Tranzisztor

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Az első tranzisztor

A tranzisztor kémiailag eltérő adalékolású rétegekből álló félvezetőeszköz, amelynek jellemző felhasználásai az elektromos jelerősítés, jelek ki-be 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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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. A germánium olvadáspontja 937 °C, így gyártása egyszerűbb volt, mint a szilíciumé, aminek olvadáspontja 1412 °C.

Az első megépített tranzisztort germánium és aranylemez összepréseléséből hozta létre Walter Brattain 1947. december 24-én.[1] 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 később 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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Szennyezett félvezetőből, manapság leginkább szilíciumból készített 3-kivezetésű elektronikai alkatrész. A bipoláris név onnan ered, hogy két, elektromosan szétválasztott (vagyis polarizált) réteggel rendelkezik (P-N és N-P). Működése során mindkét típusú töltéshordozó, az elektronok és lyukak is szerepet játszanak. Erősítőkben, szabályzó és kapcsoló áramkörökben használják.

Felépítése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Tranzisztor kristályának felépítése

Egy félvezető egykristályban kialakított három, eltérően adalékolt tartományból 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 kollektornak (C), illetve emitternek (E) nevezik, a középső réteget bázisnak (B) hívják. A félvezető rétegek két (egymással szembefordított) p-n átmenetet alkotnak, ezeket emitter- ill. kollektordiódának 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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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. 0,2 V, szilíciumtranzisztor esetén kb. 0,6 V 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. 0,2 V, Si: kb. 0,6 V), 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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Alapk.JPG

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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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:
Földelt emitteres mérő.JPG

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
Ibe-ube.JPG

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

Uce1<Uce2<Uce3

  • Kimeneti karakterisztika
Ic-uce.JPG

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
Ic-ib.JPG

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

4negyed.JPG

A „ h ” paraméterek és a karakterisztikák kapcsolata[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 (UCE max) – A tranzisztor kikapcsolt állapotában megengedhető kollektor–emitter feszültség, amelyet károsodás nélkül még elvisel.
  • Áramerősítési tényező ß˙´ – h21e 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 (ICE max) – A kollektor és az emitter között megengedhető áram, vagyis a tranzisztor által kapcsolható legnagyobb áram.
  • Veszteségi teljesítmény (Ptot) – A tranzisztoron hővé alakuló teljesítmény maximuma.
  • Az erősítés határfrekvenciái:
    • fß a |ß|=ß0/sqr(2) áramerősítéshez tartozó határfrekvencia
    • f1 a ß=1 áramerősítéshez tartozó határfrekvencia
    • ft tranzit-határfrekvencia

Unipoláris térvezérlésű tranzisztorok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 kapuelektródán 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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A jövő[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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.[2] 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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Kapcsolódó szócikk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. John Orton: The Story of Semiconductors, Oxford University Press, 2006, ISBN 978 0 19 853083 1
  2. Jönnek az átlátszó tranzisztorok 2004

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Riordan, Hoddeson: Crystal Fire, 1997
Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Tranzisztor témájú médiaállományokat.