Tranzystory - budowa i zastosowanie

Wynalazek tranzystora

W laboratoriach Bella w USA, kierowanych przez Bardeena i Brattaina, w 1947 roku wykonano pierwszy tranzystor z małego kawałka metalopodobnego pierwiastka chemicznego: germanu. Urządzenie doświadczalne wyglądało prymitywnie, ale mogło wzmacniać moc sygnału 100-krotnie. Wynalezienie tranzystora uważa się za przełom w elektronice, zastąpił on bowiem duże, zawodne lampy elektronowe, dając początek coraz większej miniaturyzacji przyrządów i urządzeń elektronicznych. Dzisiaj wszystkie komputery i urządzenia elektroniczne pracują na tej samej zasadzie.

Pierwszy tranzystor

Tranzystor ostrzowy o małych możliwościach zastosowań praktycznych) skonstruowali w 1948 roku J. Bardeen, W.H. Brattain (USA). A tranzystor warstwowy (bipolarny) w 1949 roku - W.B. Shockley (USA). Wynalezienie tranzystora uważane jest za początek rewolucji elektronicznej XX w. Opracowanie w latach 60. metody fotograficznego maskowania i warstwowego trawienia, umożliwiającej miniaturyzację tranzystora, spowodowało znaczne potanienie produkcji i w konsekwencji masowe wytwarzanie tranzystorów oraz, zawierających ich setki, tysiące, a nawet miliony, układów scalonych. W roku 2001 Holenderscy naukowcy z Uniwersytetu w Delft stworzyli tranzystor składający się z jednej cząsteczki! Rozmiar tego cudu miniaturyzacji wynosi zaledwie jeden nanometr (10 -9 m), a do zmiany swojego stanu (włączony / wyłączony) potrzebuje on tylko jednego elektronu! Naukowcy przewidują, że ich wynalazek pozwoli na konstruowanie układów miliony razy szybszych od obecnie stosowanych, przy czym ich wielkość pozwoli na dalszą miniaturyzację elektronicznych urządzeń.

Jak jest zbudowany i jak działa tranzystor?

Tranzystor (z ang. Transfer Resistor) jest to element czynny układów elektronicznych służący do wzmacniania sygnałów elektrycznych (trioda półprzewodnikowa, obecnie głównie krzemowa). Ogólnie mówiąc, tranzystor jest elementem wzmacniającym sygnały elektryczne.

Wśród wielu rodzajów tranzystorów rozróżniamy:
• tranzystory bipolarne (iniekcyjne) - są to elementy dwuzłączowe i jednozłączowe, najczęściej wykonywane z krzemu, rzadziej z germanu;
• tranzystory unipolarne (polowe)

Zasadę budowy tranzystora przedstawiono na rysunku:
E – emiter
B – baza
C – kolektor

Zasada budowy tranzystora i sposób polaryzacji tranzystorów:
a) tranzystor typu NPN i jego symbol graficzny
b) tranzystor typu PNP i jego symbol graficzny

Mogą one być:
- jednorodną bazą (dyfuzyjny)
- niejednorodną bazą (dryftowy)

Tranzystor jest elementem o trzech wyprowadzeniach, jedno z tych wyprowadzeń steruje przepływem prądu pomiędzy pozostałymi dwoma. Czynnikiem sterującym może być tak prąd płynący przez wyprowadzenie jak i napięcie pomiędzy wyprowadzeniami.

Istnieje cały szereg różnych odmian w zależności od układu, w którym tranzystor jest wykorzystywany, począwszy od układów małej częstotliwości po układy wysokiej częstotliwości, końcówki mocy i wszelkiego rodzaju sterowanie skończywszy na układach cyfrowych. Coraz częściej wypierany przez układy scalone, które mogą zawierać od kilku do kilku tysięcy i więcej pojedynczych tranzystorów.

W rzeczywistości budowa tranzystora znacznie różni się od rysunków powyżej i wygląda następująco:

Tranzystor składa się z dwu złącz PN połączonych szeregowo - stąd ich nazwa - bipolarne (dwupolowe). Złącza są umieszczone w obudowie hermetycznej z trzema wyprowadzeniami poszczególnych warstw półprzewodnika. Skrajne warstwy półprzewodnika nazywamy emiterem i kolektorem, a środkową - bazą. W zależności od typu półprzewodnika (N czy P) tworzącego bazę rozróżniamy tranzystory typu NPN lub PNP. Sposób polaryzacji w kierunku przewodzenia tych dwóch typów tranzystorów jest odmienny. Tranzystor typu NPN musi być spolaryzowany tak, by kolektor miał duży potencjał dodatni względem emitera (w zależności od wykonania tranzystora do 15 V lub do 150 V), a baza - mały potencjał dodatni względem emitera (kilkaset miliwoltów).

TRANZYSTOR BIPOLARNY

Tranzystor bipolarny to tranzystor, który zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika o różnym rodzaju przewodnictwa. Rozróżniamy tranzystory typu pnp oraz npn, ich uproszczona struktura, oraz symbol zostały przestawione poniżej.

Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony 'użytkowej' polega na sterowaniu wartością prądu kolektora za pomocą prądu bazy. (Prąd emitera jest zawsze sumą prądu kolektora i prądu bazy). Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy, współczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem h21E lub grecką literą β Napięcie przyłożone do złącza baza-emiter przyłożone w kierunku przewodzenia wymusza przepływ prądu przez to złącze - nośniki większościowe (elektrony w tranzystorach NPN lub dziury w tranzystorach PNP) przechodzą do obszaru bazy, (stąd nazwa elektrody: emiter, bo emituje nośniki). Nośniki wprowadzone do obszaru bazy przechodzą bezpośrednio do kolektora - jest to możliwe dzięki niewielkiej grubości obszaru bazy - znacznie mniejszej niż droga swobodnej dyfuzji nośników ładunku w tym obszarze (ok. 0.01-0.1mm), co pozwala na łatwy przepływ nośników przechodzących przez jedno ze złącz do obszaru drugiego złącza - nośniki wstrzyknięte do bazy niejako „siłą rozpędu” dochodzą do złącza kolektor baza. Ponieważ złącze to jest spolaryzowane w kierunku zaporowym to nośniki mniejszościowe są „wsysane” do kolektora. Prąd bazy składa się z dwóch głównych składników: prądu rekombinacji i prądu wstrzykiwania.
Prąd rekombinacji to prąd powstały z rekombinowania wstrzykniętych do bazy nośników mniejszościowych z nośnikami większościowymi w bazie. Jest tym mniejszy im cieńsza jest baza.
Prąd wstrzykiwania jest to prąd złożony z nośników wstrzykniętych z bazy do emitera, jego wartość zależy od stosunku koncentracji domieszek w obszarze bazy i emitera.

TRANZYSTOR POLOWY

Tranzystor polowy (skrót FET, ang. Field Effect Transistor) to tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego (stąd nazwa).
Zasadniczą częścią tranzystora polowego jest kryształ odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem (symbol S od angielskiej nazwy source) i drenem (D, drain). Pomiędzy nimi tworzy się tzw. kanał, którym płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia elektroda, zwana bramką (G, gate). Przyłożone do bramki napięcie wywołuje w krysztale dodatkowe pole elektryczne, które wpływa na rozkład nośników prądu w kanale. Skutkiem tego jest zmiana przekroju kanału, co objawia się jako zmiana oporu źródło - dren. W tranzystorach epiplanarnych (również w przypadku układów scalonych, w których wytwarza się wiele tranzystorów na wspólnym krysztale) wykorzystuje się jeszcze czwartą elektrodę, tzw. podłoże (B, bulk albo body), służącą do odpowiedniej polaryzacji podłoża.

W tranzystorach polowych między elektrodami płynie prąd nośników jednego rodzaju, prąd nośników większościowych. Wartość prądu przepływającego przez tranzystor polowy jest zależna od wartości napięcia przyłożonego między źródłem a drenem oraz od wartości rezystancji kanału, która wyrażona jest wzorem:

Odpowiednio do technologii wykonania rozróżnia się dwa główne typy tranzystorów polowych:
 złączowe (JFET, Junction FET), w których bramka jest połączona z obszarem kanału. Tranzystor unipolarny JFET ma trzy elektrody:
a) Źródło, oznaczone literą S (ang. Sourse), jest elektrodą, z której wpływają nośniki do kanału.
b) Dren, oznaczony literą D (ang. Drain), jest elektrodą, do której dochodzą nośniki ładunku.
c) Bramka, oznaczona literą G (ang. Gate), jest elektrodą sterującą przepływem ładunku
 z izolowaną bramką (IGFET, Insulated Gate FET).
Wśród tranzystorów złączowych, stosownie do typu połączenia bramki, rozróżnia się:
 tranzystory ze złączem p-n (PNFET),
 tranzystory ze złączem metal-półprzewodnik (MESFET, MEtal-Semiconductor FET),
zaś wśród tranzystorów z bramką izolowaną najszerzej stosowane są
 tranzystory MOSFET
Ze względu na budowę i sposób działania (znikomy prąd bramki) tranzystory polowe charakteryzują się bardzo dużą rezystancją wejściową i dużą transkonduktancją.

Szczegółowa klasyfikacja tranzystorów unipolarnych

ZASTOSOWANIE TRANZYSTORÓW

Tranzystory znajdują szerokie zastosownia w elektryce, elektronice, technice i podobnych dziedzinach.