tranzystor

tranzystor

[ang.],

przyrząd półprzewodnikowy o co najmniej 3 elektrodach mający właściwość wzmacniania sygnałów elektr., tj. stanowiący element czynny układów elektronicznych;

pełni funkcję wzmacniacza, przełącznika, detektora itp. Tranzystory dzieli się na: bipolarne i unipolarne (polowe).

Elementarna struktura tranzystora bipolarnego składa się z 3, wytworzonych w płytce półprzewodnika, warstw, kolejno n–p– n (tranzystor typu N) lub p– n–p (tranzystor typu P), stanowiących elektrody nazywane zgodnie z ich funkcjami: emiter E (ang. Emitter) — zwykle warstwa najsilniej domieszkowana, dostarczająca mniejszościowych nośników ładunku do bazy, baza B (ang. Base) — warstwa wspólna (podstawa), kolektor C (ang. Collector) — zbierający nośniki wstrzykiwane z emitera do bazy. Działanie tranzystora bipolarnego zależy od zjawisk związanych z ruchem obu rodzajów nośników ładunku — elektronów i dziur (w tranzystorze typu N — gł. elektronów, w tranzystorze typu P — gł. dziur) i polega na sterowaniu tym ruchem za pomocą napięcia doprowadzonego do elektrod tranzystora, oświetlenia jego struktury itp. (zmiany tych wielkości powodują zmianę właściwości złącz p–n, tworzących strukturę tranzystora). Podczas normalnej pracy tranzystora jego elektrody są połączone z zewn. źródłami prądu stałego w taki sposób, że złącze E–B jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze B–C — w kierunku zaporowym (wstecznym); powoduje to wstrzykiwanie nośników większościowych w obszarze emitera (elektronów w tranzystorze typu N, dziur w tranzystorze typu P) do obszaru bazy (gdzie są one nośnikami mniejszościowymi) i ich przejście przez bazę (w wyniku dyfuzji i unoszenia) oraz przez spolaryzowane w kierunku zaporowym złącze B–C, w którym istniejące pole elektr., „wymiata” elektrony w stronę kolektora. Strumień nośników wstrzykiwanych z emitera do bazy stanowi prąd emitera I_E, strumień nośników odbieranych przez kolektor — prąd kolektora I_C, przy czym prąd I_C zależy od napięcia polaryzującego złącze E–B, a nie zależy od napięcia wywołującego polaryzację złącza B–C. Stosunek wartości obu prądów określa tzw. współczynnik wzmocnienia prądowego α = I_C/I_E — podstawowy parametr charakteryzujący tranzystor bipolarny, zwykle bliski jedności (zmiana prądu emitera powoduje podobnej wielkości zmianę prądu kolektora). Ze względu na dużo większą rezystancję spolaryzowanego w kierunku zaporowym złącza B–C niż złącza E–B, zmiany prądu I_E powodują znacznie większą zmianę napięcia na złączu B–C niż na złączu E–B, a zatem moc wydzielona na rezystorze obciążenia, włączonym w obwód wyjściowy, jest znacznie większa od mocy dostarczonej do obwodu wejściowego. Efekt ten jest najważniejszą właściwością tranzystora. Tranzystory bipolarne są ob. wytwarzane gł. z monokrystal. krzemu (tranzystory germanowe były powszechnie stosowane w początkowym okresie rozwoju elektroniki półprzewodnikowej, w latach 50. XX w.).

W tranzystorze unipolarnym, zw. też polowym FET (ang. Field Effect Transistor), obszary stanowiące elektrody noszą nazwy: źródło S (ang. Source), bramka G (ang. Gate), dren D (ang. Drain). Istota działania tranzystora unipolarnego polega na sterowaniu prądem płynącym między dwiema elektrodami: źródłem i drenem, w obszarze zw. kanałem, za pomocą zmian potencjału przyłożonego do trzeciej elektrody — bramki. Prąd ten jest strumieniem nośników jednego rodzaju — nośników większościowych (elektronów w tranzystorze o kanale typu n lub dziur w tranzystorze o kanale typu p), dostarczanych przez źródło i odbieranych przez dren. Tranzystory unipolarne można podzielić na złączowe JFET (ang. Junction FET), wytwarzane z półprzewodników monokrystal., i z izolowaną bramką IGFET (ang. Insulated Gate FET), wytwarzane zarówno z półprzewodników monokrystal., jak i polikrystalicznych. Do tranzystorów złączowych zalicza się tranzystory ze złączem p–n, tj. PNFET, wytwarzane gł. z krzemu, i tranzystory ze złączem metal–półprzewodnik, tj. MESFET (ang. Metal–Semiconductor FET), wytwarzane z krzemu i arsenku galu (elementy mikrofalowe). Do tranzystorów z izolowaną bramką zalicza się tranzystory, których podstawową strukturą są warstwy metal–izolator–półprzewodnik, tj. MISFET (ang. Metal–Insulator–Semiconductor FET) lub MOSFET (ang. Metal–Oxide–Semiconductor FET), wytwarzane gł. z krzemu, oraz tranzystory polowe cienkowarstwowe, tj. TFT (ang. Thin Film Transistor), wytwarzane gł. z fosforku indu i siarczku kadmu. Wyróżniającą cechą tranzystorów unipolarnych jest bardzo wielka rezystancja wejściowa, określona rezystancją warstwy izolatora w tranzystorach z izolowaną bramką lub rezystancją zaporowo polaryzowanego złącza p–n (bądź m–s) w tranzystorze złączowym.

Tranzystor może być elementem indywidualnym (dyskretnym), tj. w oddzielnej obudowie, lub częścią monolitycznego układu scalonego. Tranzystory indywidualne są montowane w obudowach spełniających określone wymagania (np. co do odprowadzania ciepła, ekranowania); pod względem cech użytkowych dzieli się je na tranzystory: małej i dużej mocy, małej i wielkiej częst., impulsowe, mikrofalowe, wysokonapięciowe (klasyfikacja ta jest stosowana w katalogach elementów elektronicznych).

Wynalazku tranzystora dokonali J. Bardeen, W.H. Brattain (1948) i W. Shockley (1949), za co 1956 otrzymali Nagrodę Nobla. Opracowany przez nich tranzystor ostrzowy nie miał dużego znaczenia praktycznego, ale zapoczątkował „erę tranzystorową” w elektronice. Pierwszym udanym technologicznie wyrobem był oprac. w kilka lat później tranzystor warstwowy (stopowy). Od tego czasu powstało wiele różnych konstrukcji tranzystora.

Tranzystor, schematy struktur