Tranzistor (polovodičová súčiastka)

Pôvod mena

V Bellových laboratóriách skúšali nájsť vhodné meno pre novoobjavenú súčiastku. Skúšali mená ako "polovodičová trióda", "pevná trióda", "kryštalická trióda" alebo "iotatrón", ale napokon sa ujal názov "tranzistor", navrhnutý John R. Pierceom. Tranzistor je skratka zo slov "transconductance" alebo "transfer" (z angl. prenos), a "resistor".

Tranzistory

Tranzistory

Ukážka rôznych typov tranzistorov

Tranzistor je polovodičová súčiastka, používaná ako zosilňovač, spínač, stabilizátor a modulátor elektrického napätia alebo prúdu.

Dejiny

Prvý zaznamenaný objav tranzistora je datovaný v roku 1947 a pochádza z Bellových laboratórií v USA. Za tento objav dostali jeho autori John Bardeen, Walter Houser Brattain a William Bradford Shockley v roku 1956 Nobelovu cenu za fyziku. Avšak prvé pokusy, pri ktorých Julius Edgar Lilienfeld náhodou spozoroval zosilnenie prúdu pri vhodnom kontakte rôznych kovov (základ dnešného unipolárneho tranzistora) sa udiali už v roku 1925. V roku 1930 si dal doktor Lilienfeld patentovať svoj koncept elektronickej súčiastky s použitím Al/Al2O3/Cu2S. Dnes ju poznáme pod pojmom „elektrickým poľom riadený tranzistor“. Prvý unipolárny tranzistor bol vyrobený až v roku 1960 po objavení MOS (metal-oxide-semiconductor) štruktúry v roku 1958. Bol zhotovený na kremíku s využitím izolačnej vrstvy z SiO₂. Pri dnešných technológiách nie je prekvapením integrácia na úrovni ~10⁸ tranzistorov na jednom čipe. Môžeme konštatovať, že od začiatku éry IO malej hustoty integrácie až do súčasnosti sa toto zmenšovanie „riadi“ Mooreovým zákonom, ktorý hovorí o dvojnásobnom zväčšení výkonu a až štvornásobnom zmenšení rozmerov integrovaných obvodov každé dva roky. V roku 2013 by mohli byť pri zachovaní súčasného trendu vyhotovené tranzistory s dĺžkou hradla len 13 nm, čo by napr. umožňovalo v jednej pamäti DRAM uchovať až 16 tera bitov.

Použitie

Úvod

Tranzistor je základným stavebným prvkom skoro každého dnešného elektronického zariadenia. Zdá sa, že pôvodnú elektrónku a relé úplne vytlačil (i keď ešte stále existujú i dnes elektrónkové aplikácie a spínacie zariadenia založené na relé). Tranzistor je základným stavebným prvkom integrovaných obvodov a dá sa povedať, že najviac vyrobených tranzistorov je v súčasnosti práve v nich.

Výhodou tranzistorov oproti elektrónkam je až 1000x vyšší prúd ktorý znesú - tranzistory až do kiloampérov zatialčo elektrónky tak 10 A. Ale na druhej strane elektrónky znesú vyššie pracovné napätie, rádovo až kilovolty (vo vysielačoch rozhoduje napätie).

Zapojenia

So spoločným emitorom -SE-

Zapojenie NPN tranzistora so spoločným emitorom

Najčastejsie zapojenie, používané hlavne pri spínacích zapojeniach. Špeciálne na veľké výkony, keď nerozhoduje rýchlosť:

• Nízkofrekvenčné zosilňovače na reproduktory
• Riadenie elektromotorčekov
• Zopnutie žiaroviek TTL alebo CMOS obvodmi

Menej vhodné na:

• VF a VVF aplikácie ako napr. predsosilňovače pri prijímačoch - nosnú priamo z antény

So spoločným kolektorom

Druhé najčastejšie zapojenie. Používa sa na zníženie výstupného odporu niečoho analógového, napr. operačného zosilňovača alebo koncového zolsiňovača pre reproduktory.

Sleduje vstupné napätie, so zosilnením cca. 0,9. Je to prakticky 1, len na výstupe sa odpočítava cca. 0,7 V kvôli diódovej charakteristike vstupu (To sa dá ale rôznymi trikmi eliminovať alebo výrazne zmenšiť).

Výstup sa tentokrát berie nie z kolektora, ale z emitora. Založený je princíp na tom, že tranzistor sa snaží držať rovnaké napätie na báze aj na emitore, lebo:

• keď je na emitore väčšia záťaž, tak z emitora je odoberaný väčší prúd ==> napätie na emitore klesá
• keď je na emitore menšie napätie ako na báze, tak je na báze väčšie napätie ako na emitore a cez bázu tečie potom väčší prúd do emitora a z emitora do záťaže
• na záťaži logicky potom rastie napätie a rozdiel medzi bázou a emitorom klesá ==> menší prúd do kolektora

Takže emitorový sledovač sa snaží držať na emitore rovnaké napätie ako na báze (mínus oných 0,7 V). Ako presne ho drží závisí od vstupného odporu záťaže a zosilnenia tranzistora.

Darlingtonove zapojenie

Zosilnenie tranzistora môžeme zväčšiť zapojením do darlingtona. Vtedy sa prúdové zosilnenia násobia:

h_fe1 x h_fe2

Pri takom obrovskom prúdovom zosinení môžeme slaboprúdovým obvodom (napr. jednočipový mikroprocesor) spínať veľké prúdy, lebo takto môžeme spojiť citlivý slaby tranzistor so silným výkonovým.

Nevýhoda je, že sa pri tomto sčítava bias, alebo necitlivosť a tiež fázový posun pri vyšších frekvenciách (~180° miesto ~90°), takže keď ho zaväzbíme, čo často treba, tak môže byť taký obvod nestabilný.

Dnes už nemá taký veľký zmysel pre spínacie aplikácie, lebo stačí zobrať výkonový NMOS tranzistor a ten má prúdové zosilnenie skoro nekonečno.

Pre analógové výkonové aplikácie má ale stále zmysel.

Spínač

Hlavnou ulohou spínača je zopnúť v určitom čase a za určitý čas nejaký el. obvod. Ich hlavnou prednosťou je čas zopnutia a rozopnutia - má byť čo najkratší rádovo jednotky ms u spínacích tranzistorov až jednotky us. Dalšou vlastnostou je spínací odpor. Má tiež byť čo najmenší v zopnutom stave a čo najväčší v rozopnutom. Dalšia dôležitá vlastnosť je spínací výkon P=Imax.(Rprech.)^2 alebo Imax.Uprech. Má byť menší ako výkon spínacieho prvku teda tranzistora. Najjednoduchšie použitie tranzistora je spínač. Tu sa používa takmer vždy zapojenie so spoločným emitorom pre vysoké výkonové zosilnenie.

Príklad

Napríklad chceme nejakým TTL obvodom (napr. blikačkou) zopnúť žiarovku, ktorá potrebuje prúd 20 mA. Bežný TTL obvod, ale dodá len 0,4 mA až 4 mA. Tu nastupuje tranzistor. Z katalógu vyberieme nejaký tranzistor, ktorý unesie tento prúd (a samozrejme aj napätie na našej žiarovke). Pri bipolárnom si pozrieme jeho zosilnenie (pri NMOS, napríklad rad IRF netreba, je totiž prakticky nekonečno). Tranzistory, ktoré znesú 1000 mA mávajú zosilnenie obyčajne 100 a viac. Zosilnenie, ktoré potrebujeme, je:

20 : 0,4 = 50

Čo je ešte v norme. Použijeme zapojenie so spoločným emitorom a privedieme výstup TTL na bázu tranzistora. Tu sa dá použiť ešte ochranný odpor, ale pre TTL to funguje aj bez neho. Žiarovku pripojíme jedným koncom na kolektor tranzistora a druhým na plus zdroja (Vcc).

Ak potrebujeme viac prúdu a zosilnenie je nato malé, tak použijeme darlingtonove zapojenie.

Zosilňovač

Pri zosilňovači volíme jedno z troch zapojení:

1. Spoločný emitor – keď potrebujeme veľký výkon ale frekvencia je malá (NF koncové zosilňovače). Obracia fázu o 180°.
2. Spoločná báza – potrebujeme zosilnenie napätia pri čo najvyššej frekvencii - napr. predzosilňovače pri rádioprijímačoch.
3. Spoločný kolektor – potrebujeme z nejakého výstupu odoberať viac prúdu ako znesie, vtedy dáme za tento výstup toto zapojenie. Neobracia fázu.

Tieto zapojenia sa osamote v málo ktorých aplikáciach používajú ako zosilnovače. Vždy tvoria jeden celok-zosilnovač (NF,VF) V prípadoch 1. a 2. potrebujeme nastaviť pracovný bod. Znamená to, že keď dáme pracovný bod na báze do 2 V, tak keď sa vstupné napätie mení od -0,1 V do +0,1 V, tak sa na báze tranzistora mení od 1,9 V do 2,1 V a na výstupe napr. od +1V do +7V. To preto, lebo pri 2 V na báze je na výstupe je 4 V.

Pracovný bod sa nastavuje lebo:

• V hraničných oblastiach prevodovej charakteristiky tranzistor nepracuje v linearnom režime preto sa pracovný bod nastavuje tam kde sa nachádza lin prevodová char.
• Zosilnenie tranzistora je najväčšie a nelinearita je najmenšia dosť vysoko nad 1 V.

Pracovný bod sa nastavuje:

• Deličom
• Biasom – buď odporom alebo diódami

Typy tranzistorov

Tranzistory môžeme rozlišovať na základe niekoľkých kategórií napr.:

• podľa materiálu na kremíkové, gálium-arzenidové, germániové,

najviac (~99%) sa dnes používajú kremíkové

• podľa vnútornej štruktúry na: bipolárne, JFET, MOSFET, atď…
• podľa polarity na: bipol. PNP: , bipol. NPN: , JFET P-kanálový: , JFET N-kanálový: ,

Mnemotechnická pomôcka: PNP - Poď Na Pivo - šípka ide dnu

Mnemotechnická pomôcka: NPN - Nechoď Pivo Nemajú - šípka ide von

• podľa výkonu nízkovýkonové, vysokovýkonové, ...
• podľa rýchlosti spínania na nízkovrekvenčné, vysokofrekvenčné,...
• podľa usporiadania kontaktov na laterálne (usporiadanie kontaktov v jednej rovine, z jednej strany substrátu) a vertikálne (napriklad u DMOS,Trench-MOS, IGBT, drainovy (kolektorovy) kontakt je zo spodnej strany substratu, emitor a hradlo z hornej strany substrátu). Vertikálne usporiadanie umožňuje väčšiu integráciu a vyššie prúdové zaťaženie.

Dynamické vlastnosti tranzistorov

Vlastnosti tranzistora sa dosť výrazne menia podľa pracovnej frekvencie. Pri návrhu vysokofrenkvenčných obvodov s tranzistormi musíme rátať:

• Zosilnenie je menšie ako pri malých frekvenciách
• Vstupný signál je rušený výstupnym signálom (hlavne pri zapojení so spoločným emitorom, pri spoločnej báze rádove menej). To je pri bipolárnych spôsovené kapacitou prechodu CB, keďže je to dióda v závernom smere a to je kondenzátor.

Základný údaj pre dynamiku tranzistora je tzv. tranzitívna frekvencia f_T. Je to frekvencia, pri ktorej je zosilnenie rovné 1.

Princíp bipolárneho tranzistora

Princíp je nasledovný (NPN):

Pri napätí medzi kolektorom a emitorom (Vcc na C a nula alebo mínus na E) je prechod BE priepustný a CB je nepriepustný. Takže medzi CE nemôže prejsť nijaký prúd, lebo otvorené musia byť obidva. V skutočnosti prechádza malý zvyškový prúd, ale ten je obyčajne rádovo v nanoampéroch.

Keď ale privedieme na B napätie a cez BE začne prechádzať prúd, tento vyplní P-časť elektrónmi a tento už nie je čistý P ale má odrazu aj N-nosiče (elektróny), ktoré vytvoria malú cestičku pre elektróny z kolektora. Tie sa začnú doslova hrnúť do bázy a tam sú už v priepustnom smere a letia do emitora. Tu hovoríme, že tranzistor sa začína otvárať.

Pri kremíkových tranzistoroch treba na otvorenie 0,5 V až 0,7 V na prechode BE. Pri germániových okolo 0,25 V.

Lenže teraz je v báze ešte viac elektrónov, ktoré túto cestičku ešte zväčšujú. To znamená ešte viac elektrónov ktoré unikajú z kolektora do bázy a toto celé sa opakuje a vzniká takto lavína. Po čase sa táto cestička (pri rovnakom prúde z bázy) prestane zväčšovať a prúd z kolektora zostane konštantný, ale stále mnohokrát väčší ako bázový – pomer C-prúdu a B-prúdu sa nazýva zosilnenie tranzistora. Toto zosilnenie sa môže meniť s bázovým prúdom(=nelinearita), ale výraznejšie len pri malých bázových prúdoch alebo naopak pri velmi veľkých (v saturačnej oblasti).

Keď prúd na báze vypneme, chvíľu ešte trvá, kým elektróny z bázy odtečú do emitora a cestička sa uzavrie. To preto, lebo elektróny z kolektora ešte chvíľu cestičku zásobujú. Toto uzavretie trvá podľa toho, aký široký je CB-prechod. Preto sú vysokovýkonové tranzistory pomalšie ako malovýkonové. Hlavne pri veľkých napätiach medzi CE.

Pri veľkých bázových prúdoch sa už báza správa ako N-polovodič, z tranzistora sa stane akoby jeden N-blok, t.j. úplne sa otvorí. Keď aj vtedy zvyšujeme bázový prúd, C-prúd sa už nezvyšuje, toto voláme saturácia. Saturovanému tranzistoru trvá dlhšie, kým sa vypne a preto sa pri VF obvodoch pridáva do tranzistora na CB-prechod paralelne tzv. antisaturačná dióda.

Pri plnom zopnutí je napätie na C oproti E skoro nulové, tzv. zvyškové napätie. To je ale len najviac milivolty. Hovoríme, že sme NPN pripli do nuly.

Pri PNP je to rovnaké, len musíme prehodiť plusové napätia za mínusové (nulové) a opačne.

Princíp FET tranzistora

MOSFET

N-kanál obohacovací

MOS N-kanál obohacovací, vypnutý

MOS N-kanál obohacovací, zapnutý

Ak máme substrát P a elektródy (S a D) N, medzi ktorými je P substrát, tak je tento tranzistor normálne nevodivý. Ale nad substrátom je elektróda G. Na tú keď privedieme kladné napätie, tak k nej pritiahneme elektróny a zo substrátu P sa v blízkosti elektródy vytvorí N. Tak vznikne medzi S a D most a tranzistor je otvorený.

Dôležitá je izolačná vrstva medzi hradlovou elektródou a substrátom.

Keď ale hradlo odpojíme, tento most ešte dlho ostane (rádove sekundy, pri diskrétnych výkonových ešte dlhšie). Keď ho chceme vypnúť, musíme hradlo pripnúť na nulu (alebo vyrovnať s D). Toto sa využívalo v niektorých pamätiach. Príčinou je kapacita medzi hradlom a S a D. Táto kapacita tiež obmedzuje rýchlosť spínania na tranzistore, lebo pri väčších frekv. sa samozrejme správa ako skrat.

Fototranzistor

Variantom tranzistora je fototranzistor, ktorý namiesto bázového vodiča využíva p-n prechod citlivý na svetlo. (V podstate každý bipolárny tranzistor by sa dal prerobiť na fototranzistor tým, že namiesto vodiča na bázu sa na púzdre vyrobí vhodné okienko s optikou, kde prúd svetla je nasmerovaný na príslušný p-n prechod.) Pozri tiež: fotodióda.

Pozri aj

• Polovodič
• Dióda
• MOSFET
• IGBT
• Tyristor
• Integrovaný obvod

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Tranzistor (polovodičová súčiastka)