Ključne komponente u integriranim krugovima: tranzistori

Važnost tranzistora
Osnovne komponente:
To je osnovna građevna jedinica u integriranim krugovima i naširoko se koristi u raznim logičkim vratima, krugovima za upravljanje napajanjem, krugovima za pojačanje itd. Performanse i funkcionalnost integriranih krugova uvelike ovise o performansama tranzistora.

Minijaturizacija i visoka integracija:
S napretkom tehnologije poluvodiča, veličina tranzistora nastavlja se smanjivati, što rezultira značajnim povećanjem razine integracije integriranih sklopova. Moderni IC-ovi mogu sadržavati milijarde tranzistora, omogućujući složenu funkcionalnost i visoke performanse.

Potrošnja energije i učinkovitost:
Karakteristika niske potrošnje energije omogućuje integriranim krugovima postizanje ravnoteže između potrošnje energije i performansi. Posebno u mobilnim uređajima i IoT uređajima, primjena tranzistora male snage uvelike produljuje trajanje baterije i poboljšava energetsku učinkovitost uređaja.

Vrste tranzistora
Bipolarni tranzistor (BJT):
Bipolarni tranzistor je uređaj koji koristi i manjinske i većinske nositelje za sudjelovanje u provođenju. Ima dobru linearnost i visoka svojstva pojačanja, te se obično koristi u analognim sklopovima.

Metalni oksidni poluvodički tranzistor s efektom polja (MOSFET):
MOSFET je najrašireniji tip tranzistora, posebno u digitalnim sklopovima. Prema različitim vrstama vodljivosti, MOSFET-i se dijele na NMOS i PMOS. CMOS tehnologija koristi komplementarne karakteristike NMOS i PMOS i naširoko se koristi u modernom dizajnu IC.

Bipolarni tranzistor s izoliranim vratima (IGBT):
IGBT kombinira ulazne karakteristike MOSFET-a i izlazne karakteristike BJT-a, s visokom ulaznom impedancijom i malim padom napona vodljivosti, te se široko koristi u području energetske elektronike.

Spojni tranzistor s efektom polja (JFET):
JFET je tranzistor koji koristi efekte električnog polja za kontrolu struje, s visokom ulaznom impedancijom i niskim šumom, koji se obično koristi u krugovima pojačala.

Princip rada tranzistora
Princip rada BJT-a:
Sastoji se od emitera, baze i kolektora. Ubrizgavanjem male količine struje u bazu, može se kontrolirati veliki protok struje između emitera i kolektora kako bi se postiglo pojačanje struje.

Princip rada MOSFET-a:
Sastoji se od izvora, odvoda i vrata. Primjenom napona na gejt, strujni tok između izvora i odvoda može se kontrolirati. NMOS i PMOS koriste elektrone i rupe kao glavne nositelje za postizanje vodljivosti i isključivanje.

Princip rada IGBT:
Kombinacijom kontrole vrata MOSFET-a i karakteristika pojačanja struje BJT-a, protok struje između kolektora i emitera kontrolira se primjenom napona na vrata, što ga čini prikladnim za aplikacije velike snage.

Primjena tranzistora u integriranim krugovima
logički sklop:
Kombiniranjem različitih vrsta logičkih vrata mogu se postići složene logičke operacije i funkcije obrade podataka.

Krug pojačanja:
Koristi se za pojačavanje amplitude signala, naširoko se koristi u poljima kao što su audio pojačala i radiofrekvencijska pojačala.

Upravljanje napajanjem:
U krugovima upravljanja napajanjem tranzistori se koriste za regulaciju napona, smanjenje napona i pretvorbu pojačanja kako bi se osiguralo da svaka komponenta u krugu dobije stabilan napon napajanja.

Memorija:
Tranzistori se koriste za pohranu i čitanje podataka u dinamičkoj memoriji s izravnim pristupom (DRAM) i statičkoj memoriji s izravnim pristupom (SRAM), te su osnovne komponente računalnih sustava za pohranu podataka.

RF krug:
U bežičnim komunikacijskim uređajima tranzistori se koriste za pojačavanje i moduliranje RF signala kako bi se osigurala kvaliteta prijenosa i prijema signala.

Trend razvoja tehnologije tranzistora
Minijaturizacija i nanotehnologija:
S napredovanjem Mooreova zakona, veličina tranzistora nastavlja se smanjivati ​​i sada je ušla u nanometarsku razinu. U budućnosti će se tehnologija minijaturizacije nastaviti razvijati, promičući poboljšanje performansi integriranog kruga i smanjenje potrošnje energije.

Primjena novih materijala:
Tradicionalni silikonski materijali postupno se zamjenjuju novim materijalima s vrhunskim performansama, kao što su ugljikove nanocijevi, grafen i galijev nitrid (GaN). Ovi novi materijali imaju veću mobilnost elektrona i bolju toplinsku vodljivost, što će dodatno poboljšati performanse tranzistora.

Tehnologija 3D integracije:
Vertikalnim slaganjem više slojeva tranzistora poboljšana je integracija i izvedba. Ova tehnologija značajno će poboljšati funkcionalnu gustoću i mogućnosti obrade podataka integriranih sklopova.

Dizajn male snage:
S popularnošću Interneta stvari i mobilnih uređaja, dizajn tranzistora male snage postao je važan smjer razvoja. Optimiziranjem dizajna sklopa i procesne tehnologije, potrošnja energije tranzistora može se dodatno smanjiti kako bi se postigla duža izdržljivost uređaja.

Kvantno računalstvo:
Istraživanje i razvoj predstavljaju nove izazove i mogućnosti za tehnologiju tranzistora. Razvoj novih uređaja kao što su tranzistori s kvantnim točkama pružit će ključnu podršku za postizanje kvantnog računalstva.

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