Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Tranzystor
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
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 tranzystoraMOSFET[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 utlenianiapowierzchni 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
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 |
|
|
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 |
|
|
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[edytuj | edytuj kod]
Inne typy tranzystorów to:
Tranzystory dzieli się też ze względu na typy użytych półprzewodników:
Innym możliwym podziałem tranzystorów jest podział ze względu na materiał półprzewodnikowy z jakiego są wykonywane:
Ze względu na parametry tranzystory dzieli się na:
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].
Tranzystor bipolarny[edytuj]
Tranzystor bipolarny (dawniej: tranzystor warstwowy, tranzystor złączowy) to odmiana tranzystora, półprzewodnikowy element elektroniczny, mający zdolność wzmacniania sygnału. Zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa. Charakteryzuje się tym, że niewielki prąd płynący pomiędzy dwiema jego elektrodami (nazywanymi bazą i emiterem) steruje większym prądem płynącym między emiterem, a trzecią elektrodą (nazywaną kolektorem).
Spis treści
[ukryj]
Budowa[edytuj | edytuj kod]
|
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn |
Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp |
Tranzystor bipolarny składa się z trzech warstw półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa: p-n-p lub n-p-n (istnieją więc dwa rodzaje tranzystorów bipolarnych: pnp i npn). Poszczególne warstwy noszą nazwy:
W ten sposób tworzą się dwa złącza p-n: baza-emiter (nazywane krótko złączem emitera) oraz baza-kolektor (nazywane złączem kolektora).
Rozpływ prądów w tranzystorze npn
Zasada działania[edytuj | edytuj kod]
W normalnych warunkach pracy złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze baza-kolektor - w kierunku zaporowym. Napięcie baza-emiter powoduje przepływ (wstrzykiwanie) nośników większościowych emitera przez to złącze do bazy – (elektrony w tranzystorach npn lub dziury w tranzystorach pnp). Nośników przechodzących w przeciwną stronę, od bazy do emitera jest niewiele, ze względu na słabe domieszkowanie bazy. Nośniki wstrzyknięte z emitera do obszaru bazy dyfundują do obszarów mniejszej ich koncentracji w kierunku kolektora. Trafiają do obszaru złącza baza-kolektor, a tu na skutek pola elektrycznego w obszarze zubożonym są przyciągane do kolektora.
W rezultacie, po przyłożeniu do złącza emiterowego napięcia w kierunku przewodzenia, popłynie niewielki prąd między bazą a emiterem, umożliwiający przepływ dużego prądu między kolektorem a emiterem. Stosunek prądu kolektora do prądu bazy nazywany jest wzmocnieniem prądowym tranzystora i oznacza się grecką literą β.
Za sygnał sterujący prądem kolektora można uważać zarówno prąd bazy, jak i napięcie baza-emiter. Zależność między tymi dwiema wielkościami opisuje charakterystyka wejściowa tranzystora, będąca w zasadzie eksponencjalną charakterystyką złącza pn spolaryzowanego w kierunku przewodzenia.
Prąd bazy składa się z dwóch głównych składników: prądu rekombinacji i prądu wstrzykiwania. Prąd rekombinacji to prąd powstały z rekombinacji w bazie nośników wstrzykniętych z emitera do bazy z nośnikami komplementarnymi. Jest tym mniejszy im cieńsza i słabiej domieszkowana jest baza. Prąd wstrzykiwania jest to prąd złożony z nośników wstrzykniętych z bazy do emitera, jego wartość zależy od stosunku koncentracji domieszek w obszarze bazy i emitera.
Zastosowania[edytuj | edytuj kod]
Przykład tranzystora pracującego jako wzmacniacz
Przykład tranzystora pracującego jako przełącznik
W zależności od punktu pracy tranzystor może znajdować się w czterech stanach
Poszczególne stany tranzystora są wykorzystywane w różnych zastosowaniach.
Jako wzmacniacz[edytuj | edytuj kod]
Tranzystor pracujący w stanie aktywnym może być wykorzystany do budowy układu będącego wzmacniaczem natężenia prądu elektrycznego. Małe zmiany prądu elektrycznego płynącego w obwodzie bazy powodują duże zmiany prądu płynącego w obwodzie kolektora. W zależności od konstrukcji układu można uzyskać wzmocnienie prądu, napięcia lub obu tych wielkości.
Jako przełącznik[edytuj | edytuj kod]
Przy pracy tranzystora jako przełącznik wykorzystuje się przejście między stanem nasyconym (tranzystor włączony) a zatkanym (tranzystor wyłączony). Taki tryb pracy tranzystora jest stosowany w niektórych układach impulsowych oraz cyfrowych.
Układy pracy[edytuj | edytuj kod]
Schemat wzmacniacza napięcia zmiennego w układzie ze wspólnym emiterem
Schemat wzmacniacza napięcia zmiennego w układzie ze wspólną bazą
Schemat wtórnika emiterowego (układu ze wspólnym kolektorem)
Ze względu na sposób włączenia tranzystora do układu można wyróżnić trzy podstawowe układy jego pracy
Układ wspólnego emitera[edytuj | edytuj kod]
Osobny artykuł: Wspólny emiter.
Wzmacniane napięcie sygnału wejściowego podawane jest pomiędzy bazę a emiter tranzystora, natomiast sygnał po wzmocnieniu odbierany jest spomiędzy kolektora a emitera. Elektroda emiter jest więc niejako "wspólna" dla sygnałów wejściowego i wyjściowego – stąd nazwa układu.
Układ wspólnej bazy[edytuj | edytuj kod]
Osobny artykuł: Wspólna baza.
Wzmacniane napięcie sygnału wejściowego podawane jest pomiędzy bazę a emiter tranzystora, natomiast sygnał po wzmocnieniu odbierany jest spomiędzy bazy i kolektora.
Układ wspólnego kolektora[edytuj | edytuj kod]
Osobny artykuł: Wspólny kolektor.
Wzmacniane napięcie sygnału wejściowego podawane jest pomiędzy bazę a kolektor tranzystora, natomiast sygnał po wzmocnieniu odbierany jest spomiędzy kolektora i emitera. Wzmocnienie napięciowe tego układu jest bliskie jedności, wobec czego na wyjściu wzmacniacza otrzymuje się "powtórzone" napięcie z wejścia, stąd druga powszechnie używana nazwa takich wzmacniaczy – wtórnik emiterowy.
Porównanie właściwości układów pracy[edytuj | edytuj kod]
Porównanie właściwości poszczególnych układów pracy tranzystora bipolarnego przedstawia tabela:
|
Parametr |
wspólny kolektor |
wspólny emiter |
wspólna baza |
|
Rezystancja wejściowa |
Duża |
Średnia |
Mała |
|
Wzmocnienie napięciowe |
Równe jedności |
Duże |
Średnie |
|
Wzmocnienie prądowe |
Duże |
Średnie |
Mniejsze od jedności |
|
Rezystancja wyjściowa |
Mała |
Duża |
Duża |
Podział tranzystorów bipolarnych[edytuj | edytuj kod]
Oprócz podstawowego podziału określającego kolejność warstw półprzewodnika (pnp oraz npn) tranzystory bipolarne można podzielić:
Przy nazywaniu tranzystora poszczególne określenia są łączone, można zatem mówić, na przykład, o krzemowym tranzystorze epitaksjalno-planarnym wielkiej częstotliwości małej mocy.
Tranzystor polowy, tranzystor unipolarny, FET (ang. Field Effect Transistor) – tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego.
Spis treści
[ukryj]
Budowa[edytuj | edytuj kod]
Uproszczona budowa tranzystora JFET. S- źródło, G - bramka, D - dren, 1 - obszar zubożony, 2 - kanał
Zasadniczą częścią tranzystora polowego jest kryształ odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem (symbol S od ang. source, odpowiednik emitera w tranzystorze bipolarnym) i drenem (D, drain, odpowiednik kolektora). Pomiędzy nimi tworzy się tzw. kanał, którym płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia elektroda, zwana bramką (G, gate, odpowiednik bazy). W tranzystorach epiplanarnych, jak również w przypadku układów scalonych, w których wytwarza się wiele tranzystorów na wspólnym krysztale, wykorzystuje się jeszcze czwartą elektrodę, tzw. podłoże (B, bulk albo body), służącą do odpowiedniej polaryzacji podłoża.
Działanie[edytuj | edytuj kod]
Symbol tranzystora polowego MOSFET z kanałem N
Przyłożone do bramki napięcie wywołuje w krysztale dodatkowe pole elektryczne, które wpływa na rozkład nośników prądu w kanale. Skutkiem tego jest zmiana efektywnego przekroju kanału, co objawia się jako zmiana oporu dren-źródło.
W tranzystorach MOSFET z kanałem wzbogacanym gdy napięcie UGS między bramką G a źródłem S jest równe zeru, rezystancja kanału jest bardzo duża (rzędu megaomów). Mówi się wówczas, że kanał jest zatkany, ponieważ prąd dren-źródło ID praktycznie nie płynie. Po przekroczeniu pewnej wartości napięcia UGS kanał zaczyna się stopniowo otwierać i w obwodzie dren-źródło może płynąć prąd. Rezystancja między drenem D a źródłem S zmniejsza się ze wzrostem napięcia UGS, ale nie do zera, tylko do pewnej minimalnej wartości oznaczanej w katalogach jako RDSon. Wartość tej rezystancji zależy od maksymalnego napięcia UDS jakie jest w stanie wytrzymać tranzystor i wynosi od 0,07 Ω do 4,0 Ω. Generalnie tranzystory przeznaczone do pracy z mniejszymi napięciami mają niższą rezystancję RDSon[1]. Straty mocy w przewodzącym tranzystorze są proporcjonalne do prądu płynącego przez kanał zgodnie ze wzorem:
Gdy prąd płynący przez kanał osiągnie wartość maksymalną dla danego napięcia dren-źródło, mówi się, że kanał jest otwarty.
W zależności od typu półprzewodnika, w którym tworzony jest kanał, rozróżnia się:
Ze względu na budowę i sposób działania tranzystorów polowych, prąd bramki praktycznie nie płynie (jest rzędu mikro-, nanoamperów), dzięki temu elementy te charakteryzują się bardzo dużąrezystancją wejściową oraz dużą transkonduktancją.
Typy tranzystorów polowych[edytuj | edytuj kod]
Odpowiednio do zasady działania rozróżnia się dwa główne typy tranzystorów polowych: złączowe (JFET, Junction FET) oraz z izolowaną bramką (IGFET, ang. Insulated Gate FET).
Tranzystory polowe złączowe[edytuj | edytuj kod]
Osobny artykuł: Tranzystor polowy złączowy.
W tranzystorach tego typu bramka jest odizolowana od obszaru kanału złączem spolaryzowanym zaporowo. Ze względu na rodzaj złącza bramka-kanał rozróżnia się:
Tranzystory polowe z izolowaną bramką[edytuj | edytuj kod]
W tranzystorach tego typu bramka jest odizolowana od kanału warstwą dielektryka.
Tranzystory te posiadają przynajmniej trzy elektrody: źródło (S), bramkę (G) i dren (D), często mają również czwartą elektrodę: podłoże (B). Wykonuje się je głównie w układach scalonych, rzadziej natomiast jako elementy dyskretne – są to głównie tranzystory mocy, np. pracujące jako szybkie przełączniki w zasilaczach impulsowych. W przypadku konstrukcji układów scalonych CMOS może istnieć więcej niż jedna bramka, co występuje także w niektórych elementach dyskretnych, np. tranzystorze typu BF966.
Ze względu na technologię wykonania rozróżnia się tranzystory: