Основни компоненти в интегралните схеми: транзистори

Значението на транзисторите
Основни компоненти:
Това е основната градивна единица в интегралните схеми и се използва широко в различни логически портове, схеми за управление на мощността, вериги за усилване и т.н. Производителността и функционалността на интегралните схеми до голяма степен зависят от работата на транзисторите.

Миниатюризация и висока интеграция:
С напредването на полупроводниковата технология размерът на транзисторите продължава да намалява, което води до значително увеличение на нивото на интеграция на интегралните схеми. Съвременните интегрални схеми могат да съдържат милиарди транзистори, позволявайки сложна функционалност и висока производителност.

Консумация на енергия и ефективност:
Характеристиката на ниска консумация на енергия позволява на интегралните схеми да постигнат баланс между консумация на енергия и производителност. Особено в мобилните устройства и IoT устройствата, приложението на транзистори с ниска мощност значително удължава живота на батерията и подобрява енергийната ефективност на устройството.

Видове транзистори
Биполярен транзистор (BJT):
Биполярен транзистор е устройство, което използва както малцинствени, така и мажоритарни носители, за да участва в проводимостта. Той има добра линейност и високи характеристики на усилване и обикновено се използва в аналогови схеми.

Металооксиден полупроводников полеви транзистор (MOSFET):
MOSFET е най-широко използваният тип транзистор, особено в цифровите схеми. Според различните видове проводимост MOSFET се разделят на NMOS и PMOS. CMOS технологията използва допълващите се характеристики на NMOS и PMOS и се използва широко в модерния дизайн на IC.

Биполярен транзистор с изолиран порт (IGBT):
IGBT съчетава входните характеристики на MOSFET и изходните характеристики на BJT, с висок входен импеданс и нисък спад на проводимото напрежение и се използва широко в областта на силовата електроника.

Съединителен полеви транзистор (JFET):
JFET е транзистор, който използва ефекти на електрическо поле за управление на тока, с висок входен импеданс и ниски шумови характеристики, често използвани в усилвателни вериги.

Принципът на работа на транзисторите
Принципът на работа на BJT:
Състои се от емитер, база и колектор. Чрез инжектиране на малко количество ток в основата, големият токов поток между емитера и колектора може да се контролира, за да се постигне усилване на тока.

Принципът на работа на MOSFET:
Състои се от източник, дренаж и гейт. Чрез прилагане на напрежение към портата може да се контролира текущият поток между източника и изтичането. NMOS и PMOS съответно използват електрони и дупки като основни носители за постигане на проводимост и изключване.

Принципът на работа на IGBT:
Чрез комбиниране на управлението на портата на MOSFET и характеристиките на усилване на тока на BJT, текущият поток между колектора и емитера се контролира чрез прилагане на напрежение към портата, което го прави подходящ за приложения с висока мощност.

Приложението на транзисторите в интегралните схеми
логическа верига:
Чрез комбиниране на различни видове логически портове могат да се постигнат сложни логически операции и функции за обработка на данни.

Верига за усилване:
Използван за усилване на амплитудата на сигналите, той се използва широко в области като аудио усилватели и радиочестотни усилватели.

Управление на енергията:
Във веригите за управление на захранването транзисторите се използват за регулиране на напрежението, намаляване на напрежението и усилващо преобразуване, за да се гарантира, че всеки компонент във веригата получава стабилно захранващо напрежение.

Памет:
Транзисторите се използват за съхраняване и четене на данни в динамична памет с произволен достъп (DRAM) и статична памет с произволен достъп (SRAM) и са основните компоненти на компютърните системи за съхранение.

RF верига:
В устройствата за безжична комуникация транзисторите се използват за усилване и модулиране на RF сигнали, за да се гарантира качеството на предаване и приемане на сигнала.

Тенденцията на развитие на транзисторната технология
Миниатюризация и нанотехнологии:
С напредъка на закона на Мур, размерът на транзисторите продължава да намалява и вече е навлязъл в нанометровото ниво. В бъдеще технологията за миниатюризация ще продължи да се развива, насърчавайки подобряването на производителността на интегралните схеми и намаляването на консумацията на енергия.

Приложение на нови материали:
Традиционните силициеви материали постепенно се заменят с нови материали с превъзходна производителност, като въглеродни нанотръби, графен и галиев нитрид (GaN). Тези нови материали имат по-висока мобилност на електроните и по-добра топлопроводимост, което допълнително ще подобри производителността на транзисторите.

3D интеграционна технология:
Чрез вертикално подреждане на множество транзисторни слоеве интеграцията и производителността са подобрени. Тази технология значително ще подобри функционалната плътност и възможностите за обработка на данни на интегралните схеми.

Дизайн с ниска мощност:
С популярността на Интернет на нещата и мобилните устройства дизайнът на транзистори с ниска мощност се превърна във важна посока на развитие. Чрез оптимизиране на дизайна на веригата и технологията на процеса, консумацията на енергия на транзисторите може да бъде допълнително намалена, за да се постигне по-голяма издръжливост на устройството.

Квантово изчисление:
Научноизследователската и развойна дейност представи нови предизвикателства и възможности за транзисторната технология. Разработването на нови устройства като транзистори с квантови точки ще осигури критична подкрепа за постигане на квантово изчисление.

https://www.trrsemicon.com/transistor/small-signal-transistor/esd3z12v.html