Components clau en circuits integrats: transistors

La importància dels transistors
Components bàsics:
És la unitat bàsica de construcció en circuits integrats i s'utilitza àmpliament en diverses portes lògiques, circuits de gestió d'energia, circuits d'amplificació, etc. El rendiment i la funcionalitat dels circuits integrats depenen en gran mesura del rendiment dels transistors.

Miniaturització i alta integració:
Amb l'avenç de la tecnologia de semiconductors, la mida dels transistors continua reduint-se, donant lloc a un augment significatiu del nivell d'integració dels circuits integrats. Els circuits integrats moderns poden contenir milers de milions de transistors, la qual cosa permet una funcionalitat complexa i un alt rendiment.

Consum d'energia i eficiència:
La característica de baix consum d'energia permet als circuits integrats aconseguir un equilibri entre el consum d'energia i el rendiment. Especialment en dispositius mòbils i dispositius IoT, l'aplicació de transistors de baixa potència allarga considerablement la durada de la bateria i millora l'eficiència energètica del dispositiu.

Tipus de transistors
Transistor bipolar (BJT):
El transistor bipolar és un dispositiu que utilitza portadors minoritaris i majoritaris per participar en la conducció. Té una bona linealitat i característiques de guany elevat, i s'utilitza habitualment en circuits analògics.

Transistor d'efecte de camp semiconductor d'òxid metàl·lic (MOSFET):
El MOSFET és el tipus de transistor més utilitzat, especialment en circuits digitals. Segons els diferents tipus de conductivitat, els MOSFET es divideixen en NMOS i PMOS. La tecnologia CMOS utilitza les característiques complementàries de NMOS i PMOS i s'utilitza àmpliament en el disseny modern d'IC.

Transistor bipolar de porta aïllada (IGBT):
IGBT combina les característiques d'entrada de MOSFET i les característiques de sortida de BJT, amb una alta impedància d'entrada i baixa caiguda de tensió de conducció, i s'utilitza àmpliament en el camp de l'electrònica de potència.

Transistor d'efecte de camp d'unió (JFET):
JFET és un transistor que utilitza efectes de camp elèctric per controlar el corrent, amb una alta impedància d'entrada i característiques de baix soroll, utilitzat habitualment en circuits amplificadors.

Principi de funcionament dels transistors
El principi de funcionament de BJT:
Compost per emissor, base i col·lector. Injectant una petita quantitat de corrent a la base, es pot controlar el gran flux de corrent entre l'emissor i el col·lector per aconseguir l'amplificació de corrent.

El principi de funcionament del MOSFET:
Compost per una font, desguàs i porta. Aplicant tensió a la porta, es pot controlar el flux de corrent entre la font i el desguàs. NMOS i PMOS, respectivament, utilitzen electrons i forats com a portadors principals per aconseguir conducció i apagat.

Principi de funcionament de l'IGBT:
En combinar el control de la porta de MOSFET i les característiques d'amplificació de corrent de BJT, el flux de corrent entre el col·lector i l'emissor es controla aplicant tensió a la porta, la qual cosa la fa adequada per a aplicacions d'alta potència.

L'aplicació dels transistors en circuits integrats
circuit lògic:
Combinant diferents tipus de portes lògiques, es poden aconseguir operacions lògiques complexes i funcions de processament de dades.

Circuit d'amplificació:
S'utilitza per amplificar l'amplitud dels senyals, s'utilitza àmpliament en camps com els amplificadors d'àudio i els amplificadors de radiofreqüència.

Gestió d'energia:
En els circuits de gestió d'energia, els transistors s'utilitzen per a la regulació de la tensió, la reducció de la tensió i la conversió d'augment per garantir que cada component del circuit obtingui una tensió d'alimentació estable.

Memòria:
Els transistors s'utilitzen per emmagatzemar i llegir dades a la memòria d'accés aleatori dinàmic (DRAM) i la memòria estàtica d'accés aleatori (SRAM), i són els components bàsics dels sistemes d'emmagatzematge informàtic.

Circuit de RF:
En els dispositius de comunicació sense fil, els transistors s'utilitzen per amplificar i modular senyals de RF per garantir la qualitat de la transmissió i recepció del senyal.

La tendència de desenvolupament de la tecnologia de transistors
Miniaturització i nanotecnologia:
Amb l'avenç de la llei de Moore, la mida dels transistors continua reduint-se i ara ha entrat al nivell nanòmetre. En el futur, la tecnologia de miniaturització continuarà desenvolupant-se, promovent la millora del rendiment del circuit integrat i la reducció del consum d'energia.

Aplicació de nous materials:
Els materials de silici tradicionals s'estan substituint gradualment per nous materials amb un rendiment superior, com els nanotubs de carboni, el grafè i el nitrur de gal·li (GaN). Aquests nous materials tenen una major mobilitat d'electrons i una millor conductivitat tèrmica, cosa que millorarà encara més el rendiment dels transistors.

Tecnologia d'integració 3D:
Mitjançant l'apilament vertical de múltiples capes de transistors, s'ha millorat la integració i el rendiment. Aquesta tecnologia millorarà significativament la densitat funcional i les capacitats de processament de dades dels circuits integrats.

Disseny de baixa potència:
Amb la popularitat de l'Internet de les coses i els dispositius mòbils, el disseny de transistors de baixa potència s'ha convertit en una direcció de desenvolupament important. Mitjançant l'optimització del disseny de circuits i la tecnologia de procés, el consum d'energia dels transistors es pot reduir encara més per aconseguir una major resistència del dispositiu.

Informàtica quàntica:
La investigació i el desenvolupament han presentat nous reptes i oportunitats per a la tecnologia de transistors. El desenvolupament de nous dispositius com els transistors de punt quàntic proporcionarà un suport crític per aconseguir la computació quàntica.

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