ทรานซิสเตอร์

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
ทรานซิสเตอร์หลายๆแบบ

ทรานซิสเตอร์ (อังกฤษ: transistor) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่สามารถควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนได้ ใช้ทำหน้าที่ ขยายสัญญาณไฟฟ้า, เปิด/ปิดสัญญาณไฟฟ้า, ควบคุมแรงดันไฟฟ้าให้คงที่, หรือกล้ำสัญญาณไฟฟ้า (อังกฤษ: modulate) เป็นต้น การทำงานของทรานซิสเตอร์เปรียบได้กับวาล์วควบคุมที่ทำงานด้วยสัญญาณไฟฟ้าที่ขาเข้า เพื่อปรับขนาดกระแสไฟฟ้าขาออกที่จ่ายมาจากแหล่งจ่ายไฟ

ทรานซิสเตอร์ประกอบด้วยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีอย่างน้อยสามขั้วไฟฟ้าเพื่อเชื่อมต่อกับวงจร ภายนอก แรงดันหรือกระแสไฟฟ้าที่ป้อนให้กับขั้วทรานซิสเตอร์หนึ่งคู่ จะมีผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในกระแสที่ไหลผ่านในขั้วทรานซิสเตอร์อีกคู่หนึ่ง เนื่องจากพลังงานที่ถูกควบคุม (เอาต์พุต)จะสูงกว่าพลังงานที่ใช้ในการควบคุม (อินพุท) ทรานซิสเตอร์จึงสามารถขยายสัญญาณได้ ปัจจุบัน บางทรานซิสเตอร์ถูกประกอบขึ้นมาต่างหากแต่ยังมีอีกมากที่พบฝังอยู่ใน แผงวงจรรวม

ทรานซิสเตอร์เป็นการสร้างบล็อกพื้นฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย ​​และเป็นที่แพร่หลายในระบบอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่. หลังจากถูกพัฒนาขึ้นในช่วงต้นทศวรรษที่ 1950, transistor ได้ปฏิวัติสาขาอิเล็กทรอนิกส์และปูทางสำหรับวิทยุ, เครื่องคิดเลข และคอมพิวเตอร์ ให้มีขนาดเล็กลงและราคาที่ถูกกว่า


ประวัติ[แก้]

แบบจำลองของทรานซิสเตอร์ที่ทำงานเป็นครั้งแรก.

หลอดสูญญากาศแบบ triode thermionic ที่ถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี ค.ศ. 1907 ขับเคลื่อนยุคของอิเล็กทรอนิกส์ไปข้างหน้าด้วยการเปิดใช้งานเทคโนโลยีวิทยุและขยายระบบโทรศัพท์ทางไกล. อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ดังกล่าวเปราะบางและบริโภคพลังงานมาก นักฟิสิกส์ชื่อ Julius Edgar Lilienfeld ได้ยื่นสิทธิบัตรสำหรับทรานซิสเตอร์แบบ Field Effected หรือ FET ในประเทศแคนาดาใน ปี ค.ศ. 1925 ซึ่งมีจุดมุ่งหมายที่จะเปลี่ยนหลอดสูญญากาศให้เป็นวัสดุ solid state.[1][2] Lilienfeld ยังได้ยื่นสิทธิบัตรที่เหมือนกันในประเทศสหรัฐอเมริกาในปี 1926 และ 1928. แต่ Lilienfeld ไม่ได้ตีพิมพ์บทความวิจัยใดๆเกี่ยวกับอุปกรณ์ของเขา และในสิทธิบัตรของเขาก็ไม่ได้ยกตัวอย่างที่เฉพาะเจาะจงใดๆของต้นแบบการทำงาน. เป็นเพราะการผลิตวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีคุณภาพสูงยังคงเป็นทศวรรษข้างหน้า, ความคิดเรื่องเครื่องขยายเสียงที่ใช้ solid state ของ Lilienfeld ก็จะไม่ได้มีการใช้งานจริงในช่วงทศวรรษที่ 1920 และ 1930 ถึงแม้ว่าอุปกรณ์ดังกล่าวจะถูกสร้างขึ้นจริง. ในปี ค.ศ. 1934 นักประดิษฐ์ชาวเยอรมัน Oskar Heil ได้จดสิทธิบัตรอุปกรณ์ที่คล้ายกันนี้

John Bardeen, William Shockley และ Walter Brattain ที่ Bell Labs, ค.ศ. 1948.

จาก 17 พฤศจิกายน 1947 ถึง 23 ธันวาคม 1947 จอห์น Bardeen และวอลเตอร์ Brattain ที่ เบลล์แล็บของ AT & T ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ทำการทดลองและสังเกตเห็นว่า เมื่อจุดสัมผ้สทองสองจุดถูกนำไปเชื่อมต่อกับผลึกของเจอร์เมเนียม สัญญาณที่ถูกผลิตออกมามีมากกว่าสัญญาณที่ป้อนเข้าไป. วิลเลียม Shockley หัวหน้ากลุ่มฟิสิกส์ solid state เห็นศักยภาพในเรื่องนี้และตลอดเวลาหลายเดือนต่อมาได้ทำงานเพื่อช่วยขยายความรู้ของเซมิคอนดักเตอร์. คำว่าทรานซิสเตอร์ตามคำประกาศเกียรติคุณโดย จอห์น อาร์ เพียร์ซ เป็นคำย่อของคำว่า "transfer resistor"[3][4]. อ้างอิงจาก ลิเลียน Hoddeson และ วิคกี้ Daitch ผู้เขียนชีวประวัติของจอห์น Bardeen, Shockley ได้เสนอว่า สิทธิบัตรแรกของเบลล์แล็บสำหรับทรานซิสเตอร์ควรอยู่บนพื้นฐานของ field-effected และบอกว่าเขาควรจะถูกตั้งชื่อว่าเป็นผู้ประดิษฐ์ ทนายความที่ Bell Labs แนะนำที่ค้านกับข้อเสนอของ Shockley เพราะความคิดของทรานซิสเตอร์ที่ใช้ field effect เป็น "grid"ไม่ใช่ของใหม่ แต่สิ่งที่ Bardeen , Brattain และ Shockley คิดค้นในปี 1947 เป็นทรานซิสเตอร์แบบ point-contacted เป็นครั้งแรก. ในการรับรู้ของความสำเร็จนี้ Shockley , Bardeen และ Brattain จึงได้รับรางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1956 ร่วมกัน "สำหรับงานวิจัยของพวกเขาเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์ และการค้นพบของผลกระทบทรานซิสเตอร์ ของพวกเขา"[5]

ทรานซิสเตอร์แบบ surface barrier ของ Philco ถูกพัฒนาและผลิตในปี 1953

ทรานซิสเตอร์ความถี่สูงตัวแรกคือทรานซิสเตอร์แบบเจอร์เมเนียม surface-barrier พัฒนาโดย Philco ในปี 1953 มีความสามารถในการทำงานได้ถึง 60 MHz[6]. ถูกสร้างขึ้นมาโดยการยุบตัวด้วยการสลักที่ฐานของ N-type เจอร์เมเนียมทั้งสองด้านด้วยการฉีดแรงๆด้วยอินเดียม (III) ซัลเฟตให้มีความหนาไม่กี่ 10 ส่วน 1000 ของนิ้ว อินเดียมที่ถูกเคลือบด้วยไฟฟ้าจนเป็นรอยยุบตัวกลายเป็น collector และ emitter[7][8]. วิทยุติดรถยนต์เครื่องแรกที่เป็นทรานซิสเตอร์ทั้งหมดซึ่งถูกผลิตในปี ค.ศ. 1955 โดยไครสเลอร์และ Philco ใช้ทรานซิสเตอร์เหล่านี้ในวงจรวิทยุเครื่องนั้น และทรานซิสเตอร์เหล่านี้เป็นพวกแรกที่เหมาะสำหรับคอมพิวเตอร์ความเร็วสูง.

ทรานซิสเตอร์ซิลิคอนที่ใช้งานได้เป็นตัวแรกได้รับการพัฒนาที่ Bell Labs เมื่อ 26 มกราคม 1954 โดย มอร์ริส Tanenbaum[9]. ทรานซิสเตอร์ซิลิคอนเชิงพาณิชย์ตัวแรกถูกผลิตโดย Texas Instruments ในปี 1954[10] ซึ่งเป็นผลงานของ กอร์ดอน Teal ผู้เชี่ยวชาญในการปลูกผลึกความบริสุทธิ์สูง ที่เคยทำงานที่ Bell Labs. ทรานซิสเตอร์ MOS ที่สร้างขึ้นจริงตัวแรกถุกสร้างโดย Kahng และ Atalla ที่ Bell Labs ในปี 1960[11].

ความสำคัญ[แก้]

ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันถูกเปิดออกให้เห็นชิปของทรานซิสเตอร์จริง (สี่เหลี่ยมเล็ก)ที่อยู่ภายใน ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันมีทรานซิสเตอร์สองตัวบนชิปเดียวกัน ทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งมีขนาดใหญ่กว่าอีกตัวหนึ่ง แต่ทั้งสองตัวมีขนาดใหญ่กว่าทรานซิสเตอร์ในการรวมวงจรขนาดใหญ่มาก เพราะ ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันถูกสร้างมาเป็นเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์โดยเฉพาะ

ทรานซิสเตอร์เป็นส่วนประกอบแบบแอคทีฟที่สำคัญในการใช้งานจริงของงานอิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย หลายคนคิดว่ามันจะเป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของศตวรรษที่ 20. ความสำคัญในสังคมปัจจุบันอยู่บนความสามารถที่จะถูกผลิตออกมาเป็นจำนวนมากๆโดยใช้กระบวนการอัตโนมัติอย่างสูง (ในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์) ทำให้ค่าใช้จ่ายต่อหน่วย ทรานซิสเตอร์ที่ต่ำอย่างน่าอัศจรรย์. การประดิษฐ์ของทรานซิสเตอร์ตัวแรกที่เบลล์แล็บ ถือว่า เป็น IEEE Milestone ในปี 2009.

แม้ว่าหลายๆบริษัทจะผลิตทรานซิสเตอร์ตัวเดี่ยวๆกว่าพันล้านตัวทุกปี ส่วนใหญ่ของ ทรานซิสเตอร์ในปัจจุบันถูกผลิตในรูปแผงวงจรรวม (มักจะเรียกสั้นๆว่า IC, ไมโครชิป หรือแค่ ชิป) พร้อมกับไดโอด ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ เพื่อผลิตเป็น วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่สมบูรณ์แบบ. ลอจิกเกตตัวหนึ่งอาจประกอบด้วยทรานซิสเตอร์มากถึง ประมาณยี่สิบตัว ในขณะที่ไมโครโปรเซสเซอร์ที่ทันสมัยในปี 2009 อาจใช้ ทรานซิสเตอร์(MOSFETs) มากถึง 3 พันล้านตัว.

ทรานซิสเตอร์ที่มีต้นทุนต่ำ, มีความยืดหยุ่น และมีความน่าเชื่อถือ ได้ทำให้มันเป็นอุปกรณ์ที่ แพร่หลาย วงจรเครื่องกลทรอนิกส์ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ได้เข้ามาแทนที่อุปกรณ์เครื่องกลไฟฟ้า ในการควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านและเครื่องจักรกล มันง่ายกว่าและถูกกว่าในการใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์มาตรฐาน และเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์ในการควบคุมฟังก์ชัน มากกว่าการที่จะออกแบบฟังก์ชันการควบคุมด้วยกลไกในฟังชั่นที่เทียบเท่ากัน

การทำงานอย่างง่าย[แก้]

ไดอะแกรมของวงจรอย่างง่ายที่แสดงทรานซิสเตอร์สองขั้ว(ขั้ว n และขั้ว p) แบบ n-p-n.

ประโยชน์ที่สำคัญของทรานซิสเตอร์มาจากความสามารถในการใช้สัญญาณขนาดเล็กที่ป้อนให้ ระหว่างขั้วไฟฟ้าคู่หนึ่ง เพื่อควบคุมสัญญาณที่มีขนาดใหญ่กว่ามากที่อีกคู่หนึ่งของขั้วไฟฟ้า คุณสมบัติแบบนี้เรียกว่า gain (สามารถคำนวณได้จากนำสัญญาณเอาต์พุต หารด้วยอินพุท ถ้าได้ผลลัพธ์มากกว่า 1 แสดงว่าวงจรนั้นเป็นวงจรขยาย) ทรานซิสเตอร์สามารถควบคุมสัญญาณเอาต์พุตให้เป็นสัดส่วนกับสัญญาณอินพุท นั่นคือมันสามารถทำหน้าที่เป็น amplifier หรืออีกแบบหนึ่ง ทรานซิสเตอร์สามารถใช้ในการเปิดหรือปิดกระแสในวงจร(สวิตช์)ควบคุมระบบไฟฟ้าที่ปริมาณ ของกระแสไฟฟ้าจะถูกกำหนดโดยองค์ประกอบวงจรอื่น ๆ

ทรานซิสเตอร์มีสองประเภท ซึ่งมีความแตกต่างกันเล็กน้อยในวิธีการที่ พวกมันจะถูกใช้ในวงจร แบบแรกเป็น ทรานซิสเตอร์สอง pole ที่มีขา Base, Collector และ Emitter กระแสขนาดเล็ก ที่ ขา base (ที่ไหลระหว่าง base กับ emitter) สามารถควบคุม หรือ สวิตช์ กระแสที่มีขนาดใหญ่มากที่ไหลระหว่าง collector กับ emitter. สำหรับทรานซิสเตอร์ field-effect ขาจะมีป้ายกำกับเป็น Gate, Source และ Drain แรงดันไฟฟ้าที่ gate สามารถควบคุมกระแส ระหว่าง source และ drain

ภาพทางขวาแทนทรานซิสเตอร์สอง pole โดยทั่วไปในวงจร. ประจุไฟฟ้าจะไหลระหว่าง emitter กับ collector ขึ้นอยู่กับ กระแสใน base. เนื่องจากการเชื่อมต่อระหว่าง base และ emitter ภายใน ทำตัวเหมือนไดโอด, แรงดันไฟฟ้าจะตกคร่อมระหว่าง base และ emitter เมื่อมีกระแส base ไหลผ่าน ปริมาณของแรงดันนี้จะขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ทำทรานซิสเตอร์นั้น และจะมีค่าที่เรียกว่า Vbe

ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์[แก้]

BJT ใช้เป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ในรูปแบบ emitter ลงกราวนด์.

ทรานซิสเตอร์ถูกใช้กันทั่วไปให้ทำหน้าที่เป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์, ทั้งสำหรับการใช้งาน พลังงานสูง เช่น switched-mode power supplies และ สำหรับการใช้งานพลังงานต่ำ เช่น ลอจิกเกต

ในวงจรทรานซิสเตอร์แบบ emitter ลงกราวด์ ตามรูป เป็นวงจรสวิตช์ไฟแสงสว่างที่ในสถานะปกติจะ OFF หลอดไฟก็จะปิด เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ base สูงขึ้น, กระแส emitter และ collector (Ice) เพิ่มขึ้นแบบ exponential จนอิ่มตัว (อังกฤษ: saturate) แรงดันที่ collector จะลดลงเข้าใกล้ emitter (หรือใกล้ศูนย์) กระแส Ice จะไหลผ่านโหลดเต็มที่ ซึ่งในวงจรนี้คือหลอดไฟ ทำให้หลอดไฟ"เปิด" เราจึงเรียกสถานะของสวิตช์ในขณะนี้ว่า ON

การให้กระแสที่ base (Ibe) อย่างเพียงพอเป็นปัญหาที่สำคัญในการใช้ทรานซิสเตอร์ให้ทำงานเป็นสวิตช์. ทรานซิสเตอร์ให้ gain เป็นกระแส จึงได้กระแสค่อนข้างมากที่ collector ที่จะถูกสลับ โดยกระแสที่มีขนาดเล็กใน base อัตราส่วนของกระแสเหล่านี้แตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับชนิด ของทรานซิสเตอร์และแม้กระทั่งทรานซิสเตอร์ประเภทเดียวกันก็แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับกระแสใน collector ในตัวอย่างวงจรสวิทช์ไฟฟ้าแสงสว่างที่แสดง จะมีตัวต้านทานที่ต้องเลือก(สมมติว่าเป็น 1K)ให้มีขนาดที่ให้กระแสที่ base มีเพียงพอ เพื่อให้แน่ใจว่าทรานซิสเตอร์จะทำงานอิ่มตัว

ในวงจรสวิตช์ใดๆ ค่าของแรงดันไฟฟ้า อินพุต จะถูกจ่ายให้มีขนาดที่จะทำให้ได้ เอาต์พุต เป็น OFF หรือ ON โดยสมบูรณ์ ทรานซิสเตอร์จึงจะทำหน้าที่เป็นสวิตช์ที่ดีและการทำงานแบบนี้ เป็นเรื่องธรรมดาใน วงจรดิจิตอลที่ต้องการเพียง "OFF" และ "ON" เท่านั้น

ทรานซิสเตอร์เป็นตัวขยายสัญญาณ[แก้]

วงจรขยายแบบ common-emitter ที่ใช้วงจรไบอัส แบบตัวแบ่งแรงดัน R1/R2

เครื่องขยายแบบอีมิตเตอร์ร่วม (อังกฤษ: common-emitter) ได้รับการออกแบบเพื่อที่ว่า การเปลี่ยนแปลงเล็กๆ ใน แรงดันไฟฟ้า (Vin) ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเล็กๆในกระแส base ของ ทรานซิสเตอร์; การขยายกระแสของทรานซิสเตอร์รวมกับคุณสมบัติของวงจรทำให้การเปลี่ยนแปลงขนาดเล็กของ Vin ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่ของ Vout

วงจรขยายด้วยทรานซิสเตอร์ตัวเดียวมีรูปแบบหลายอย่าง มีทั้งแบบขยายกระแส หรือแบบขยาย แรงดันไฟฟ้า หรือทั้งสองแบบ

ตั้งแต่โทรศัพท์มือถือไปยังโทรทัศน์ ผลิตภัณฑ์จำนวนมากรวมทั้งเครื่องขยายเสียง เครื่องส่งวิทยุและเครื่องประมวลสัญญาณ เครื่องขยายสัญญาณเสียงด้วยทรานซิสเตอร์เครื่องแรกให้กำลังไม่กี่ร้อยมิลลิวัตต์ แต่กำลังและความชัดเจนของเสียงค่อยๆเพิ่มขึ้น เมื่อทรานซิสเตอร์ที่ดีกว่าถูกผลิตขึ้น และสถาปัตยกรรมเครื่องขยายได้รับการพัฒนาขึ้น

เครื่องขยายเสียงทรานซิสเตอร์ที่ทันสมัยที่มีกำลังเป็นร้อยวัตต์ขึ้นไป เป็นเรื่องธรรมดาและราคาก็ไม่แพงนัก อิอิ

เปรียบเทียบกับหลอดสูญญากาศ[แก้]

ก่อนที่จะมีการพัฒนาของทรานซิสเตอร์ หลอดสูญญากาศ (หลอดอิเล็กตรอน, ในสหราชอาณาจักร เรียกว่า "thermionic วาล์ว" หรือแค่ "วาล์ว") เป็นส่วนประกอบหลักในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์

ข้อดี[แก้]

ข้อได้เปรียบสำคัญที่ทำให้ทรานซิสเตอร์ได้รับการยอมรับให้มาแทนที่หลอดสุญญากาศรุ่นก่อน ในการใช้งานส่วนใหญ่คือ

  • ไม่มีการบริโภคพลังงานโดยตัวทำความร้อนให้แคโทด
  • มีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา ที่ช่วยให้เกิดการพัฒนาของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดจิ๋ว
  • แรงดันไฟฟ้าในการทำงานต่ำ ด้วยแบตเตอรี่เพียงไม่กี่เซลล์
  • ไม่มีช่วงเวลา warm-up สำหรับตัวทำความร้อนให้แคโทดหลังจากเปิดสวิตช์ใช้งาน
  • พลังงานความร้อนต่ำ และ ประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยทั่วไปสูงขึ้น
  • ความน่าเชื่อถือสูงขึ้นและความทนทานทางกายภาพมากขึ้น
  • อายุการใช้งานยาวนานมาก บางอุปกรณ์ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ถูกใช้งานได้นานกว่า 50 ปี
  • อุปกรณ์เสริมมีมากมาย ที่จะอำนวยความสะดวกในการออกแบบวงจรที่สมบูรณ์ ขณะที่บางสิ่งบางอย่างหลอดสูญญากาศทำไม่ได้
  • ไม่ไวต่อการกระแทกและการสั่นสะเทือน จึงหลีกเลี่ยงปัญหาของการเสียงแตกของลำโพง ในการใช้งานเสียง
  • หลอดสูญญากาศสร้างการบิดเบือนเสียง ที่เรียกว่า เสียงหลอด (แต่บางคนพบว่าหูสามารถอดทนได้) แต่ทรานซิสเตอร์ไม่ทำ (อาจเพราะเป็น solid-state)

ข้อจำกัด[แก้]

  • ทรานซิสเตอร์แบบซิลิคอนสามารถชราภาพและล้มเหลว (ทำงานพลาดจากการใช้งานมานาน) ได้
  • การดำเนินงานที่ใช้กำลังสูง, หรือที่ความถี่สูง เช่น ใช้ในการออกอากาศโทรทัศน์แบบ over-the-air จะเป็นผลสำเร็จมากขึ้นถ้าใช้หลอดสุญญากาศ เนื่องจากอิเล็กตรอนในสูญญากาศเคลื่อนไหวได้ดีกว่าในสารกึ่งตัวนำ
  • อุปกรณ์ solid-state (ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนใหวได้) มีความเสี่ยงจากไฟฟ้าสถิตในการจัดการและการดำเนินงาน
  • หลอดสูญญากาศที่ overload (ทำงานเกิน) ช่วงสั้นๆ ก็จะรัอนขึ้นเพียงเล็กน้อย; แต่อุปกรณ์ solid state มีมวลดูดซับความร้อนที่เกิดจากการ overload ที่น้อย ในสัดส่วนที่เทียบกับ rating (อัตรา, ในที่นี้:อัตราการให้ความร้อน) ของมัน
  • ไวต่อการแผ่รังสี และ รังสีคอสมิก (มีชิปพิเศษที่ต้านการแผ่รังสีถูกนำมาใช้สำหรับอุปกรณ์ยานอวกาศ)

ประเภท[แก้]

ทรานซิสเตอร์ถูกแยกประเภทโดย

  • วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ (วันที่ใช้ครั้งแรก) :โลหะเจอร์เมเนียม (1947) และ ซิลิกอน (1954 ) - ใน polycrystalline, amorphous และรูปแบบการ monocrystalline ;สารประกอบแกลเลียม arsenide (1966) และ ซิลิกอนคาร์ไบด์ (1997), โลหะผสมซิลิคอนเจอร์เมเนียม (1989), อัญรูปของแกรฟีนคาร์บอน (การวิจัยอย่างต่อเนื่องตั้งแต่ปี 2004 ) ฯลฯ
  • โครงสร้าง BJT, JFET, IGFET (MOSFET), IGBT, "ประเภทอื่น ๆ"
  • ขั้วไฟฟ้า (บวกและลบ) : n-p-n, p-n-p (BJTs); n-channel, p-channel (FETs)
  • ระดับพลังงานสูงสุด: ต่ำ กลาง สูง
  • คลื่นความถี่สูงสุด: ต่ำ กลาง สูง, ความถี่วิทยุ (RF), ไมโครเวฟ (ความถี่มีประสิทธิภาพสูงสุดของทรานซิสเตอร์ถูกแทนด้วย fT ซึ่งเป็นต้วย่อสำหรับ transition frequency ที่หมายถึง ความถี่ที่ทรานซิสเตอร์ให้ gain = 1)
  • การใช้งาน: สวิตช์, general purpose, เสียง, ไฟฟ้าแรงสูง, super-เบต้า, matched pair
  • บรรจุภัณฑ์ทางกายภาพ : through-hole metal, through-hole plastic, surface mount, ball grid array, power modules
  • ปัจจัยการขยาย Hfe , βf (เบต้าทรานซิสเตอร์) หรือ gm (transconductance ตามสูตร)

g_m = {\Delta I_\mathrm{out} \over \Delta V_\mathrm{in}}

ดังนั้นทรานซิสเตอร์บางตัวอาจถูกสร้างให้ทำหน้าที่สวิตช์ที่เป็น ซิลิคอน, surface-mount, BJT, n-p-n, พลังงานต่ำ, ความถี่สูง

Bipolar Junction Transistor (BJT)[แก้]

BJT PNP
BJT NPN

ทรานซิสเตอร์ที่ถูกตั้งชื่ออย่างนี้ก็เพราะว่ามันเปิดให้กระแสไหลผ่านโดยใช้ 2 pole คือ p-type และ n-type. bipolar junction transistor เป็นทรานซิสเตอร์ชนิดแรกที่ถูกผลิตแบบ mass production และผลิตขึ้นโดยการรวม junction ไดโอดสองตัว โดยอาจเป็นชั้นบางๆของสารกึ่งตัวนำชนิด p สองชั้น คั่นกลางด้วย เซมิคอนดักเตอร์ชนิด n (ทรานซิสเตอร์ p-n-p) หรือชั้นบางๆของสารกึ่งตัวนำชนิด n สองชั้น คั่นกลางด้วย เซมิคอนดักเตอร์ชนิด p (ทรานซิสเตอร์ n-p-n) การสร้างแบบนี้ทำให้เกิดสอง p-n junction ได้แก่ junction Base-Emitter และ junction Base-Collector แยกจากกันด้วยพื้นที่บางๆของสารกึ่งตัวนำ ที่รู้จักกันว่าเป็นพื้นที่ Base (junctionไดโอดสองตัวต่อสายถึงกันโดยไม่ใช้พื้นที่แทรกแซงกึ่งตัวนำร่วมกันก็จะไม่ทำให้เป็นทรานซิสเตอร์ได้)

BJTs มีสามขาซึ่งตรงกับสามชั้นของสารกึ่งตัวนำ คือ emitter, base และ collector ซึ่งมีประโยชน์ในการขยายสัญญาณ เพราะกระแสระหว่าง base และ emitter สามารถควบคุมกระแสระหว่าง collector และ emiiter ที่ใหญ่กว่าได้. ทรานซิสเตอร์ n-p-n ใน active region junction emitter-base ถูก forward biased (อิเล็กตรอนและ hole มารวมตัวกันใหม่ที่ junction) และ อิเล็กตรอนจะถูกฉีดเข้าไปใน base region เนื่องจาก base แคบ อิเล็กตรอนส่วนใหญ่จะกระจายออกจนทำให้ junction base-collector กลายเป็น reverse-biased (อิเล็กตรอนและ hole จะถูกรวมตัวกันที่ junction และ ย้ายออกจาก junction นั้น) และอิเล็กตรอนเหล่านั้นจะถูกกวาดเข้าไปใน collector; บางทีหนึ่งในร้อยของอิเล็กตรอนจะรวมตัวกันใหม่ใน base ซึ่งเป็นกลไกที่โดดเด่นในกระแส base. โดยการควบคุมจำนวนของอิเล็กตรอน ที่สามารถออกจาก base จำนวนอิเล็กตรอนที่เข้าไปที่ collector สามารถถูกควบคุมได้. กระแส collector มีค่าประมาณ β (common-emitter current gain) เท่าของกระแส base. ปรกติมีค่า มากกว่า 100 สำหรับทรานซิสเตอร์สัญญาณขนาดเล็ก แต่จะค่าน้อยกว่าในทรานซิสเตอร์ที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งานพลังงานสูง

ซึ่งแตกต่างจากทรานซิสเตอร์ field-effect (ดูด้านล่าง), BJTเป็นอุปกรณ์ที่มีค่าอินพุตอิมพีแดนซ์ต่ำ. เมื่อแรงดัน base-emitter (Vbe) เพิ่มขึ้น, กระแส base-emitter ก็เพิ่มขึ้นด้วย และด้วยเหตุนี้ กระแส collector-emitter (Ice ก็เพิ่มขึ้นแบบ exponential เป็นไปตามแบบไดโอดของ Shockley และรูปแบบของ Ebers-Moll. เพราะความสัมพันธ์แบบ exponential นี้ BJT จึงมี transconductance สูงกว่า FET

Bipolar transistor สามารถถูกทำให้มีกระแสไหลได้โดยการเปิดหน้ากับแสง เพราะการดูดซึมของโฟตอนใน base region ทำให้เกิด photocurrent ที่ทำหน้าที่เป็นกระแส base; กระแส collector จะมีขนาด β เท่าของ photocurrent. อุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อวัตถุประสงค์นี้ มีช่องหน้าต่างที่โปร่งใสในแพคเกจและจะเรียกว่า phototransistors

ทรานซิสเตอร์แบบ field-effect (FET)[แก้]

JFET P-channel
JFET N-channel
IGFET P-Ch Enhance Mode
IGFET P-Ch Enhance Mode simplified
IGFET P-Ch Depletion Mode
IGFET N-Ch Enhance Mode
IGFET N-Ch Enhance Mode simplified
IGFET N-Ch Depletion Mode

ทรานซิสเตอร์ field-effect บางครั้งเรียกว่าทรานซิสเตอร์ unipolar ใช้อิเล็กตรอน (ใน n-channel FET ) หรือ hole (ใน p-channel FET) สำหรับการนำกระแส FET มี 4 ขั้ว ได้แก่ source, gate, drain, และ body (สารตั้งต้น) ใน FETs ส่วนใหญ่ body จะเชื่อมต่อกับ source ภายในแพคเกจ ส่วนนี้จะได้รับการสันนิษฐานดังต่อไปนี้

ใน FET, กระแส drain-to-source ไหลผ่านทาง channel ที่กำลังปล่อยกระแสและเป็น channel ที่เชื่อมต่อ source region กับ drain region การนำกระแสจะแปรตามสนามไฟฟ้าที่ถูกสร้างขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกจ่ายให้ระหว่างขา gate และ source; ด้วยเหตุนี้กระแสไฟฟ้าที่ไหลระหว่าง drain และ source จะถูกควบคุมโดยแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ระหว่าง gate และ source

เมื่อแรงดันไฟฟ้า gate-source (Vgs)เพิ่มขึ้น กระแส drain–source (Ids) จะเพิ่มขึ้นแบบ exponential สำหรับ Vgs ที่ต่ำกว่าเกณฑ์ และแล้วในอัตรากำลังสองประมาณ (I_{ds} \propto (V_{gs}-V_T)^2) ^ 2) (เมื่อ VT เป็นเกณฑ์แรงดันที่กระแส drain เริ่มไหล) ใน "space-charge-limited" region ที่สูงกว่าเกณฑ์. พฤติกรรมสมการกำลังสองไม่ถูกสังเกตในอุปกรณ์ที่ทันสมัย ​​ตัวอย่างเช่น ที่โหนดเทคโนโลยี 65 นาโนเมตร .


สำหรับเสียงรบกวนต่ำ ที่แบนด์วิดท์แคบ input resistance ที่สูงขึ้นของ FET จะได้เปรียบ

FETs ถูกแบ่งออกเป็น สองตระกูล คือ junction FET (JFET) และ insulated gate FET (IGFET). IGFETเป็นที่รู้จักกันมากกว่า ว่าเป็น metal–oxide–semiconductor FET (MOSFET) สะท้อนให้เห็นถึงการสร้างเดิม จากชั้นของโลหะ (gate), ออกไซด์ (insulation) และ เซมิคอนดักเตอร์. ไม่เหมือน IGFETs, gate ของ JFET ทำตัวเป็น ไดโอด p-n ที่มี channel ระหว่าง source กับ drain โดยหน้าที่แล้ว สิ่งนี้ทำให้ n-channel JFET เป็น solid-state ที่เทียบเท่าหลอดสุญญากาศ triode ซึ่งในทำนองเดียวกัน ฟอร์มตัวเป็นไดโอดระหว่าง กริดและคาโทด อุปกรณ์ทั้งสองยังทำงานในโหมดการสูญเสีย และทั้งสองมี input impedance ที่สูง และทั้งสองยังปล่อยกระแสภายใต้การควบคุมของ input voltage เหมือนกันอีกด้วย

Metal–semiconductor FETs (MESFETs) เป็น JFETs ที่ reverse biased p-n junction ถูกแทนที่ด้วย metal–semiconductor junction FET เหล่านี้และ HEMTs(high-electron-mobility transistors หรือ HFETs), ที่ซึ่งก๊าซอิเล็กตรอนสองมิติที่มีความคล่องตัวสูงมาก ของพาหะที่ใช้สำหรับการขนส่งประจุไฟฟ้า, จะเหมาะโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน ที่มีความถี่สูงมาก (ความถี่ไมโครเวฟ; หลาย GHz)

ซึ่งแตกต่างจากทรานซิสเตอร์ bipolar, โดยเนื้อแท้ FETs จะไม่ขยาย photocurrent อย่างไรก็ตาม ยังมีวิธีที่จะใช้ FETs โดยเฉพาะอย่างยิ่ง JFET เป็นอุปกรณ์ที่ไวต่อแสง โดยการใช้ประโยชน์ photocurrents ใน channel–gate หรือ channel–body junctions

FETs จะถูกแบ่งต่อไปออกเป็นโหมดสูญเสียและโหมดเพิ่มประสิทธิภาพ ขึ้นอยู่กับว่า channel จะ เปิดหรือปิด เมื่อแรงดันไฟฟ้า gate-to-source เป็นศูนย์. สำหรับโหมดเพิ่มประสิทธิภาพ, channel จะปิดที่ bias เป็นศูนย์, และศักยภาพที่ gate สามารถ " เพิ่ม "การนำกระแส. สำหรับโหมดสูญเสีย channel จะเปิดที่ bias เป็นศูนย์ และศักยภาพที่ gate(ที่มีขั้วตรงข้าม) สามารถ "สูญเสีย" channel ซึ่งลดการนำกระแส สำหรับโหมดใดโหมดหนึ่ง แรงดัน gate ที่เป็นบวกเพิ่มขึ้นจะสอดคล้องกับกระแสที่สูงขึ้นสำหรับอุปกรณ์ n-channel แต่กระแสจะต่ำลงสำหรับ อุปกรณ์ p-channel. JFETs เกือบทั้งหมดเป็นโหมดสูญเสีย เพราะไดโอด junction จะ forward bias และนำกระแส ถ้าเป็นอุปกรณ์โหมดเพิ่ม; IGFETs ส่วนใหญ่เป็นโหมดเพิ่ม

การใช้งานของทรานซิสเตอร์สองขั้วและfield-effect[แก้]

ทรานซิสเตอร์สองขั้ว (BJT) เป็นทรานซิสเตอร์ที่ใช้มากที่สุด ในทศวรรษที่ 1960 และ 1970 แม้หลังจากที่ MOSFETs ใช้ได้อย่างกว้างขวาง BJT ก็ยังคงเป็นทรานซิสเตอร์ทางเลือกสำหรับวงจรแอนะล็อกหลายอย่างเช่น เครื่องขยายทั้งหลาย เนื่องจากความเป็นเส้นตรงมากกว่า และความสะดวกในการผลิต. ในแผงวงจรรวม คุณสมบัติที่พึงประสงค์ของ MOSFETs ทำให้มันได้ส่วนแบ่งการตลาดเกือบทั้งหมดสำหรับวงจรดิจิตอล. MOSFETs เดี่ยวๆ สามารถนำมาใช้ในงาน ทรานซิสเตอร์ รวมทั้งวงจรแอนะล็อก, regulator แรงดันไฟฟ้า, เครื่องขยายทั้งหลาย, เครื่องส่งกำลังสูง และตัวขับมอเตอร์

ทรานซิสเตอร์ชนิดอื่นๆ[แก้]

สัญลักษณ์ ทรานซิสเตอร์ที่วาดบนทางเท้าในมหาวิทยาลัยอาวีโร โปรตุเกส
  • Bipolar junction transistor
    • Heterojunction bipolar transistor, ทำงานที่ความถี่สูงถึงหลายร้อย GHz, ธรรมดาในวงจรสมัยใหม่ที่เร็วมากๆ ​​และวงจร RF ที่ทันสมัย
    • Schottky transistor
    • Avalanche transistor
    • ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันเป็นสอง BJTs เชื่อมต่อกัน เพื่อให้ได้ gain กระแสสูงเท่ากับ ผลคูณของ gain กระแสของทั้งสองทรานซิสเตอร์
    • Insulated-gate bipolar transistor (IGBT) ใช้ IGFET กำลังขนาดกลาง เชื่อมต่อในทำนองเดียวกันกับ BJT กำลัง เพื่อให้ความต้านทานของอินพุตสูง ไดโอดกำลังมักจะมีการเชื่อมต่อ ระหว่างขั้วบางอย่างขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะ IGBTs มีความเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการ ประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมหนัก. 5SNA2400E170100 ของ ABB แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยี สารกึ่งตัวนำไฟฟ้าได้ก้าวหน้าไปไกลเพียงไร. ด้วยความตั้งใจที่จะมีไว้สำหรับ สามเฟสพาวเวอร์ซัพพลาย, อุปกรณ์นี้ประกอบอยู่ด้วยกันมีสาม IGBTs แบบ n-p-n ในกล่องขนาด 38x140x190 มม. และหนัก 1.5 กก. IGBT แต่ละตัวจะมีอัตรา 1,700 โวลต์ 2,400 แอมแปร์
    • Photo transistor
    • ทรานซิสเตอร์หลาย emitter, ใช้ใน ทรานซิสเตอร์-ทรานซิสเตอร์ ลอจิก
    • ทรานซิสเตอร์หลาย base ใช้ในการขยายสัญญาณระดับต่ำมาก ในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงรบกวน เช่นตัวรับของเครื่องเล่นแผ่นเสียงหรือภาครับของวิทยุ. ทรานซิสเตอร์ในแบบคู่ขนาน เป็นจำนวนมากที่ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ที่สัญญาณเอาต์พุตจะถูกเพิ่มอย่างสร้างสรรค์ แต่เสียงรบกวนแบบสุ่มจะถูกเพิ่มแบบ stochastic เท่านั้น
  • Field-effect transistor
    • Carbon nanotube field-effect transistor (CNFET)
    • JFET ที่มี gate เป็นฉนวน โดย p-n junction ที่ถูก reverse-biased
    • MESFET คล้ายกับ JFET ด้วย Schottky junction แทน p-n junction
      • High-electron-mobility transistor ( HEMT , HFET , MODFET )
    • MOSFET ที่ gate เป็นฉนวนโดยชั้นตื้นของฉนวน
    • Inverted-T field-effect transistor ( ITFET )
    • FinFET source/drain region ทำเป็นครีบบนพื้นผิวซิลิกอน
    • FREDFET , fast-reverse epitaxial diode field-effect transistor
    • Thin-film transistor, ใน แอลซีดี
    • Organic field-effect transistor (OFET) ซึ่งสารกึ่งตัวนำเป็นสารอินทรีย์
    • Ballistic transistor
    • Floating-gate transistor สำหรับการจัดเก็บข้อมูลไม่ระเหย
    • FETs ที่ใช้ sense สภาพแวดล้อม
      • Ion-sensitive field effect transistor ( IFSET ) ในการวัดความเข้มข้นของไอออนในสารละลาย
      • EOSFET , electrolyte-oxide-semiconductor field-effect transistor (Neurochip)
      • DNAFET, deoxyribonucleic acid field-effect transistor
  • Diffusion transistor เกิดจากการกระจายสารเจือปนให้เป็นสารตั้งต้นของสารกึ่งตัวนำ; อาจเป็นได้ทั้ง BJT และ FET
  • Unijunction transistors สามารถใช้เป็นเครื่องกำเนิดพั้ลส์ง่ายๆ ประกอบด้วยร่างกายหลักของสารกึ่งตัวนำ p-type หรือ n-type ที่มีจุดสัมผัสแบบ ohmic ที่ปลายแต่ละด้าน (ขั้ว Base1 และ Base2) ต่อกับสารกึ่งตัวนำชนิดตรงข้ามที่จุดไปตามความยาวของร่างกายเป็นขั้วที่สาม (อิมิเตอร์ )
  • Single-electron transistors ( SET ) ประกอบด้วย gate ที่เป็นเหมือนเกาะระหว่างอุโมงค์ 2 junction กระแสอุโมงค์จะถูกควบคุมโดยแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้ที่ gate ผ่านตัวเก็บประจุ.
  • Nanofluidic transistor, ควบคุมการเคลื่อนที่ของไอออนผ่านช่องทางกล้องจุลทรรศน์ย่อยที่เติมน้ำไว้
  • Multigate devices
    • Tetrode transistor
    • Pentode transistor
    • Trigate transistors (ต้นแบบโดย Intel)
  • Dual-gate FET มี channel เดียวกับสอง gate ที่ลดหลั่นกัน; การกำหนดค่าปรับให้เหมาะสมสำหรับ เครื่องขยายความถี่สูง, mixer และ oscillators
  • Junctionless nanowire transistor (JNT), ถูกพัฒนาที่สถาบันแห่งชาติ Tyndall ในไอร์แลนด์, เป็นทรานซิสเตอร์ตัวแรกที่ประสบความสำเร็จในการสร้างโดยไม่มี junction (แม้แต่ MOSFETs ยังมี junction, ถึงแม้ว่า gate ของมันจะเป็นฉนวนไฟฟ้าจาก region ที่ gate ควบคุมอยู่) Junctions เป็นเรื่องยากและมีราคาแพงในการผลิต และ เพราะว่า junction เป็นแหล่งสำคัญของการรั่วไหลของกระแส จึงสูญเสียพลังงานที่สำคัญและสร้างของเสียความร้อน อย่างมีนัยสำคัญ กำจัด junction ออกเสียได้ทำให้มีความหวังที่จะผลิตไมโครชิปที่ถูกกว่าและ หนาแน่นกว่า. JNT ใช้เส้นลวดนาโนที่เรียบง่ายของซิลิกอนที่ล้อมรอบด้วย"แหวนแต่งงาน" ที่แยกจากกันทางไฟฟ้า ทำหน้าที่เป็นประตูปิดเปิดการไหลของอิเล็กตรอนผ่านเส้นลวด วิธีการนี้ ได้รับการอธิบายว่าคล้ายกับการบีบสายยางรดน้ำในสวนเพื่อควบคุมการไหลของน้ำ เส้นลวดนาโนถูกโด๊ปด้วย n อย่างหนัก ทำให้เป็นตัวนำที่ดีเยี่ยม ที่สำคัญคือ gate ที่ประกอบด้วย ซิลิกอน ที่ถูกโด๊ปด้วย p เป็นอย่างมาก; และการปรากฏตัวของมันทำให้เส้นลวดนาโนที่อยู่ด้านล่างสูญเสียไป จึงเป็นการป้องกันการไหลของตัวนำกระแสผ่าน gate นั้น
  • Vacuum-channel transistor : ในปี 2012 , นาซ่า และ National Nanofab Center ใน เกาหลีใต้ถูกรายงานว่าได้สร้างต้นแบบของทรานซิสเตอร์ที่ใช้ channel เป็นสูญญากาศ ที่มีขนาดเพียง 150 นาโนเมตร และสามารถผลิตได้ในราคาถูกโดยใช้ขบวนการผลิตซิลิคอนเซมิคอนดักเตอร์มาตรฐาน สามารถทำงานที่ความเร็วสูง แม้ในสภาพแวดล้อมที่ไม่เป็นมิตร และ ใช้พลังงานเท่ากับที่ทรานซิสเตอร์มาตรฐานใช้.

ดูเพิ่ม[แก้]

อ้างอิง[แก้]

  1. Vardalas, John, Twists and Turns in the Development of the Transistor IEEE-USA Today's Engineer, May 2003.
  2. Lilienfeld, Julius Edgar, "Method and apparatus for controlling electric current" U.S. Patent 1,745,175 1930-01-28 (filed in Canada 1925-10-22, in US 1926-10-08).
  3. David Bodanis (2005). Electric Universe. Crown Publishers, New York. ISBN 0-7394-5670-9. 
  4. "transistor". American Heritage Dictionary (3rd ed.). Boston: Houghton Mifflin. 1992. 
  5. "The Nobel Prize in Physics 1956". 
  6. Proceeding of the IRE, Dec 1953, Author: W.E. Bradley - Philco Corp.,Research Division, Volume 41 issue 12, pages 1702-1706
  7. Wall Street Journal, Dec 04 1953, page 4, Article "Philco Claims Its Transistor Outperforms Others Now In Use"
  8. Electronics magazine, January 1954, Article "Electroplated Transistors Announced"
  9. IEEE Spectrum, The Lost History of the Transistor, Author: Michael Riordan, May 2004, pp 48-49
  10. J. Chelikowski, "Introduction: Silicon in all its Forms", Silicon: evolution and future of a technology (Editors: P. Siffert, E. F. Krimmel), p.1, Springer, 2004 ISBN 3-540-40546-1.
  11. W. Heywang, K. H. Zaininger, "Silicon: The Semiconductor Material", Silicon: evolution and future of a technology (Editors: P. Siffert, E. F. Krimmel), p.36, Springer, 2004 ISBN 3-540-40546-1.