Transistori – puolijohdekomponentti, vahvistin ja digitaalinen kytkin

Transistori — puolijohde, joka vahvistaa signaaleja ja toimii digitaalisen kytkimenä; keskeinen, energiatehokas osa mikroprosessoreita ja elektroniikan toimintaa.

Transistori on elektroninen komponentti, jota voidaan käyttää osana vahvistinta tai kytkimenä. Se on valmistettu puolijohdemateriaalista ja toimii elektronisten signaalien ohjaamisen perusyksikkönä. Transistoreja löytyy lähes kaikista nykyaikaisista elektronisista laitteista, älypuhelimista tehovahvistimiin ja tietokoneiden suorittimiin. Transistori merkitsi suurta edistysaskelta perinteisiin triodiputkiin verrattuna: se kuluttaa vähemmän energiaa, on pienempi, kestävämpi ja mahdollisti integroitujen piirien kehityksen.

Periaate ja toimintatavat

Transistorit toimivat yleisesti kahdella eri periaatteella riippuen tyypistä:

• Bipolaarinen liitostransistori (BJT) — toimii virralla ohjattuna laitteena: pienellä base-virralla (kantavirta) voidaan hallita suurempaa emitteri–collector-virtaa. Tyypit: NPN ja PNP.
• Kenttävaikutustransistori (FET) — toimii jännitteellä ohjattuna laitteena: porttiin (gate) annettu jännite säätelee lähde–lähde–lanka–juoksutusta (source–drain) virtaa. Tavallisin FET-tyyppi digitaalisessa käytössä on MOSFET (metal–oxide–semiconductor FET), joka on hyvin virrankulutukseltaan tehokas.

Tärkeitä ominaisuuksia

Useita transistorin ominaisuuksia pidetään suunnittelussa ja sovelluksissa tärkeinä:

• Vahvistuskerroin (gain) — kuinka paljon pieni tulo signalisoidaan suuremmaksi ulostuloksi (erityisesti BJT:ssä)
• Kytkentänopeus ja taajuusvaste — määräävät soveltuvuuden esimerkiksi RF- tai digitaalisiin sovelluksiin
• Tehonkesto ja jännitenkesto — vaikuttavat siihen, voiko transistoria käyttää tehoelektroniikassa
• Lämpöominaisuudet — lämpöä syntyy, joten jäähdytys ja lämpökompensointi ovat usein tarpeen

Tyypilliset käyttökohteet

Transistoreja käytetään monissa elektronisissa toiminnoissa, muun muassa:

• Analogiset vahvistimet (audio, instrumentointi)
• Digitaaliset kytkimet ja logiikkapiirit — erityisesti mikroelektroniikassa ja prosessoreissa
• Tietokoneiden ja muiden laitteiden mikroprosessoreiden ja muistipiirien rakentaminen
• Tehoelektroniikka (peltopyörät, invertterit, moottoriohjaimet)
• Radiotaajuus- ja antennisovellukset (lähetin–vastaanotin)

Integrointi ja pakkaukset

Monet transistorit ovat osa integroitujen piirien, joissa miljoonat tai miljardit transistorit on valmistettu yhdelle sirulle. Digitaalisissa järjestelmissä MOSFETit ovat yleisimpiä. Jotkin transistorit toimitetaan myös erillisinä komponentteina, usein siksi, että ne on suunniteltu käsittelemään suuria tehoja tai helppoa korjausta varten. Tehopaketit ovat tyypillisesti suurempia ja ne voidaan jäähdyttää heat sink-ratkaisuilla; yleisiä koteloita ovat esimerkiksi TO-220 ja erilaiset SMD-paketit.

Historia ja kehitys

Ensimmäisen transistorin kehittivät Bell Labsissa vuonna 1947 John Bardeen, Walter Brattain ja William Shockley. Transistorin keksintö mahdollisti elektroniikan nopean miniaturisoitumisen ja luotettavuuden kasvun verrattuna suurikokoisiin triodiputkiin. Sittemmin transistoriteknologia on kehittynyt valtavasti: materiaalit, rakenteet ja valmistusprosessit (piikide -> litografia ja doping) ovat mahdollistaneet erittäin tiheät ja nopeammat sirut, mikä puolestaan on ajanut tietokoneiden suorituskyvyn ja integroitavuuden kehitystä (Moore’n lain mukainen trendi).

Käytännön suunnittelu- ja käyttöhuomiot

Transistoria käytettäessä on huomioitava muun muassa:

• Biasointi — oikea esikuormitus ja jännitetilat tarvitaan, jotta laite toimii halutulla alueella (esim. vahvistinluokka tai kytkintila)
• Lämpö ja jäähdytys — lämmöntuotto on mitoittava ja usein kompensoitava kuormituksen mukaan
• Suojaukset — ylijännite- ja ylivirtasuojat estävät vahingoittumisen
• Polariteetti ja liitännät — BJT:llä emitter/base/collector, FET:llä source/gate/drain; väärin kytkeminen voi rikkoa laitteen

Yhteenvetona: transistori on monipuolinen puolijohdekomponentti, joka toimii sekä vahvistimena että digitaalisen elektroniikan kytkimenä. Sen kehitys on ollut keskeinen tekijä nykyaikaisen elektroniikan ja tietotekniikan syntymisessä.

Miten ne toimivat

Transistoreissa on kolme liitäntää: portti, tyhjennys ja lähde (bipolaarisessa transistorissa johtimia voidaan kutsua emitteriksi, kollektoriksi ja emäkseksi). Kun lähde (tai emitteri) on kytketty pariston negatiiviseen napaan ja tyhjennys (tai kollektori) positiiviseen napaan, virtapiirissä ei virtaa sähköä (jos transistorin kanssa sarjassa on vain lamppu). Mutta kun kosketat porttia ja tyhjennystä yhteen, transistori päästää sähköä läpi. Tämä johtuu siitä, että kun portti on positiivisesti varautunut, positiiviset elektronit työntävät transistorin muita positiivisia elektroneja ja päästävät negatiiviset elektronit virtaamaan läpi. Transistori voi toimia myös silloin, kun portti on vain positiivisesti varautunut, jolloin sen ei tarvitse koskettaa tyhjennystä.

Visualisointi

Transistorin toimintaa on helppo ajatella letkuna, jossa on jyrkkä mutka, joka estää vettä kulkemasta läpi. Vesi on elektroneja, ja kun portti ladataan positiivisesti, letku taipuu ja vesi pääsee virtaamaan.

Darlington-transistorin peruspiiri muodostuu kahdesta bipolaaritransistorista, jotka on kytketty emitteri ja pohja yhteen, jolloin ne toimivat yhtenä transistorina. Toinen transistoreista on kytketty siten, että se ohjaa toisen transistorin pohjaan tulevaa virtaa. Tämä tarkoittaa, että voit hallita samaa virran määrää hyvin pienellä virran määrällä, joka menee pohjaan.

Kun keskitapin virta on kytketty, virta voi kulkea.


Darlington-transistorin piirisymboli. B tarkoittaa pohjaa, C tarkoittaa kollektoria ja E tarkoittaa emitteriä.

Hae kirjaimella