Tranzystor


Tranzystor w encyklopedii

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania 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 transkonduktancja (transconductance) z „półprzewodnikowym” przyrostkiem -stor jak w warystor (varistor)[1].

Spis treści

Historia | 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 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 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 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 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 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 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 kod

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

Tranzystory bipolarne | 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 bazą i emiterem steruje większym prądem płynącym między kolektorem i emiterem.

Tranzystory unipolarne | edytuj kod

 Osobny artykuł: Tranzystor polowy.

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 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 kod

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 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 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 w Delft 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[8].

Zobacz też | edytuj kod

Przypisy | edytuj kod

  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. MichaelM. Rriordan MichaelM., How Europe Missed The Transistor, „IEEE Spectrum”, listopad 2005 .
  4. C. MarkC.M. Melliar-Smith C. MarkC.M., Douglas E.D.E. Haggan Douglas E.D.E., William W.W.W. Troutman William W.W.W., Key Steps to the Integrated Circuit, „Bell Labs Technical Journal”, jesień 1997 .
  5. WitoldW. Rosiński WitoldW., Doświadczalne tranzystory ostrzowe Zakładu Elektroniki IPPT PAN, „Przegląd Telekomunikacyjny” (7), 1955 .
  6. Historia elektryki polskiej – tom III, Elektronika i telekomunikacja, Warszawa: Wyd. N-T, 1974 .
  7. Vademecum polskiego przemysłu elektronicznego, Warszawa: WKŁ, 1964 .
  8. Buckled nanotubes make tiny transistors – 06 July 2001 – New Scientist
Kontrola autorytatywna (element półprzewodnikowy):
Na podstawie artykułu: "Tranzystor" pochodzącego z Wikipedii
OryginałEdytujHistoria i autorzy