Tranzystor

Tranzystor

Tranzystory w różnych obudowach
Typ	element półprzewodnikowy
Wynalazca	Walter Houser Brattain John Bardeen
Rok wynalezienia	1947
Układ wyprowadzeń	zazwyczaj 3 elektrody, czasami 4

Replika pierwszego tranzystora firmy Bell Telephone Laboratories

Tranzystor – trójelektrodowy (rzadko czteroelektrodowy) półprzewodnikowy element elektroniczny, mający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Nazwa urządzenia wywodzi się od słów (transrezystancja) (transresistance) z „półprzewodnikowym” przyrostkiem -stor jak w warystor (varistor).

Historia

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

Pierwsze patenty na tranzystor zostały udzielone w latach 1925–1930 w Kanadzie, USA i Niemczech Juliusowi Edgarowi Lilienfeldowi. Jego projekty były zbliżone do tranzystora MOSFET, 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 Bella 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 roku.

W 1949 dwaj niemieccy fizycy (zaangażowani poprzednio w program radarowy) Herbert Mataré i Heinrich Welker pracując w paryskim oddziale firmy Westinghouse Electric niezależnie zbudowali tranzystor (który nazwali transistronem).

Pierwsze radio tranzystorowe a zarazem pierwszy wyrób komercyjny zawierający tranzystory

Pierwszym produktem zawierającym tranzystory dostępnym w zastosowaniu komercyjnym był radioodbiornik tranzystorowy Regency TR-1, który pojawił się w handlu w październiku 1954. W radioodbiorniku zastosowano sześć tranzystorów germanowych.

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.

Polska

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. Pierwszymi wytwarzanymi w krótkich seriach germanowymi tranzystorami stopowymi były TC11 – TC15, wyprodukowane do 1959 w liczbie kilkunastu tysięcy egzemplarzy. Również one nie znalazły zastosowania przemysłowego.

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.

Znaczenie

Liczba tranzystorów w mikroprocesorach wprowadzanych w różnych latach

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. W układach scalonych o najwyższej skali integracji (na przykład w mikroprocesorach) ich liczba przekracza miliard.

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

W tranzystorach bipolarnych 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 bazą i emiterem steruje większym prądem płynącym między 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 (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

Animowana interaktywna ilustracja multiwibratora bistabilnego na tranzystorach dyskretnych (sugerowane rezystancje: R1, R2 = 1 kΩ, R3, R4 = 10 kΩ)

Tranzystory ze względu na właściwości wzmacniające znajdują bardzo szerokie zastosowanie. Są wykorzystywane do budowy różnego rodzaju wzmacniaczy: 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 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 układów tranzystorowych realizuje się w postaci układów scalonych. Niektórych układów, jak np. mikroprocesorów liczących miliony tranzystorów, nie sposób byłoby wykonać bez technologii scalania.

W roku 2001 holenderscy naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Delfcie zbudowali tranzystor składający się z jednej nanorurki węglowej. Jego rozmiar wynosi jeden nanometr, a do zmiany jego stanu (włączony / wyłączony) potrzebuje on tylko jednego elektronu. Wynalazcy przewidują, że ich wynalazek pozwoli na konstruowanie układów miliony razy szybszych od obecnie stosowanych, przy czym ich wielkość pozwoli na dalszą miniaturyzację elektronicznych urządzeń.

Zobacz też

• złącze p-n
• dioda
• tyrystor