Tranzystor

Replika pierwszego tranzystora firmy Bell Telephone Laboratories

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"^[1].

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 ^[4].

Polska

Germanowe tranzystory stopowe Tewy na tle opakowania:
seledynowe: małej mocy TG2 i średniej mocy TG55 z początku lat sześćdziesiątych,
oraz metalowy tranzystor dużej mocy ADP665 z 1972 r.

Pierwszymi tranzystorami zbudowanymi w Polsce były tranzystory ostrzowe TP1-TP3 (od tranzystor punktowy, rok 1953 ). Ze względu na niestabilność parametrów i nietrwałość nie nadawały się one do praktycznych zastosowań ^[5]. Pierwszymi wytwarzanymi w krótkich seriach germanowy tranzystorami stopowymi były TC11-TC15, wyprodukowane do 1959 w liczbie kilkunastu tysięcy egzemplarzy. Również i one nie znalazły zastosowania przemysłowego^[6]. Produkcja na skalę przemysłową została uruchomiona w roku 1960 przez Tewę . Były to germanowe tranzystory stopowe małej częstotliwości serii TG1-TG5 , i TG70 . Rok później uruchomiono produkcję tranzystorów średniej częstotliwości TG10 i TG20 oraz serii TG50 ^[7].

Znaczenie

Wynalezienie tranzystora uważa się za przełom w elektronice, zastąpił on bowiem duże, zawodne i energochłonne 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 .

Podział

Symbole tranzystorów
bipolarne
typu pnp	typu npn

Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów, różniące się zasadniczo zasadą działania - tranzystory bipolarne i tranzystory unipolarne.

Tranzystory bipolarne

Tranzystory bipolarne , w których prąd przepływa przez złącza półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa (n i p). Zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa: 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

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)
• Itd.

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, pasmowych. 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. ^[8]

Przypisy

Zobacz też

• złącze p-n ,
• dioda ,
• tyrystor .