Quali sono le caratteristiche dei transistor?

I transistor sono componenti nei dispositivi elettronici che controllano e amplificano il flusso di elettricità nel dispositivo e sono considerati una delle invenzioni più importanti nello sviluppo dell'elettronica moderna. Importanti caratteristiche del transistor che influenzano il funzionamento del transistor includono il guadagno, la struttura e la polarità del transistor, nonché i materiali da costruzione. Le caratteristiche del transistor possono variare ampiamente in base allo scopo del transistor.

I transistor sono utili perché possono utilizzare una piccola quantità di elettricità come segnale per controllare il flusso di quantità molto maggiori. La capacità del transistor di fare ciò si chiama guadagno del transistor, che viene misurato come il rapporto tra l'uscita che il transistor produce e l'ingresso richiesto per produrre quell'uscita. Maggiore è l'output rispetto all'input, maggiore è il guadagno. Questo rapporto può essere misurato in termini di potenza, tensione o corrente dell'elettricità. Il guadagno diminuisce all'aumentare della frequenza operativa.

Le caratteristiche del transistor variano in base alla composizione del transistor. I materiali comuni includono i semiconduttori silicio, germanio e arsenuro di gallio (GaAs). L'arseniuro di gallio è spesso usato per transistor che funzionano ad alte frequenze perché la sua mobilità di elettroni, la velocità con cui gli elettroni si muovono attraverso il materiale semiconduttore, è più alta. Può anche operare in sicurezza a temperature più elevate nei transistor al silicio o al germanio. Il silicio ha una mobilità elettronica inferiore rispetto agli altri materiali a transistor, ma è comunemente usato perché il silicio è economico e può funzionare a temperature più elevate rispetto al germanio.

Una delle caratteristiche più importanti del transistor è il design del transistor. Un transistor di giunzione bipolare (BJT) ha tre terminali chiamati base, collettore ed emettitore, con la base che giace tra il collettore e l'emettitore. Piccole quantità di elettricità si spostano dalla base all'emettitore e la piccola variazione di tensione provoca variazioni molto maggiori nel flusso di elettricità tra gli strati dell'emettitore e del collettore. I BJT sono chiamati bipolari perché usano sia elettroni caricati negativamente che buchi di elettroni caricati positivamente come portatori di carica.

In un transistor a effetto di campo (FET), viene utilizzato solo un tipo di portatore di carica. Ogni FET ha tre strati di semiconduttori chiamati gate, drain e source, che sono analoghi rispettivamente alla base, al collettore e all'emettitore di BJT. La maggior parte delle FET ha anche un quarto terminale indicato come corpo, massa, base o substrato. Il fatto che un FET utilizzi elettroni o buchi di elettroni per trasportare cariche dipende dalla composizione dei diversi strati di semiconduttori.

Ogni terminale a semiconduttore in un transistor può avere polarità positiva o negativa, a seconda delle sostanze con cui è stato drogato il materiale semiconduttore principale del transistor. Nel doping di tipo N, vengono aggiunte piccole impurità di arsenico o fosforo. Ogni atomo del drogante ha cinque elettroni nel suo guscio esterno. Il guscio esterno di ciascun atomo di silicio ha solo quattro elettroni, quindi ogni atomo di arsenico o fosforo fornisce un elettrone in eccesso che può muoversi attraverso il semiconduttore, dandogli una carica negativa. Nel doping di tipo P, vengono invece usati gallio o boro, entrambi con tre elettroni nel loro guscio esterno. Questo non dà al quarto elettrone nel guscio esterno degli atomi di silicio nulla a cui legarsi, producendo corrispondenti portatori di carica positiva chiamati fori di elettroni in cui gli elettroni possono muoversi.

I transistor sono inoltre classificati in base alla polarità dei loro componenti. Nei transistor NPN, il terminale centrale - la base in BJT, il gate in FET - ha una polarità positiva, mentre i due strati su entrambi i lati sono negativi. In un transistor PNP, è il contrario.