Tranzisztor

Az első tranzisztor

A tranzisztor kémiailag eltérő adalékolású rétegekből álló félvezetőeszköz, amelynek jellemző felhasználásai az elektromos jelerősítés, jelek kapcsolása, feszültségstabilizálás vagy jelmoduláció.

A tranzisztor elnevezés az angol transfer-resistor (kb. „átengedés-ellenállás”) szavakból képzett mozaikszó. Tranzisztorokat gyártanak különálló alkatrészként és integrált áramkörök alkotóelemeiként is.

Az első tranzisztor létrehozása

A tranzisztor kifejlesztését a Lucent Technologies kutatóintézetében, a Bell Laboratóriumban végezték el. A laboratóriumban három kutató (Walter Brattain, John Bardeen, William Shockley) 1934 óta kísérletezett különféle anyagokkal, amelyek kutatása során két olyan anyagot találtak, amelyek félvezető tulajdonságot mutattak. Ez a két anyag a germánium és a szilícium volt. Az első megépített tranzisztort germánium és aranylemez összepréseléséből hozta létre Walter Brattain 1947. december 23-án. Ezt az első tranzisztort kísérletképpen egy korabeli csöves erősítő egyik elektroncsövének helyébe építették be, amelyet elsőként a vezetőség öt tagja előtt mutattak be, akik megbizonyosodhattak az új alkatrész működőképességéről. Az új eszközt 1948. június 17-én szabadalmaztatták. A tranzisztor nevet a távközlési részleg vezetője, John Pierce adta az alkatrésznek. A tranzisztor létrehozása kezdetben nem vert fel nagy port, lassan ment át a köztudatba, de végül alapjaiban átalakította az elektronikai ipart. Walter Brattain, John Bardeen és William Shockley munkásságát később elismerték, és 1956-ban mindhárman Nobel-díjat kaptak találmányukért.

Tranzisztor és az elektronika fejlődése

Az 1950-es évekig aktív erősítő alkatrészként csak az elektroncsövek (vákuumcső) használata volt lehetséges. A csövek hátránya volt a nagy méretük és a katódfűtés miatti nagy fogyasztásuk. A megbízhatóságuk is gyenge volt. A legrégebbi elektronikus számítógépek, amelyek szoba méretűek voltak, több ezer csövet tartalmaztak. A csöveket szinte folyamatosan cserélni kellett bennük, emiatt egy hosszadalmas számítást szinte lehetetlen volt velük elvégeztetni. A tranzisztor megjelenése gyorsan kiszorította az elavult csöveket. Hatására a számítógépek megbízhatósága rohamosan javult, és az áramszükségletük is a töredéke lett a korábbiaknak. A tranzisztor a tömeges elterjedését a szórakoztató elektronikának köszönhette. A mindenki számára elérhető rádiót hatalmas mennyiségben gyártották. Ezek korábban a fakávába épített elektroncsöves elektronika méretei miatt kisebb bútor nagyságúak voltak. Amikor a tranzisztor felváltotta a csöveket, a méretek kezdetben egy női táska nagyságúra csökkentek, és tovább zsugorodtak. Így jöttek létre a táska-, majd a zsebrádiók. A tranzisztorok által kiváltott méret- és súlycsökkentés több új iparág fejlődését is elősegítette, például az űrhajózásét. Eleinte a híradástechnikában a nagy újítás nem a kis méret (hiszen léteztek szubminiatűr elektroncsövek is) hanem az, hogy nem kellett a csöveknél megszokott, percekig tartó bemelegedési időt kivárni.

A tranzisztorok elterjedését eleinte nehezítette, hogy azonos feladat ellátására általában több tranzisztor volt szükséges, mint elektroncső. Például egy néprádió 4 elektroncsővel (3+1) épült fel, míg egy zsebrádió 7 vagy 9 tranzisztorból állt.

Bipoláris tranzisztor

Félvezető anyagból, félvezetőből, manapság leginkább szilíciumból készített 3-kivezetésű elektronikai alkatrész. Bipoláris, működése során mindkét típusú töltéshordozó, az elektronok és lyukak is szerepet játszanak. Erősítőkben, szabályzó és kapcsoló áramkörökben használják.

Felépítése

Tranzisztor kristályának felépítése

Egy félvezető egykristályban kialakított három, eltérően adalékolt tartomány-ból áll. Az NPN-tranzisztor esetén két N-típusú tartomány között egy vékony P-típusú réteg van, PNP-tranzisztor esetén pedig két P-típusú réteg közé kerül egy vékony N-típusú tartomány. A két szélső réteget kollektor-nak (C), illetve emitter-nek (E) nevezik, a középső réteget bázis-nak (B) hívják. A félvezető rétegek két (egymással szembefordított) p-n átmenetet alkotnak, ezeket emitter- ill. kollektor diódának nevezik. Minden réteg kivezetéssel van ellátva. A bázis jóval vékonyabb, mint a másik két réteg. A tranzisztor három rétege sokszor a félvezető kristálynak csak a felső vékony rétegét foglalja el. A kristály alsó része mechanikusan tartja a rétegeket.

A félvezető kristály kialakítása nem szimmetrikus, ezért a kollektor és az emitter kivezetés nem cserélhető fel.

Működése

A működő (nyitott) tranzisztor emitterdiódája nyitóirányban (azaz a "P" réteg pozitívabb az "N" rétegnél), kollektordiódája záróirányban (azaz a "P" réteg negatívabb az "N" rétegnél) van előfeszítve. Ez azt jelenti, hogy a PNP tranzisztor emittere mindig pozitív, az NPN tranzisztor emittere mindig negatív feszültséget kap a kollektorhoz képest (a bázis feszültsége pedig e két feszültség közötti értékű; a nyitott emitterdiódán germániumtranzisztornál kb. 0,2V, szilíciumtranzisztor esetén kb. 0,6V feszültség esik).

A nyitott emitterdiódán az emitter és bázis közé kapcsolt feszültségtől függő áram folyik, az emitterből a bázisba kerülő töltések zöme azonban (a kialakuló töltésviszonyok miatt) a kollektoron át távozik, a bázisáram csekély. A kollektoráram és a bázis egyenáram viszonyát B-vel (h21E) jelölik, ez a tranzisztor áramerősítése (szokásos értéke 10...1000). (A kisjelű áramerősítési tényező, ß (h21e) pedig a kollektor- és bázis váltakozóáram hányadosa, értéke B-hez hasonló.)

Tranzisztor kristályában működő diffúziós folyamatok

A tranzisztor két működési módja: analóg (erősítő) vagy kapcsoló.

Analóg (kisjelű) üzemben a bázisáram változtatásával (ami a bázis és emitter közé kapcsolt nyitófeszültség kis mértékű változtatását is jelenti) elérik, hogy a kollektoráram annak ß-szorosával változzon: így hasznosítható a tranzisztor áramerősítése.

Kapcsoló üzemben a kollektor szakadásként viselkedik, nem folyik rajta áram, ha az emitterdiódát nem nyitják ki, azaz a rákapcsolt feszültség kisebb a szükséges nyitófeszültségnél (Ge: kb. 0,2V, Si: kb. 0,6V), ekkor a bázisáram is 0. Ha az említett nyitófeszültséget az emitterdiódára kapcsolják, bázisáram indul meg, a tranzisztor kollektorán ennek B-szerese folyhat. Így a bázis-emitter közé kapcsolt feszültség változtatásával a tranzisztor kollektorárama be/kikapcsolható.

bipoláris tranzisztor

Alapkapcsolásai

A tranzisztort négypólusként kezelhetjük, ha három kivezetése közül egyet közösítünk. A bemenet és a kimenet közös pontja földpont. Így váltakozó áramú szempontból három alapkapcsolást különböztetünk meg: közös (vagy földelt) emitteres, közös kollektoros, közös bázisú.

A tranzisztor működéséhez nyitóirányú bázis-emitter feszültséget (szilícium esetén kb. 0,6 V) kell biztosítani. A kollektor-bázis átmenet előfeszítése záró irányú legyen. Az egyenfeszültségek és egyenáramok a tranzisztor működési állapotának, a munkapontnak az adatai. A munkapont körüli változások jelentik a váltakozó áramú működést. Működés közben egyenáramú és rá szuperponálódott váltakozó áramú mennyiségek mérhetők.

Jelleggörbéi

Mivel a tranzisztort négypólusként kell kezelnünk be/ki menete nem kezelhető egymástól függetlenül. A vizsgált mennyiségeket jelleggörbéken ábrázoljuk, melyeket a nem vizsgált pontokkal paraméterezzük. Emiatt a jelleggörbék jelleggörbe seregek.

• A bipoláris tranzisztor karakterisztikái földelt emitteres alapkapcsolásban:

A karakterisztikákat a négy pólus jellegének megfelelően, mindig két mennyiség között vesszük fel úgy, hogy a többi mennyiséget állandó értéken tartjuk. Ezeket változtatva más karakterisztikákat kapunk. A négypólusra jellemzően a be/ki meneti és transzfer karakterisztikákat vizsgálhatunk. A karakterisztikákat egyenáramú mérésekkel vesszük fel, ezért a paraméter mennyiségeket állandó értékűnek választjuk.

• Bemeneti karakterisztika

A tranzisztor bemenete a bázis-emitter dióda, a bemeneti karakterisztika tehát egy nyitóirányú dióda karakterisztikája.

Uce1<Uce2<Uce3

• Kimeneti karakterisztika

A kimeneti karakterisztikát a kollektor-bázis záróirányú dióda határozza meg. A telítődő jellegű közel vízszintes karakterisztika vonalak hasonlóak a záróirányú karakterisztikához, csak sokkal nagyobb áramértéken. Minden egye karakterisztika vonalat a hozzá tartozó bázisáram paraméterez.

• Transzfer karakterisztika

A be / kimenet kölcsönhatásait a be / kimeneti transzfer karakterisztikák határozzák meg. Mivel a tranzisztort a bázisárammal vezéreljük, mely meghatározza a kollektoráramot és a transzfer karakterisztikát is, az áramokra adjuk meg.

A másik transzfer karakterisztika a kimeneti feszültség visszahatása a bemenetre. Ez a hatás korszerű tranzisztoroknál elhanyagolható.

• A tranzisztor négynegyedes karakterisztikája

A „ h ” paraméterek és a karakterisztikák kapcsolata

A karakterisztikák szerkesztése és kiszámítási módja hasonló, ezért a karakterisztikákból kiszerkeszthetők azok a mennyiségek, melyek a tranzisztor paramétereinek felelnek meg leggyakrabban a „h” paraméteres leírásmódot használjuk. A paramétereket az adott munkapont körül delta megváltozásra szerkesztjük ki. A karakterisztikából kiszerkesztve a megváltozásokra kapunk összefüggéseket. A delta mennyiségek kijelölésével a karakterisztikákat linearizálhatjuk a kapott paraméterek lineáris közelítés eredményei. A delta mennyiséggel egy húrt jelölünk ki, mellyel közelítjük a függvényt. Minél kisebb a delta annál kisebb a közelítés hibája. Határesetben az érintőhöz közelítünk.

• Jelleggörbék FB alapkapcsolásban.

A tranzisztor jelleggörbéit meghatározhatjuk úgy is, hogy bemenetként az emittert, kimenetként a kollektort választjuk.

Ie = Ib(1+B) A bemeneti karakterisztika jellege megmarad (BE dióda), de az áram az FE -nek (1 + B) szerese.

A tranzisztor jellemző adatai

Egy tranzisztor alkalmazásához ismernünk kell jellemző üzemi adatait és határértékeit. Különböző alkalmazásokban más - más jellemzők lehetnek fontosak.

• A tranzisztor egyenáramú határadatai:

Ucemax ; Ubemax ; Idmax ; Pdmax

• Maradékáramok és maradékfeszültségek :

Icb0 ; Ice0 ;

A maradékáramok ismerete azért fontos, mert összemérhető a vezérlőárammal vagy azért, mert ennél kisebb áramot nem tudunk elérni. A maradékfeszültség pedig megadja, hogy a teljesen kinyitott tranzisztoron mekkora feszültség mérhető.

• Váltakozó áramú jellemzők
• Alacsony frekvencia esetben „h” paraméterekkel
• Nagyfrekvencia esetén „y” paraméterekkel adjuk meg a jellemzőket.
• A tranzisztor kapacitásai

A tranzisztor működési frekvenciatartományát határozzák meg. A kapacitások a határrétegek töltéstároló képessége miatt alakulnak ki. Határfrekvenciák : A tranzisztor jellemzői frekvenciafüggőek. Jellemző határfrekvencia az a frekvencia, ahol a ß = 1 lesz. Más esetben határfrekvenciaként azt az értéket adjuk meg, ahol egy adott mennyiség gyök ketted részére csökken.

• A tranzisztor hőtani jellemzői :

A tranzisztor kialakítása attól függ, hogy milyen teljesítményű alkalmazásra szánjuk. Meghatározó a lapka és a ház, valamint a ház és a környezet közötti hővezetési ellenállás.

• Hőmérséklet hatása a tranzisztorra :

A határrétegek viselkedése hőmérsékletfüggő ez megjelenik a tranzisztor működésében is. A hőmérséklet növekedésével a bemeneti karakterisztika az áramtengely felé tolódik, ami azt jelenti, hogy ugyanakkora áramhoz kisebb nyitófeszültség tartozik. A csökkenés 2mV/C . A kimeneti karakterisztika felfelé tolódik el azaz ugyanakkora UCE-hez és bázisáramhoz nagyobb kollektoráram tartozik.

Tranzisztorparaméterek

A tranzisztorparaméterek a tranzisztor típusára jellemző értékek, katalógus adatok. E jellemzők értékétől függ, hogy az adott tranzisztort milyen célra lehet felhasználni.

• Maximális kollektor–emitter feszültség (U_{CE max}) – A tranzisztor kikapcsolt állapotában megengedhető kollektor–emitter feszültség, amelyet károsodás nélkül még elvisel.
• Áramerősítési tényező ß˙´ – h_21e néven is szokták emlegetni. Az áramerősítési tényező egy szorzószám, amely megmondja, hogy a bázisáram hányszorosa a kollektor és emitter közötti áram.

${h_{\rm 21e}}=\frac{i_{\rm C}}{i_{\rm B}}$,

• Maximális kollektor–emitter áram (I_{CE max}) – A kollektor és az emitter között megengedhető áram, vagyis a tranzisztor által kapcsolható legnagyobb áram.
• Veszteségi teljesítmény (P_tot) – A tranzisztoron hővé alakuló teljesítmény maximuma.

• Az erősítés határfrekvenciái:
  • f_ß a |ß|=ß₀/sqr(2) áramerősítéshez tartozó határfrekvencia
  • f₁ a ß=1 áramerősítéshez tartozó határfrekvencia
  • f_t tranzit-határfrekvencia

Unipoláris térvezérlésű tranzisztorok

Unipolárisnak nevezzük azokat a tranzisztorokat, melyek működésében egynemű töltéshordozók vesznek részt. A térvezérlés az elektromos térerősségre utal, a Gate elektródára kapcsolt feszültség vezérli a tranzisztor áramát.

Záróréteges térvezérlésű tranzisztor vagy jFET

junction Field Effect Transistor angol kifejezés kezdőbetűiből kialakult mozaikszó egy kis teljesítményű 3-kivezetésű elektronikai alkatrészre utal.

Felépítése: A kisméretű gyengén adalékolt félvezetőkristály két oldalán ellentétes adalékolású vezérlő elektródákat alakítanak ki. A kivezetések elnevezése: Drain vagy nyelő, Gate vagy kapu, Source vagy forrás elektróda.

Szigetelőréteges térvezérlésű tranzisztor vagy MOSFET

MOSFET tranzisztor rajzjelei

A MOSFET (Metal Oxide Semiconductor, magyarul: fém-oxid félvezető) a belső rétegek sorrendjére (Field Effect Transistor, magyarul: térvezérlésű tranzisztor), a tranzisztor működési elvére utal. Az unipoláris tranzisztorok működésénél a többségi töltéshordózóknak van szerepe. A modern (mind analóg, mind digitális) integrált áramkörök döntő többsége növekményes MOS tranzisztorokból épül fel.

A töltéshordozók forrása a Source, a töltéseket a Drain nyeli el. A Drain és a Source adalékolása azonos típusú, az alapkristályé (Bulk vagy Substrate) ellentétes. A csatornán folyó áramot a kapuelektróda, a Gate vezérli. A Gate elektródát szigetelő réteg (általában szilícium-dioxid) választja el a csatornától. A vezérlőelektródán keresztül gyakorlatilag nem folyik áram, a tranzisztor árama a csatornában folyik. A negyedik az alapkristály (substrate) kivezetése, amely gyakran össze van kapcsolva a Source-szal.

Kétféle FET létezik. A „növekményes” vagy „önzáró” típus csatornáján csak akkor folyik áram, ha a Gate elektróda feszültséget kap. A „kiürítéses” vagy „önvezető” típus esetén a Gate-re kapcsolt feszültség a csatorna áramát csökkenti.

A növekményes MOS tranzisztorban nincsen csatorna-adalékolás. Ezekben az eszközökben a csatornát a Gate-re adott feszültség, a Gate tere hozza létre az inverzió jelensége révén. Egy n-csatornás növekményes MOS tranzisztorban a Source és a Drain n-típusú, a Bulk p-típusú. Ha a Gate-re pozitív feszültséget kapcsolunk (a Source-hoz képest), akkor a Bulkban lévő lyukakat az taszítani fogja. Ennek hatására egy kiürített réteg alakul ki a gate-oxid alatt. Ha tovább növeljük a feszültséget, akkor a Gate alatt elektronok gyűlnek össze, hiszen azokra vonzó hatással van a gate tere. Ez az összegyűlt töltés az inverziós töltés, amely a csatornát alkotja. Kialakulásával ohmos kapcsolatot létesít a Source és a Drain között, amivel lehetővé válik a vezetés. A tranzisztoron átfolyó áram nagysága ekkor a Drain-Source feszültségtől lineárisan függ – ez jellemző a MOS tranzisztorra a trióda tartományban. Ha a Drain-Source feszültség elegendően nagy, akkor a csatorna a Drain-nél elzáródik (hiszen ott a Gate-Drain feszültség már nem elég nagy ahhoz, hogy a csatornát képző inverziós töltést fenn tudja tartani). Ekkor a tranzisztor telítésbe kerül (szaturáció). Ilyenkor a Drain-Source feszültséget tovább növelve a tranzisztor árama már nem nő tovább (első közelítésben), tehát ekkor egy olyan eszközt kaptunk, aminek árama a rajta eső feszültségtől független – ez az áramforrás. A tranzisztor áramát a Gate-Source feszültséggel állíthatjuk be, amelytől az négyzetesen függ.

A kiürítéses típusú tranzisztorban adalékolással létre van hozva a csatorna, így az már zérus Gate-Source feszültségnél is vezet. Ebben az esetben a Gate terével nem kinyitjuk, hanem elzárjuk a tranzisztort, méghozzá úgy, hogy olyan polaritású feszültséget kapcsolunk az eszközre, hogy az a csatornában lévő töltéseket taszítsa, és így kiürüljön a csatorna.

A szigetelő oxidréteg átütési szilárdsága alacsony, mivel igen vékony a kiképzése, ezért a diszkrét MOS tranzisztort védeni kell az elektrosztatikus feszültségektől, amelyek tönkre tudják tenni az alkatrészt.

Egyéb tranzisztortípusok

• Fototranzisztor
• Gáztranzisztor

A jövő

Az Oregoni Állami Egyetem (OSU) és a Hewlett-Packard 2004-ben bejelentették, hogy az anyagok egy teljesen új csoportját kísérletezték ki közösen, amelyekből olcsó, stabil és környezetbarát tranzisztorok gyárthatók, melyek ráadásul átlátszóak [1]. A HP kutatólaboratóriumának igazgatója, Tim Weber szerint a felfedezés lehetővé teszi majd, hogy kijelzővé vagy szkennerré alakíthassanak majd bármilyen üvegfelületet, s ezzel „Pár olyan dolog, ami a hollywoodi produkciókban trükkfelvétel volt, hamarosan valósággá válik”.

Fényképek

• 

  Szilícium tranzisztorok fényképe

• 

  Germánium tranzisztorok fényképe

• 

  Szétszedett germánium tranzisztor. A kristályra tapadó vazelinszerű anyag kitölti a tokozást, ami a hűtést segíti.

• 

Források

• dr. Halász T., dr. Jurisits J., dr. Szűcs J.: Fizika 11-12 Szeged : Mozaik Kiadó, 2007. ISBN 978-963-697-466-4 (154.old)
• Kovács Csongor: Elektronikus áramkörök tankönyv : Generál Press Kiadó, 2005. ISBN 963-9076-32-5 (47, 64.old)