Tranzystor

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Tranzystor
Transistors-three types.jpg
Trzy różne typy współczesnych tranzystorów
Typ element półprzewodnikowy
Wynalazca Walter Houser Brattain
John Bardeen
Rok wynalezienia 1947
Układ wyprowadzeń trzy lub cztery elektrody
Replika pierwszego tranzystora firmy Bell Telephone Laboratories

Tranzystor – trójelektrodowy (rzadko czteroelektrodowy) półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Nazwa urządzenia wywodzi się od słów transkonduktancja (transconductance) z "półprzewodnikowym" przyrostkiem -stor jak w warystor (varistor)[1].

Historia[edytuj | edytuj kod]

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 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[edytuj | edytuj kod]

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 germanowymi 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[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

Symbole tranzystorów
bipolarne
BJT PNP symbol.svg BJT NPN symbol.svg
typu pnp typu npn

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

Tranzystory bipolarne[edytuj | edytuj kod]

 Osobny artykuł: Tranzystor bipolarny.

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 dwiema jego elektrodami (bazą i emiterem) steruje większym prądem płynącym między innymi elektrodami (kolektorem i emiterem).

Tranzystory unipolarne[edytuj | edytuj kod]

 Osobny artykuł: Tranzystor polowy.
JFET
JFET P-Channel Labelled.svg JFET N-Channel Labelled.svg
MOSFET
IGFET P-Ch Enh Labelled.svg IGFET N-Ch Enh Labelled.svg
IGFET P-Ch Dep Labelled.svg IGFET N-Ch Dep Labelled.svg
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[edytuj | edytuj kod]

Inne typy tranzystorów to:

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[edytuj | edytuj kod]

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

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[8].

Przypisy

  1. Nazwa została wymyślona przez Johna Robinsona Pierce'a z laboratorium Bella w ramach ogłoszonego w maju 1949 konkursu wśród jego pracowników. David Morton. In His Own Words: John R. Pierce. „Proc. IEEE”. 90, s. 1467-1470, 2002. 
  2. J.E. Lilienfeld: patent USA 1745175 "Method and apparatus for controlling electric current" first filed in Canada on 22.10.1925.
  3. Michael Rriordan; How Europe Missed The Transistor; IEEE Spectrum, November 2005
  4. C. Mark Melliar-Smith, Douglas E. Haggan, and William W. Troutman; Key Steps to the Integrated Circuit; Bell Labs Technical Journal; Autumn 1997
  5. Witold Rosiński, Doświadczalne tranzystory ostrzowe Zakładu Elektroniki IPPT PAN, Przegląd Telekomunikacyjny, 7/1955
  6. Historia elektryki polskiej - TOM III, Elektronika i telekomunikacja, Wyd. N-T, Warszawa 1974
  7. Vademecum polskiego przemysłu elektronicznego, WKŁ, Warszawa 1964
  8. Buckled nanotubes make tiny transistors - 06 July 2001 - New Scientist

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]