Tranzystor

Tranzystor



Tranzystor - trójelektrodowy półprzewodnikowy
element elektroniczny, posiadający zdolność
wzmacniania sygnału elektrycznego. Według
oficjalnej dokumentacji z Laboratoriów Bella
nazwa urządzenia wywodzi się od słów
transkonduktancja (transconductance) i
warystor (varistor), jako że "element logicznie
należy do rodziny warystorów i posiada
transkonduktancję typową dla elementu z
współczynnikiem wzmocnienia co czyni taką
nazwę opisową"

Tranzystor

Historia



Pierwsze trzy patenty tranzystora zostały udzielone
w 1928 r. w Niemczech Juliusowi Edgarowi
Lilienfeldowi. On jednak prawdopodobnie nie
wykorzystał swoich projektów i tranzystora nie
skonstruował - dopiero eksperyment przeprowadzony
w latach 90. XX wieku wykazał, że jeden z nich
działałby prawidłowo.



Pierwszy tranzystor został skonstruowany 16 grudnia
1947 roku w laboratoriach firmy Bell Telephone
Laboratories. Wynalazcami są John Bardeen, Walter
Houser Brattain oraz William Bradford Shockley, za
co otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki w 1956.



Pierwszym tranzystorem produkowanym w małych
ilościach w Polsce był tranzystor ostrzowy TC1.
Pierwszymi produkowanymi na skalę przemysłową
przez Tewę były germanowe tranzystory stopowe TG1
i TG2.

Replika pierwszego
tranzystora

Znaczenie



Wynalezienie tranzystora uważa się za przełom w
elektronice, zastąpił on bowiem duże, zawodne
lampy elektronowe, dając początek coraz większej
miniaturyzacji przyrządów i urządzeń
elektronicznych, zwłaszcza że dzięki mniejszemu
poborowi mocy można było zmniejszyć też
współpracujące z tranzystorami elementy bierne.

Zastosowanie



Tranzystor ze względu na swoje właściwości
wzmacniające znajduje bardzo szerokie zastosowanie.
Jest wykorzystywany do budowy wzmacniaczy różnego
rodzaju: różnicowych, operacyjnych, mocy
(akustycznych), selektywnych, pasmowych. Jest
kluczowym elementem w konstrukcji wielu układów
elektronicznych, takich jak źródła prądowe, lustra
prądowe, stabilizatory, przesuwniki napięcia, klucze
elektroniczne, przerzutniki czy generatory.



Ponieważ tranzystor może pełnić rolę klucza
elektronicznego, z tranzystorów buduje się także
bramki logiczne realizujące podstawowe funkcje
boolowskie, co stało się motorem do bardzo
dynamicznego rozwoju techniki cyfrowej w ostatnich
kilkudziesięciu latach. Tranzystory są także
podstawowym budulcem wszelkiego rodzaju pamięci
półprzewodnikowych (RAM, ROM, itp.).

Zastosowanie



Dzięki rozwojowi technologii oraz ze względów

ekonomicznych większość wymienionych wyżej

układów tranzystorowych realizuje się w postaci

układów scalonych. Co więcej, niektórych układów,

jak np. mikroprocesorów liczących sobie miliony

tranzystorów, nie sposób byłoby wykonać bez

technologii scalania.



W roku 2001 holenderscy naukowcy z Uniwersytetu

w Delft zbudowali tranzystor składający się z jednej

nanorurki węglowej, jego rozmiar 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.

Wyróżnia się dwie główne
grupy tranzystorów



Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów,
różniące się zasadniczo zasadą działania.

1.

Tranzystory bipolarne, w których prąd wyjściowy jest
funkcją prądu wejściowego (sterowanie prądowe).

2.

Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe), w
których prąd wyjściowy jest funkcją napięcia
(sterowanie napięciowe).

Tranzystor bipolarny



tranzystor bipolarny – tranzystor, który
zbudowany jest z trzech warstw półprzewodników
o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa
złącza PN; sposób polaryzacji złącz determinuje
stan prac tranzystora.



Tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do
warstw półprzewodnika, nazywane:

-emiter (ozn. E),
-baza (ozn. B),
-kolektor (ozn. C).



Ze względu na kolejność warstw półprzewodnika
rozróżnia się dwa typy tranzystorów: pnp oraz
npn; w tranzystorach npn nośnikiem prądu są
elektrony, w tranzystorach pnp dziury.

Tranzystor-bipolarany-epiplanarny

Cztery stany pracy tranzystora
bipolarnego:



Rozróżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego:



stan zatkania (odcięcia): złącza BE i CB spolaryzowane są w

kierunku zaporowym,



stan nasycenia: złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku

przewodzenia,



stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku

przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo,



stan aktywny inwersyjny (krócej: inwersyjny): BE zaporowo, CB

w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym).



Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy

wykorzystywanym we wzmacniaczach; w tym zakresie pracy

tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym

(kilkadziesiąt-kilkaset).



Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice

impulsowej, jak również w układach cyfrowych.



Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany,

ponieważ ze względów konstrukcyjnych tranzystor

charakteryzuje się wówczas gorszymi parametrami niż w stanie

aktywnym (normalnym), m.in. mniejszym wzmocnieniem

prądowym.

Zasada działania



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 h21

E

lub

grecką literą β



Napięcie przyłożone do złącza baza-emiter 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. 0,01-0,1 mm), 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.

Zasada działania



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.



Podstawowe znaczenie dla działania tego urządzenia

mają zjawiska zachodzące w cienkim obszarze, zwanym

bazą, pomiędzy dwoma złączami półprzewodnikowymi.



Zasada obowiązuje tylko dla stanu aktywnego, w

stanie nasycenia prąd kolektora jest mniejszy niż by

wynikał z tego wzoru, bo układ do którego podłączony

jest kolektor nie jest w stanie dostarczyć odpowiednio

dużego prądu, a w stanie zatkania płyną tylko

resztkowe prądy elektrod wynikające z niedoskonałości

technologii.

Tranzystor polowy,
tranzystor unipolarny



Tranzystor polowy, tranzystor unipolarny, FET (ang.
Field Effect Transistor) - tranzystor, w którym
sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola
elektrycznego.



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). W tranzystorach epiplanarnych, jak
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.

Tranzystor polowy



Przyłożone do bramki napięcie wywołuje w krysztale

dodatkowe pole elektryczne, które wpływa na

rozkład nośników prądu w kanale. Skutkiem tego

jest zmiana efektywnego przekroju kanału, co

objawia się jako zmiana oporu dren-źródło. Jeśli

rezystancja kanału jest bardzo duża (rzędu

megaomów) wówczas mówi się, że kanał jest

zatkany, ponieważ prąd dren-źródło praktycznie nie

płynie. Natomiast jeśli rezystancja jest niewielka

(kilkadziesiąt, kilkaset omów), mówi się, że kanał

jest otwarty, prąd osiąga wówczas maksymalną

wartość dla danego napięcia dren-źródło.



Ze względu na budowę i sposób działania

tranzystorów polowych, prąd bramki praktycznie nie

płynie (jest rzędu mikro-, nanoamperów), dzięki

temu elementy te charakteryzują się bardzo dużą

rezystancją wejściową oraz dużą transkonduktancją.

Tranzystor polowy



Odpowiednio do zasady działania rozróżnia się dwa

główne typy tranzystorów polowych:

1.

Złączowe (JFET, Junction FET), w których bramka jest

połączona z obszarem kanału; ze względu na rodzaj

złącza bramka-kanał rozróżnia się:



tranzystory ze złączem p-n (PNFET);



tranzystory ze złączem metal-półprzewodnik (MEtal-

Semiconductor FET, MESFET).

1.

Z izolowaną bramką (IGFET, Insulated Gate FET) -

bramka jest odizolowana od kanału; ze względu na

technologię wykonania rozróżnia się tranzystory:



MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET) wykonane

z półprzewodnika monokrystalicznego; ponieważ tutaj

najczęściej rolę izolatora pełni tlenek krzemu SiO

2

(ang.

oxide), toteż tranzystory te częściej nazywa się

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET, MOSFET) lub

krócej MOS. Dodatkowo tranzystory MOS dzieli się na:

Tranzystor polowy



tranzystory z kanałem zubożanym, w których przy
braku napięcia bramka-źródło kanał jest otwarty;



tranzystory z kanałem wzbogacanym, w których
przy braku napięcia bramka-źródło kanał jest
całkowicie zatkany.



TFT (Thin Film Transistor) wykonane z
półprzewodnika polikrystalicznego. Ponieważ
tranzystory tego typu są wytwarzane w taki sam
sposób, jak układy scalone cienkowarstwowe,
toteż nazywane są tranzystorami
cienkowarstwowymi.



Dodatkowo ze względu na typ półprzewodnika (P
lub N) w którym tworzony jest kanał rozróżnia się
tranzystory z kanałem typu P lub kanałem typu N.

Klasyfikacja
tranzystorow
unipolarnych .