Opracowanie PDF - Tranzystory

Miłosz Andrzejewski IE
Tranzystor – trójelektrodowy (rzadko czteroelektrodowy) 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
logiczny należy do rodziny warystorów i ma transkonduktancję typową dla elementu z
współczynnikiem wzmocnienia co czyni taką nazwę opisową.
Historia
Pierwsze patenty na tranzystor zostały udzielone w latach 1925 do 1930 r. w Kanadzie,
USA i Niemczech Juliusowi Edgarowi Lilienfeldowi. Jego projekty były zbliżone do
tranzystora MOSFET[2], jednak ze względów technologicznych (głównie czystości
materiałów) tranzystora nie udało się skonstruować - stało się to możliwe dopiero w
drugiej połowie XX wieku.
Pierwszy działający tranzystor (ostrzowy) został skonstruowany 16 grudnia 1947 r. w
laboratoriach firmy Bell Telephone Laboratories przez Johna Bardeena oraz Waltera
Housera Brattaina. W następnym roku William Bradford Shockley z tego samego
laboratorium opracował teoretycznie tranzystor złączowy, który udało się zbudować w
1950. John Bardeen, Walter Houser Brattain oraz William Bradford Shockley, za
wynalazek tranzystora otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki w 1956.
W 1949 dwaj niemieccy fizycy (zaangażowani poprzednio w program radarowy)
Herbert Mataré i Heinrich Welker pracując w paryskim oddziale firmy Westinghouse
niezależnie zbudowali tranzystor (który nazwali transistronem)[3].
W 1957 William Bradford Shockley pracując w Shockley Semiconductor Laboratory
zbudował złączowy tranzystor polowy JFET.
W 1959 John Atalla i Davon Kahng, również z Bell Labs, zbudowali pierwszy tranzystor
MOSFET, wykorzystując przy tym opracowany w tym samym laboratorium proces
utleniania powierzchni kryształu krzemu.
Podział
Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów, różniące się zasadniczo zasadą działania
- tranzystory bipolarne i tranzystory unipolarne.
Tranzystory bipolarne
Osobny artykuł: Tranzystor bipolarny.
Tranzystory bipolarne , w których prąd przepływa przez złącza półprzewodnika o
różnym typie przewodnictwa (n i p). Zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika o
typie przewodnictwa odpowiednio npn lub pnp (o nazwach emiter - E, baza - B i
kolektor - C). Charakteryzuje się tym, że niewielki prąd płynący pomiędzy dwiema jego
elektrodami (bazą i emiterem) steruje większym prądem płynącym między innymi
elektrodami (kolektorem i emiterem).
Tranzystory unipolarne[edytuj]
Osobny artykuł: Tranzystor polowy.JFET
MOSFET
z kanałem p z kanałem n
Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe) to takie, w których prąd płynie przez
półprzewodnik o jednym typie przewodnictwa. Prąd wyjściowy jest w nich funkcją
napięcia sterującego.
W obszarze półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem (symbol S) i drenem (D)
tworzy się tzw. kanał, którym płynie prąd. Wzdłuż tego obszaru umieszczona jest trzecia
elektroda, zwana bramką (G). Napięcie przyłożone do bramki zmienia przewodnictwo
kanału, wpływając w ten sposób na płynący prąd. W tranzystorach MOSFET bramka
jest odizolowana od kanału warstwą dielektryka, a w tranzystorach polowych
złączowych (JFET) spolaryzowanym w kierunku zaporowym złączem p-n.
Inne kryteria podziału
Inne, typy tranzystorów to:
Tranzystory jednozłączowe,
Tranzystory IGBT.
Tranzystory dzieli się też ze względu na typy użytych półprzewodników:
Pnp, npn - bipolarne,
Z kanałem typu p, z kanałem typu n - unipolarne.
Innym możliwym podziałem tranzystorów jest podział ze względu na materiał
półprzewodnikowy z jakiego są wykonywane:
German - materiał historyczny, obecnie najczęściej stosowany w technice wysokich
częstotliwości w połączeniu z krzemem (heterostruktury),
Krzem - obecnie podstawowy materiał półprzewodnikowy, bardzo szeroko stosowany,
Arsenek galu - stosowany w technice bardzo wysokich częstotliwości,
Azotek galu - stosowany w technice bardzo wysokich częstotliwości,
Węglik krzemu - (rzadko) stosowany w technice bardzo wysokich częstotliwości, dużych
mocy i w wysokich temperaturach.
Ze względu na parametry tranzystory dzieli się na:
Małej mocy, małej częstotliwości
Dużej mocy, małej częstotliwości
Małej mocy, wielkiej częstotliwości
Dużej mocy, wielkiej częstotliwości
Tranzystory przełączające (impulsowe)
Przy nazywaniu tranzystora określenia te są często łączone, mówimy więc na przykład:
bipolarny tranzystor krzemowy NPN, dużej mocy, wielkiej częstotliwości.
Zastosowanie
Tranzystory ze względu na swoje właściwości wzmacniające znajdują bardzo szerokie
zastosowanie. Są wykorzystywane do budowy wzmacniaczy różnego rodzaju:
różnicowych, operacyjnych, mocy, selektywnych, szerokopasmowych. Jest kluczowym
elementem w konstrukcji wielu układów elektronicznych, takich jak źródła prądowe,
lustra prądowe, stabilizatory, przesuwniki napięcia, klucze elektroniczne, przerzutniki,
generatory i wiele innych.
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 wielu rodzajów pamięci
półprzewodnikowych (RAM, ROM itp.).
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, 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.