Transistori

Transistori on puolijohdekomponentti, jota käytetään pääasiassa signaalien vahvistamiseen, kytkemiseen ja säätämiseen elektroniikkalaitteissa ja -piireissä. Transistorin perusrakenne koostuu kolmesta kerroksesta, jotka ovat emitteri, tukielektrodi eli base ja kollektori. Transistorit luokitellaan yleensä kahteen tyyppiin: bipolaaritransistorit (BJT) ja kenttävaikutustransistorit (FET).

Bipolaaritransistorin toimintaperiaate:

Bipolaaritransistorit voivat olla joko NPN- tai PNP-tyyppisiä. Niiden toiminta perustuu kahden puolijohdetyypin (n-tyyppi ja p-tyyppi) yhdistämiseen. NPN-transistorissa on p-tyypin materiaalista valmistettu tukielektrodi kahden n-tyypin materiaalista valmistetun kerroksen (emitteri ja kollektori) välissä. PNP-transistorissa materiaalien järjestys on päinvastainen.

Bipolaaritransistorissa virta kulkee tukielektrodin (base) ja emitterin välillä, mikä mahdollistaa suuremman virran kulkemisen kollektorin ja emitterin välillä. Pieni tukivirta (I_B) ohjaa suurempaa kollektorivirtaa (I_C), jolloin transistori toimii vahvistimena.

Kenttävaikutustransistorin (FET) toimintaperiaate:

FET-transistorit ovat jänniteohjattuja laitteita, ja niitä on kahta päätyyppiä: JFET (liitoksella eristetty FET) ja MOSFET (metalli-oksidipuolijohde FET). FET-transistorin kolmea elektrodia kutsutaan lähteeksi (source), tukielektrodiksi (gate) ja nielueksi (drain).

FET-transistorissa tukielektrodiin (gate) kohdistettu jännite ohjaa sähkövirran kulkua lähteen (source) ja nielun (drain) välillä. Kun tukielektrodiin kohdistetaan riittävä jännite, se luo ohjauskanavan, joka mahdollistaa virran kulkemisen lähteen ja nielun välillä.

Transistorit ovat yleisiä elektroniikkalaitteissa ja -piireissä, ja niitä käytetään monenlaisissa sovelluksissa, kuten vahvistimissa, kytkimissä, oskillaattoreissa ja logiikkapiireissä.

Laskenta

Transistorien laskemiseen liittyy useita kaavoja ja parametreja, joiden avulla voidaan analysoida ja suunnitella transistoripiirejä. Tässä joitakin yleisimpiä kaavoja, jotka koskevat bipolaaritransistoreita (BJT) ja kenttävaikutustransistoreita (FET).

Bipolaaritransistorit (BJT):

Ebers-Moll -malli kuvaa transistorin virtojen suhteet:
I_C = β * I_B,

• I_C on kollektorivirta
• β on virtavahvistuskerroin (tunnetaan myös nimellä h_FE) 
• I_B on tukivirta.

Transistorin käyttöalueen määrittely:

V_CE = V_CC - I_C * R_C,

• V_CE on kollektorin ja emitterin välinen jännite
• V_CC on piirin syöttöjännite
• I_C on kollektorivirta
• R_C on kollektorikuormavastuksen arvo.

Kenttävaikutustransistorit (FET):

Ohjauskanavan muodostuminen:

V_GS > V_th,

• V_GS on tukielektrodin ja lähteen välinen jännite
• V_th on kynnysjännite, joka määrittelee ohjauskanavan muodostumisen.

N-kanavaisen parannustyyppisen MOSFET-transistorin virran laskeminen lineaarialueella:

I_D = K * (V_GS - V_th)^2,

• I_D on nielu- eli drain-virta
• K on transkonduktanssikerroin
• V_GS on tukielektrodin ja lähteen välinen jännite
• V_th on kynnysjännite.

N-kanavaisen parannustyyppisen MOSFET-transistorin virran laskeminen kyllästymisalueella:

I_D = 1/2 * K * (V_GS - V_th)^2,

• I_D on nielu- eli drain-virta
• K on transkonduktanssikerroin
• V_GS on tukielektrodin ja lähteen välinen jännite
• V_th on kynnysjännite.

Nämä ovat vain joitakin esimerkkejä transistorien laskukaavoista. Monimutkaisemmissa sovelluksissa ja piireissä saatetaan tarvita lisää kaavoja ja analyyttisiä menetelmiä, kuten pienisignaalianalyysiä, piirianalyysiohjelmistoja tai muita edistyneempiä tekniikoita.