В цифровых схемах эти компоненты функционируют как быстродействующие ключи. Переключение между состояниями занимает 0.1–1 наносекунду, позволяя процессорам выполнять миллиарды операций в секунду. Без этой технологии были бы невозможны смартфоны, компьютеры и спутниковые системы.
Конструкция и состав полупроводникового ключа
Основу прибора формирует кристалл кремния или германия с добавлением примесей. В биполярных моделях выделяют три слоя: эмиттер, базу и коллектор. Толщина базы не превышает нескольких микрон, что обеспечивает управление током между остальными областями.
Современные образцы содержат до 5 млрд структур на квадратный сантиметр. Лазерная литография формирует элементы размером 5-7 нм. Алюминиевые или медные дорожки соединяют компоненты внутри микросхемы.
Принцип управления током в цепи
Биполярный вариант
При подаче напряжения на базу открывается переход эмиттер-коллектор. Коэффициент усиления (hFE) определяет соотношение токов: например, при hFE=100 и базовом токе 1 мА коллекторный составит 100 мА.
Полевая конструкция
Заряд на затворе создает электрическое поле, сужающее или расширяющее проводящий канал. Напряжение отсечки (Vgs(th)) указывает минимальное значение для начала проводимости – у MOSFET обычно 2-4 В.
Для точного контроля используют ШИМ-сигналы с частотой до 500 кГц. Скорость переключения современных моделей достигает 1 нс, что позволяет управлять мощными нагрузками без потерь.
