Tranzistor: co to je, princip fungování, typy

Tranzistor (Česky tranzistor) neboli polovodičová trioda je elektronické zařízení, které umožňuje řídit proud tekoucí v elektrickém obvodu. Vytvoření tranzistoru je právem považováno za jeden z největších úspěchů vědeckého a technického myšlení dvacátého století, který radikálně změnil svět. Byla oceněna Nobelovou cenou za fyziku, udělenou v roce 1956 Američanům Johnu Bardeenovi, Walteru Brattainovi a Williamu Shockleymu [1].

Prototyp bodového tranzistoru Bardeen a Brattain

Název pochází ze dvou anglických slov – transfer (přenášet) a rezistor (odpor), což lze doslovně přeložit jako „přechodový odpor“, i když pro pochopení principu činnosti zařízení v elektrickém obvodu je vhodnější použít sémantický překlad „nastavitelný odpor“.

Tranzistory se používají v elektronických obvodech určených k zesilování, generování a převádění elektrických signálů. Tranzistory v provozním režimu „elektronický klíč“ jsou hlavními součástmi široce používaných digitálních integrovaných obvodů.

Vlastnosti polovodičů

Vynález tranzistoru, stejně jako vytvoření celé moderní elementové základny elektronických zařízení, začal po objevu materiálů, které z hlediska měrné vodivosti zaujímají mezilehlou polohu mezi vodiči a dielektriky [2], a byly tzv. polovodiče. Mezi polovodiče patří mnoho chemických prvků (germanium, křemík, selen, telur, arsen a další), obrovské množství slitin a chemických sloučenin.

Kromě toho lze vodivé vlastnosti polovodičů řídit přidáním určitých nečistot do základního materiálu a vytvořením tzv. vodivosti nečistot.

Existují dva typy nečistot: donor a akceptor [3]:

• Donorová nečistota je nečistota, která snadno daruje své elektrony jako volné vodivé elektrony. K tomu dochází, když je počet valenčních elektronů nečistoty přidané do čistého polovodiče větší než počet valenčních elektronů samotného polovodiče, takže u polovodičů s donorovou nečistotou jsou hlavními nosiči náboje elektrony. Podobné polovodiče se nazývají polovodiče n-typ (n– negativní) [3].

• Nečistota se nazývá akceptor, když počet valenčních elektronů nečistoty je menší než počet valenčních elektronů samotného polovodiče, proto jsou u polovodičů s akceptorovou nečistotou hlavními nosiči náboje díry. („Díra“ se vytvoří v atomu, který „ztratil“ elektron. Termín se ustálil a stal se oficiálním). Polovodiče, ve kterých jsou hlavními nosiči náboje díry, se nazývají polovodiče р-typ (р – pozitivní) [3].

Spojení elektron-díra (pn přechod)

Schematický obrázek р–n-přechod s rozložením nosičů náboje

Pokud se vytvoří hraniční kontakt mezi dvěma polovodiči s různými typy vodivosti, pak hlavními proudovými nosiči jsou díry v р-oblasti a volné elektrony v n-regiony – difundují z jednoho regionu do druhého. Kvůli rekombinaci (vzájemné neutralizaci nábojů) elektronů a děr mezi oblastmi р и n vytvoří se tenká vrstva polovodiče, ochuzená o nosiče náboje – р–n přechod. V zóně р–n přechodu se objeví elektrické pole nasměrované z n– oblasti do p-region a zabraňující další difúzi děr a elektronů. Vzniká tzv. potenciální bariéra.

Pokud k р-oblast připojte záporný pól zdroje stejnosměrného napětí ak n-region je kladný, pak se potenciální bariéra zvýší o velikost použitého napětí a většina proudových nosičů nebude schopna projít р–n přechod. Pokud naopak, k р-připojit pozitivní oblast a do n-region záporný pól zdroje, pak se potenciálová bariéra sníží a hlavní proudové nosiče budou moci projít р–n přechod [4] .

Tedy hlavní vlastnost р–n Přechod je jednosměrný.

Historie vzniku tranzistoru

Klíčem k vytvoření tranzistoru bylo další studium procesu mobility elektronů v polovodiči. Bylo jasné, že pokud by se našel způsob, jak řídit tok elektronů mezi nimi р и n póly, pak můžete postavit zesilovač. Navrhl se třetí kontakt, zabudovaný do bodu (oddělené zóny) mezi póly, který by mohl řídit vodivost zařízení jako řídicí mřížka elektrické vakuové (trubkové) triody.

V roce 1923 sovětský inženýr Oleg Losev zjistil, že speciální režim činnosti bodového krystalového detektoru, což je krystal polovodiče, na kterém spočívá tenký kovový drát, zajišťuje zesílení signálu (Losevův cristadin) [5]. Tento objev se však používal jen zřídka, hlavně mezi radioamatéry, protože bod kontaktu mezi drátem a krystalem bylo nutné najít experimentálně a zisk nebyl konstantní hodnotou.

Ve 1930. letech 6. století první známý pokus o vytvoření krystalového zesilovače učinil německý fyzik Julius Lilienfeld, který si svůj přístroj nechal patentovat [XNUMX]; ve stejných letech vytvořili německý vědec Oskar Heil a německý fyzik Robert Pohl pracovní vzorky krystalových zesilovačů, ale nedokázali postavit stabilní provozní zařízení, protože v té době nebyl dostatek čistých materiálů a technologií pro jejich zpracování.

Schematické znázornění návrhu bodového tranzistoru

Bardeen, Shockley a Brattain v laboratoři Zvon, rok 1948

16. prosince 1947 experimentální fyzik Walter Brattain a teoretický fyzik John Bardeen, kteří pracovali na kampani Zvonové laboratoře, sestavil první operační bodový tranzistor s napěťovým ziskem 15 a výkonovým ziskem 1,3 [7].

Paralela k Zvonové laboratoře bodový tranzistor zvaný „tranzitron“ vytvořili němečtí fyzikové Herbert Mathare a Heinrich Welker v pařížské pobočce společnosti. Westinghouse s podporou francouzské vlády. Patent na toto zařízení byl vydán šest měsíců po patentu Bardeena a Brattaina.

Výroba bodových tranzistorů však byla náročná na výrobu a provázely ji velké závady. Byly nahrazeny tranzistory s planárním bipolárním přechodem, které měly mnohem lepší vlastnosti [7] a následně vznikly tranzistory s efektem pole, které se začaly široce používat.

Planární bipolární tranzistor

V lednu 1948 vynalezl americký fyzik William Shockley planární dvoupřechod p–n–p tranzistor, a pak dovedl svůj vynález k vědecké teorii, která vysvětlila jeho fungování [8] ; 30. června 1948 v kanceláři v New Yorku Zvonové laboratoře vynález byl poprvé předveden vedení společnosti [1].

Shockley se zamyslel nad nashromážděnými zkušenostmi a nově se podíval na bodové a planární polovodičové diody. Vzhledem k tomu, že bodový tranzistor se skládá ze dvou těsně umístěných bodových diod, provedl Shockley teoretickou studii dvojice blízko sebe umístěných planárních diod a vytvořil základ pro teorii planárního bipolárního tranzistoru v polovodičovém krystalu obsahujícím dvě р–n-přechod. Základem výroby bipolárního tranzistoru je udělat střední vrstvu, základnu, co nejtenčí bez zkratování vnějších vrstev. Jeden z р-oblasti v takovém tranzistoru jsou generátorem nosičů náboje, které tvoří provozní proud, nazývá se emitor;emitor – emitor), druhý р– oblast se nazývá kolektor (angl.sběratel – sběratel), střední, kontrola n-region představuje bázi tranzistoru.

Namísto kovových bodových kontaktů tedy tranzistor používá dva hraniční rovinné (planární) kontakty. p–n и n–p oblast [9]. Princip činnosti bipolárního tranzistoru je založen na regulaci proudu tekoucího mezi emitorem a kolektorem, proudu báze a přenos náboje je prováděn opačně polárními nosiči – elektrony a dírami [10].

Pokud jde o typy vodivosti (p nebo n) Vrstvy emitoru a kolektoru nejsou rozlišitelné, ale při výrobě se výrazně liší stupněm dotování, což umožňuje zlepšit elektrické parametry zařízení. Kolektorová vrstva je lehce dotována, což zvyšuje přípustné napětí kolektoru, vrstva emitoru je silně dotována. Základní vrstva je také lehce dopována, protože se nachází mezi vrstvou emitoru a kolektoru a musí mít vysoký elektrický odpor.

Pokud dopujete vnější vrstvy a základnu reverzními typy nečistot, tranzistor bude mít strukturu n–p–n. Princip činnosti zařízení a názvy vrstev se nemění, polarita připojení elektrod v obvodu se nemění. Tranzistory se strukturou p–n–p se nazývají tranzistory s přímým vedením, zatímco tranzistory se strukturou npn se nazývají reverzní tranzistory.

Schematické znázornění vrstev v planárních pnp a npn tranzistorech