-(I 1 + Ib0Rb)Ic = beta IbIeはほぼ等しい私にc
分圧器バイアス:
この図では、抵抗R1とR2の分圧器形式を使用してトランジスタにバイアスをかけています。R2で形成される電圧は、ベース-エミッタ接合を順方向にバイアスするため、ベース電圧になります。ここで、I2 = 10Ibです。
これは分圧器電流を無視するために行われ、ベータ値に変化が生じます。
Ib = Vcc R2 / R1 + R2 Ve = Ie Re Vb = I2 R2 = Vbe + Ve
IcはベータとVbeの両方の変化に抵抗し、安定係数1になります。この場合、Icは温度の上昇によって増加し、Ieはエミッタ電圧Veの増加によって増加し、ベース電圧Vbeが低下します。これにより、ベース電流ibおよびicが実際の値に減少します。
トランジスタの応用
- ほとんどの部品のトランジスタは、電圧およびパワーアンプなどの電子アプリケーションで使用されます。
- 多くの回路でスイッチとして使用されます。
- AND、NOTなどのデジタル論理回路の作成に使用されます。
- トランジスタはすべてに挿入されます。つまり、コンピュータのストーブトップです。
- 何十億ものトランジスタが内部に統合されたチップとしてマイクロプロセッサで使用されます。
- 以前は、ラジオ、電話機器、ヒアリングヘッドなどに使用されていました。
- また、以前は大きなサイズの真空管で使用されていました。
- これらはマイクで使用され、音声信号を電気信号に変換します。