Tranzystor

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Tranzystor
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]

Information icon.svg 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]

Information icon.svg 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]

Wikimedia Commons
WiktionaryPl nodesc.svg
Zobacz hasło tranzystor w Wikisłowniku