Pierwszy tranzystor. Zasadę budowy tranzystora przedstawiono na rysunku: E emiter B baza C kolektor

Transkrypt

1 W laboratoriach Bella w USA, kierowanych przez Bardeena i Brattaina, w 1947 roku wykonano pierwszy tranzystor z małego kawałka metalopodobnego pierwiastka chemicznego: germanu. Urządzenie doświadczalne wyglądało prymitywnie, ale mogło wzmacniać moc sygnału 100- krotnie. Wynalezienie tranzystora uważa się za przełom w elektronice, zastąpił on bowiem duże, zawodne lampy elektronowe, dając początek coraz większej miniaturyzacji przyrządów i urządzeń elektronicznych. Dzisiaj wszystkie komputery i urządzenia elektroniczne pracują na tej samej zasadzie. Pierwszy tranzystor Tranzystor ostrzowy o małych możliwościach zastosowań praktycznych) skonstruowali w 1948 roku J. Bardeen, W.H. Brattain (USA). A tranzystor warstwowy (bipolarny) w 1949 roku - W.B. Shockley (USA). Wynalezienie tranzystora uważane jest za początek rewolucji elektronicznej XX w. Opracowanie w latach 60. metody fotograficznego maskowania i warstwowego trawienia, umożliwiającej miniaturyzację tranzystora, spowodowało znaczne potanienie produkcji i w konsekwencji masowe wytwarzanie tranzystorów oraz, zawierających ich setki, tysiące, a nawet miliony, układów scalonych. W roku 2001 Holenderscy naukowcy z Uniwersytetu w Delft stworzyli tranzystor składający się z jednej cząsteczki! Rozmiar tego cudu miniaturyzacji wynosi zaledwie jeden nanometr (10-9 m), a do zmiany swojego stanu (włączony / wyłączony) potrzebuje on tylko jednego elektronu! Naukowcy przewidują, że ich wynalazek pozwoli na konstruowanie układów miliony razy szybszych od obecnie stosowanych, przy czym ich wielkość pozwoli na dalszą miniaturyzację elektronicznych urządzeń. Jak jest zbudowany i jak działa tranzystor? Tranzystor (z ang. Transfer Resistor) jest to element czynny układów elektronicznych służący do wzmacniania sygnałów elektrycznych (trioda półprzewodnikowa, obecnie głównie krzemowa). Ogólnie mówiąc, tranzystor jest elementem wzmacniającym sygnały elektryczne. Wśród wielu rodzajów tranzystorów rozróżniamy: tranzystory bipolarne (iniekcyjne) - są to elementy dwuzłączowe i jednozłączowe, najczęściej wykonywane z krzemu, rzadziej z germanu; tranzystory unipolarne (polowe) Zasadę budowy tranzystora przedstawiono na rysunku: E emiter B baza C kolektor Zasada budowy tranzystora i sposób polaryzacji tranzystorów: a) tranzystor typu NPN i jego symbol graficzny b) tranzystor typu PNP i jego symbol graficzny 1

2 Mogą one być : - jednorodną bazą (dyfuzyjny) - niejednorodną bazą (dryftowy) Agencja Zbierania Informacji & Strefa 13 Tranzystor jest elementem o trzech wyprowadzeniach, jedno z tych wyprowadzeń steruje przepływem prądu pomiędzy pozostałymi dwoma. Czynnikiem sterującym może być tak prąd płynący przez wyprowadzenie jak i napięcie pomiędzy wyprowadzeniami. Istnieje cały szereg różnych odmian w zależności od układu, w którym tranzystor jest wykorzystywany, począwszy od układów małej częstotliwości po układy wysokiej częstotliwości, końcówki mocy i wszelkiego rodzaju sterowanie skończywszy na układach cyfrowych. Coraz częściej wypierany przez układy scalone, które mogą zawierać od kilku do kilku tysięcy i więcej pojedynczych tranzystorów. W rzeczywistości budowa tranzystora znacznie różni się od rysunków powyżej i wygląda następująco: Tranzystor składa się z dwu złącz PN połączonych szeregowo - stąd ich nazwa - bipolarne (dwupolowe). Złącza są umieszczone w obudowie hermetycznej z trzema wyprowadzeniami poszczególnych warstw półprzewodnika. Skrajne warstwy półprzewodnika nazywamy emiterem i kolektorem, a środkową - bazą. W zależności od typu półprzewodnika (N czy P) tworzącego bazę rozróżniamy tranzystory typu NPN lub PNP. Sposób polaryzacji w kierunku przewodzenia tych dwóch typów tranzystorów jest odmienny. Tranzystor typu NPN musi być spolaryzowany tak, by kolektor miał duży potencjał dodatni względem emitera (w zależności od wykonania tranzystora do 15 V lub do 150 V), a baza - mały potencjał dodatni względem emitera (kilkaset miliwoltów). TRANZYSTOR BIPOLARNY Tranzystor bipolarny to tranzystor, który zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika o różnym rodzaju przewodnictwa. Rozróżniamy tranzystory typu pnp oraz npn, ich uproszczona struktura, oraz symbol zostały przestawione poniżej. Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony 'użytkowej' polega na sterowaniu wartością prądu kolektora za pomocą prądu bazy. (Prąd emitera jest zawsze sumą prądu kolektora i prądu bazy). Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy, współczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem h21e lub grecką literą β Napięcie przyłożone do złącza baza-emiter przyłożone w kierunku przewodzenia wymusza przepływ prądu przez to złącze - nośniki większościowe (elektrony w tranzystorach NPN lub dziury w tranzystorach PNP) przechodzą do obszaru bazy, (stąd nazwa elektrody: emiter, bo emituje nośniki). Nośniki wprowadzone do obszaru bazy przechodzą bezpośrednio do kolektora - jest to możliwe dzięki niewielkiej grubości obszaru bazy - znacznie mniejszej niż droga swobodnej dyfuzji nośników ładunku w tym obszarze (ok mm), co pozwala na łatwy przepływ nośników przechodzących przez jedno ze złącz do obszaru drugiego złącza - nośniki wstrzyknięte do bazy niejako siłą rozpędu dochodzą do złącza kolektor baza. Ponieważ złącze to jest spolaryzowane w kierunku zaporowym to nośniki mniejszościowe są wsysane do kolektora. Prąd bazy składa się z dwóch głównych składników: prądu rekombinacji i prądu wstrzykiwania. Prąd rekombinacji to prąd powstały z rekombinowania wstrzykniętych do bazy nośników mniejszościowych z nośnikami większościowymi w bazie. Jest tym mniejszy im cieńsza jest baza. Prąd wstrzykiwania jest to prąd złożony z nośników wstrzykniętych z bazy do emitera, jego wartość zależy od stosunku koncentracji domieszek w obszarze bazy i emitera. TRANZYSTOR POLOWY Tranzystor polowy (skrót FET, ang. Field Effect Transistor) to tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego (stąd nazwa). Zasadniczą częścią tranzystora polowego jest kryształ odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem (symbol S od angielskiej nazwy source) i drenem (D, drain). Pomiędzy nimi tworzy się tzw. kanał, którym płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia elektroda, zwana bramką (G, gate). Przyłożone do bramki napięcie wywołuje w krysztale dodatkowe pole elektryczne, które wpływa na rozkład nośników prądu w kanale. Skutkiem tego jest zmiana przekroju kanału, co objawia się jako zmiana oporu źródło - dren. W tranzystorach epiplanarnych (również w przypadku układów scalonych, w 2

3 których wytwarza się wiele tranzystorów na wspólnym krysztale) wykorzystuje się jeszcze czwartą elektrodę, tzw. podłoże (B, bulk albo body), służącą do odpowiedniej polaryzacji podłoża. W tranzystorach polowych między elektrodami płynie prąd nośników jednego rodzaju, prąd nośników większościowych. Wartość prądu przepływającego przez tranzystor polowy jest zależna od wartości napięcia przyłożonego między źródłem a drenem oraz od wartości rezystancji kanału, która wyrażona jest wzorem: Odpowiednio do technologii wykonania rozróżnia się dwa główne typy tranzystorów polowych: złączowe (JFET, Junction FET), w których bramka jest połączona z obszarem kanału. Tranzystor unipolarny JFET ma trzy elektrody: a) Źródło, oznaczone literą S (ang. Sourse), jest elektrodą, z której wpływają nośniki do kanału. b) Dren, oznaczony literą D (ang. Drain), jest elektrodą, do której dochodzą nośniki ładunku. c) Bramka, oznaczona literą G (ang. Gate), jest elektrodą sterującą przepływem ładunku z izolowaną bramką (IGFET, Insulated Gate FET). Wśród tranzystorów złączowych, stosownie do typu połączenia bramki, rozróżnia się: tranzystory ze złączem p-n (PNFET), tranzystory ze złączem metal-półprzewodnik (MESFET, MEtal-Semiconductor FET), zaś wśród tranzystorów z bramką izolowaną najszerzej stosowane są tranzystory MOSFET Ze względu na budowę i sposób działania (znikomy prąd bramki) tranzystory polowe charakteryzują się bardzo dużą rezystancją wejściową i dużą transkonduktancją. Szczegółowa klasyfikacja tranzystorów unipolarnych ZASTOSOWANIE TRANZYSTORÓW Tranzystory znajdują szerokie zastosownia w elektryce, elektronice, technice i podobnych dziedzinach. Tranzystor bipolarny 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), stanowišcych elektrody nazywane zgodnie z ich funkcjami: emiter E (ang. Emitter) - zwykle warstwa najsilniej domieszkowana, dostarczajšca mniejszo ciowych no ników ładunku do bazy, baza B (ang. Base) - warstwa wspólna (podstawa), kolektor C (ang. Collector) - zbierajšcy no niki wstrzykiwane z emitera do bazy. Działanie tranzystora bipolarnego zależy od zjawisk zwišzanych z ruchem obu rodzajów no ników ładunku - elektronów i dziur (w tranzystorze typu N - gł. elektronów, w tranzystorze typu P - gł. dziur) i polega na sterowaniu tym ruchem za pomocš napięcia doprowadzonego do elektrod tranzystora, o wietlenia jego struktury itp. (zmiany tych wielko ci powodujš zmianę wła ciwo ci złšcz p-n, tworzšcych strukturę tranzystora). Podczas normalnej pracy tranzystora jego elektrody sš połšczone z zewn. ródłami pršdu stałego w taki sposób, że złšcze E-B jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złšcze B-C - w kierunku zaporowym (wstecznym); powoduje to wstrzykiwanie no ników większo ciowych w obszarze emitera (elektronów w tranzystorze typu N, dziur w tranzystorze typu P) do obszaru bazy (gdzie sš one no nikami mniejszo ciowymi) i ich przej cie przez bazę (w wyniku dyfuzji i unoszenia) oraz przez spolaryzowane w kierunku zaporowym złšcze B-C, w którym istniejšce pole elektr., "wymiata" elektrony w stronę kolektora. Strumień no ników wstrzykiwanych z emitera do bazy stanowi pršd emitera IE, strumień no ników odbieranych przez kolektor - pršd kolektora IC, przy czym pršd IC zależy od napięcia polaryzujšcego złšcze E-B, a nie zależy od napięcia wywołujšcego polaryzację złšcza B-C. Stosunek warto ci obu pršdów okre la tzw. współczynnik wzmocnienia pršdowego? = IC/IE - podstawowy parametr charakteryzujšcy tranzystor bipolarny, zwykle bliski jedno ci (zmiana pršdu emitera powoduje podobnej wielko ci zmianę pršdu kolektora). Ze względu na dużo większš rezystancję spolaryzowanego w kierunku zaporowym złšcza B-C niż złšcza E-B, zmiany pršdu IE powodujš znacznie większš zmianę napięcia na złšczu B-C niż na złšczu E-B, a zatem moc wydzielona na rezystorze obcišżenia, włšczonym w obwód wyj ciowy, jest znacznie większa od mocy dostarczonej do obwodu wej ciowego. Efekt ten jest najważniejszš wła ciwo ciš tranzystora. Tranzystory bipolarne sš obecnie wytwarzane gł. z monokrystal. krzemu 3

4 (tranzystory germanowe były powszechnie stosowane w poczštkowym okresie rozwoju elektroniki półprzewodnikowej, w latach 50. XX w.). Tranzystor unipolarny W tranzystorze unipolarnym, zw. też polowym FET (ang. Field Effect Transistor), obszary stanowišce elektrody noszš nazwy: ródło S (ang. Source), bramka G (ang. Gate), dren D (ang. Drain). Istota działania tranzystora unipolarnego polega na sterowaniu pršdem płynšcym między dwiema elektrodami: ródłem i drenem, w obszarze zw. kanałem, za pomocš zmian potencjału przyłożonego do trzeciej elektrody - bramki. Pršd ten jest strumieniem no ników jednego rodzaju - no ników większo ciowych (elektronów w tranzystorze o kanale typu n lub dziur w tranzystorze o kanale typu p), dostarczanych przez ródło i odbieranych przez dren. Tranzystory unipolarne można podzielić na złšczowe JFET (ang. Junction FET), wytwarzane z półprzewodników monokrystal., i z izolowanš bramkš IGFET (ang. Insulated Gate FET), wytwarzane zarówno z półprzewodników monokrystal., jak i polikrystalicznych. Do tranzystorów złšczowych zalicza się tranzystory ze złšczem p-n, tj. PNFET, wytwarzane gł. z krzemu, i tranzystory ze złšczem metal-półprzewodnik, tj. MESFET (ang. Metal-Semiconductor FET), wytwarzane z krzemu i arsenku galu (elementy mikrofalowe). Do tranzystorów z izolowanš bramkš zalicza się tranzystory, których podstawowš strukturš sš 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. Wyróżniajšcš cechš tranzystorów unipolarnych jest b. wielka rezystancja wej ciowa, okre lona rezystancjš warstwy izolatora w tranzystorach z izolowanš bramkš lub rezystancjš zaporowo polaryzowanego złšcza p-n (bšd m-s) w tranzystorze złšczowym. Tranzystor może być elementem indywidualnym (dyskretnym), tj. w oddzielnej obudowie, lub czę ciš monolitycznego układu scalonego. Tranzystory indywidualne sš montowane w obudowach spełniajšcych okre lone wymagania (np. co do odprowadzania ciepła, ekranowania); pod względem cech użytkowych dzieli się je na tranzystory: małej i dużej mocy, małej i wielkiej częstotliwo ci, impulsowe, mikrofalowe, wysokonapięciowe (klasyfikacja ta jest stosowana w katalogach elementów elektron.). 4

5 5

6 Skrót MOSFET pochodzi od angielskiego określenia Metal-Oxide Semiconductor FET, co oznacza tranzystor polowy o strukturze: metal, tlenek, półprzewodnik. Przekrój takiego tranzystora jest pokazany na rysunku poniżej. Uproszczony przekrój tranzystora MOSFET typu N z kanałem wzbogacanym W podłożu płytce słabo domieszkowanego półprzewodnika typu P albo N tworzone są dwa małe obszary o przeciwnym typie przewodnictwa odpowiednio N+ lub P+ (N+/P+ oznacza silne domieszkowanie tych obszarów). Te silnie domieszkowane obszary tworzą dren oraz źródło do których doprowadzane są kontakty. Powierzchnia półprzewodnika pomiędzy drenem i źródłem jest pokryta cienką warstwą dielektryka (izolatora), grubość tej warstwy jest rzędu kilkunastu nanometrów. Na dielektryk napylana jest warstwa materiału przewodzącego (metalu) tworząca bramkę. Ze względu na niewielką grubość warstwy izolacyjnej istnieje realne niebezpieczeństwo jej fizycznego uszkodzenia (przepalenia) na skutek doprowadzenia z zewnątrz dużego ładunku elektrostatycznego. Dlatego układy elektroniczne zawierające tranzystory MOS (np. powszechnie stosowane w sprzęcie komputerowym układy CMOS) są przechowywane np. w foliach przewodzących mających zapobiec przedostaniu się ładunków do obwodów. W żadnym razie nie jest to przesadna ostrożność, ponieważ potencjał człowieka może być nawet rzędu kilku-kilkudzisięciu kilowoltów. Najczęściej wykorzystywanym izolatorem jest dwutlenek krzemu (ang. Silicon Dioxide) uprzednio wytworzony na płytce podłoża daje to ułożenie warstw: metal, tlenek, półprzewodnik, stąd bardziej popularny angielski akronim MOSFET (krócej MOS) Metal-Oxide-Semiconductor FET. Przepływ prądu następuje pomiędzy źródłem i drenem, przez tzw. kanał, sterowanie tym prądem następuje na skutek zmiany napięcia bramka-źródło. Rozróżnia się dwa typy tranzystorów MOS: 1. z kanałem zubożanym (z kanałem wbudowanym) normalnie włączone, tj. takie, w których istnieje kanał przy zerowym napięciu bramka-źródło; 2. z kanałem wzbogacanym (z kanałem indukowanym) normalnie wyłączone, kanał tworzy się dopiero, gdy napięcie bramka-źródło przekroczy charakterystyczną wartość U T (napięcie progowe). Ponieważ bramka jest izolowana od kanału to nie płynie przez nią żaden prąd dla prądu stałego oporność wejściowa jest nieskończenie duża. Tranzystory MOS są elementami bardzo szybkimi w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi, gdyż zachodzące w nich zjawiska są czysto elektrostatyczne. Głównym czynnikiem zwiększającym czas przełączania jest obecność pojemności bramki którą trzeba przeładować przy przełączaniu. Symbole graficzne [edytuj] z kanałem zubożanym z kanałem wzbogacanym 6

7 z kanałem typu P z kanałem typu N z kanałem typu P z kanałem typu N Zasada działania [edytuj] Tranzystor MOS polaryzuje się tak, żeby jeden rodzaj nośników (nie ma nośników większościowych i mniejszościowych elektrony w kanale typu N, dziury w kanale typu P) płynęły od źródła do drenu. Wyróżnia się dwa zakresy pracy: 1. zakres nienasycenia (liniowy, triodowy) 2. zakres nasycenia (pentodowy) Zakres pracy tranzystora determinuje napięcie dren-źródło (U DS ) jeśli jest ono większe od napięcia nasycenia (U DSsat ), wówczas tranzystor znajduje się w zakresie nasycenia. Zakres nienasycenia [edytuj] U DS < U DSsat Jeśli napięcie bramka-źródło U GS jest mniejsze od napięcia progowego (tworzenia kanału) U T, to prąd drenźródło jest zerowy. Gdy napięcie progowe zostanie przekroczone wówczas na skutek działania pola elektrycznego przy powierzchni półprzewodnika powstaje warstwa inwersyjna warstwa półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa niż podłoże. Warstwa inwersyjna ma więc taki sam typ przewodnictwa jak obszary drenu i źródła, możliwy jest więc przepływ prądu od drenu do źródła. Warstwa inwersyjna tworzy kanał. Tak jest w przypadku tranzystorów z kanałem indukowanym, natomiast w tranzystorach z kanałem wbudowanym istnieje on nawet przy zerowym napięciu U GS. W zakresie nienasycenia zależność prądu drenu od napięcia bramka-źródło wyraża przybliżony wzór: gdzie β współczynnik transkonduktancji, parametr zależny od tranzystora. Dla niewielkich napięć drenu zależność ta jest liniowa. Zakres nasycenia [edytuj] Gdy kanał już istnieje, zwiększanie napięcia dren-źródło powoduje zwiększanie prądu drenu. To z kolei powoduje odkładanie się pewnego napięcia na niezerowej rezystancji kanału. Napięcie to powoduje zmniejszenie różnicy potencjałów między bramką a kanałem, czego wynikiem jest zawężenie warstwy inwersyjnej. A że różnica potencjałów rośnie od źródła do drenu, również przekrój kanału maleje w tym samym kierunku w obszarze przy drenie kanał uzyskuje najmniejszy przekrój. Jeśli U DS przekroczy wartość U DSsat to w pobliżu drenu kanał zniknie, w jego miejsce pojawi się obszar zubożały, mający bardzo dużą rezystancję (wraz ze wzrostem napięcie dren-źródło obszar zubożały rozszerza się) i wówczas praktycznie całe napięcie U DS odkłada się na warstwie zubożałej. 7

8 Najprostszy model tranzystora przyjmuje, że napięcie nasycenia nasycenia prąd drenu jest zależny od napięcia U GS, zależność tą przybliża się wzorem:. W zakresie gdzie β współczynnik transkonduktancji, parametr zależny od tranzystora. 8