Транзистор

Транзистор је активни полупроводнички елемент са три извода (два приступа) који се користи као појачање (најзначајнија примена), прекидање струје, у колима за стабилизацију напона, модулацију сигнала и многе друге операције.

Разне врсте транзистора

Изабрани дискретни транзистори. Пакети u редоследи од врха до дна:TO-3, TO-126, TO-92, SOT-23.

Назив транзистора је изведеница од две речи (transfer - преносни, resistor - отпор).

У почетку је називан и кристална триода, по еквивалентној електронској цеви по имену триода.

Транзистори се према начину рада деле у две главне групе: биполарне транзисторе (енг. BJT - Bipolar Junction Transistor) код којих проводност зависи од мањинских носилаца електричног набоја (електронима у NPN или шупљинама у PNP типу) те униполарне транзисторе (енг. FET - Field Effect Transistor) код којих проводност зависи само од већинских носилаца електричног набоја (електронима у N-каналном или шупљинама у P-каналном типу).

Под појмом транзистор најчешће се подразумева раније откривени биполарни транзистор, а када се говори о униполарном транзистору редовно се наглашава о којој се врсти униполарног транзистора ради.

Развој

Термоелектрична триода, вакуумска цев је изум из 1907, који је омогућио развој појачавачке радио технологије и телефоније преко великих растојања. Триода је међутим била крхки уређај који је конзумирао знатне количине струје. Године 1909. је физичар Вилијам Еклес открио кристално диодни осцилатор. Немачки физичар Јулиус Едгар Лилифелд је поднео патент за транзистор са ефектом поља (FET) у Канади 1925, чија намена је била да буде замена за триоду у чврстом стању. Лилинфелд је такође поднео идентичне патенте у САД 1926 и 1928. Међутим, Лилинфелд није објавио своја истраживања овог уређаја у научним часописима, нити су његови патенти наводили специфичне примере радног прототипа. Будући да је производња висококвалитетних полуводичких материјала била још деценија удаљена, Лилинфелдове идеје о појачивачу у чврстом стању не би нашле практичну примену до 1920-тим и 1930-тим, чак и да су уређаји били направљени. Године 1934, немачки изумитељ Оскар Хеил је патентирао слични уређај у Европи.

Први транзистор су направили Вилијам Шокли, Џон Бардин и Валтер Бретејн 23. децембра 1947. године у Беловим лабораторијама. Шокли, Бардин и Бретејн су добили Нобелову награду за свој изум „за њихова истраживања полупроводника и откриће транзисторског ефекта“.

Пре проналаска биполарног транзистора користиле су се електронске цеви које су имале битне недостатке (цена, потрошња енергије, димензије...) али и предности (цеви се и данас понекад користе за посебне намене због мање осетљивости на нуклеарно зрачење, велике снаге, и као елементи у аудиофилским аналогним појачалима...). Најближи еквивалент транзистору је била електронска цев - триода.

Реплика првог транзистора

Конструкција

Направљен је од германијума (Ge), силицијума (Si), или неког другог полупроводничког материјала. Полупроводнички материјали се обично понашају као изолатори, али ако се допирају примесама потпуно мењају особине. Ако се допирају (загаде) неким од хемијских елемената који припадају донорима појављује се вишак позитивних P наелектрисања, а ако се допирају акцепторима појављује се вишак негативних N носилаца наелектрисања. Такав материјал почиње да се понаша као проводник. Када се у истом материјалу направи да постоје и N и P зоне, појављује се нови ефекат, полупроводљивост. Транзистор се састоји из три слоја P и N полупроводника са којих се изводе контакти: емитора (Е), базе (B) и колектора (C). Разликујемо два типа биполарних транзистора PNP и NPN означених по редоследу слојева. Транзистори се праве као дискретне (засебне) компоненте или у оквиру интегрисаних кола (чипова). За интеграцију је кључна појава MOSFET (транзистор са ефектом поља) транзистора који су због својих малих димензија и специфичне технологије израде готово потиснули биполарне транзисторе. Данас се сваки власник рачунара може похвалити да има милионе MOSFET транзистора у процесору.

Рад

Основна функција транзистора је да контролише проток струје. Транзистор функционише тако што са малом струјом у колу емитер-база можемо управљати знатно јачом струјом у колу емитер-колектор. Ова појава назива се транзисторски ефекат. Најбоља аналогија која објашњава транзистор је славина за воду. Вентил на воденој славини контролише проток воде. Код транзистора се тај вентил назива база (енгл. base) или капија (енгл. gate) код ФЕТ-ова (Field Effect Transistor).

Појачање транзистора изражава се као фактор струјног појачања у спојевима са заједничким емитером:

$\beta =I_{\mathrm {c} }/I_{\mathrm {b} }\,$

Где су:

• β фактор појачања транзистора
• $I_{\mathrm {c} }$ Струја колектора
• $I_{\mathrm {b} }$ Струја базе

За правилан рад транзистора потребно је поларизовати транзистор (довести му напајање) као и с обзиром на његову преосетљивост на промену температуре, стабилизацију радне тачке у односу на колектор и емитер.

Биполарни транзистор

Транзистор

Биполарни су транзистори грађени тако да допирањем чистог полупроводника, нпр. силицијума или германијума, настаје структура у којој се између два подручја истог типа проводности (P или N) налази подручје супротног типа проводности (N или P). Зависно од тога могућа су два типа биполарних транзистора који се означавају као:

• PNP (позитивно-негативно-позитивно)
• NPN (негативно-позитивно-негативно)

Код биполарних транзистора се разликују:

• базу [B]
• емитер [E]
• колектор [C]

на које су спојени изводи помоћу којих се транзистор спаја у спољашње електрично коло. База и емитер чине у нормалном активном начину рада пропустно поларизиран PN спој (код NPN транзистора), за разлику од колектора и базе који у нормалном активном начину рада чине непропустно поларизиран PN спој.

Принцип рада транзистора се заснива на инјекцији мањинских носилаца из емитера у базу и њиховом транспорту до колектора. Како је напон на споју база-емитер мањи од напона на споју колектор-база, а такође је и струја која тече у базу мања од струја емитера и колектора значи да транзистор омогућује управљање потрошњом у колу веће снаге помоћу кола у којем се троши мања снага. Зависно о томе која је електрода за оба кола заједничка транзистор се може користити у три различита споја.

У споју са заједничком базом остварује се само појачање напона, у споју са заједничким колектором само појачање струје, а споју са заједничким емитером појачава се и напон и струја, па је појачање снаге највеће.

За делотворан рад транзистора је битно да струја која тече у базу буде што мања. Два фактора која на то утичу су фактор инјекције и транспортни фактор. Фактор инјекције зависи од односа броја носилаца који се инјектирају из емитера у базу према броју носилаца који се инјектирају из базе у емитер. Повољан се однос постиже када је емитер знатно више допиран од базе.

Транспортни фактор зависи од броја инјектираних носилаца који се рекомбинирају у бази, а за њега је битно да база буде довољно танка како би носиоци стигли до колекторског споја пре него што се рекомбинирају.

Било да се ради о PNP или NPN типу транзистора оба обављају исту функцију. Разлика је у поларитетима спољних напона и струја, те у врсти носилаца електричне струје. У PNP типу транзистора главни су носиоци електричне струје шупљине, а у NPN типу транзистора су то електрони.

Параметри биполарног транзистора

Излазне карактеристике типичног биполарног транзистора који се уграђује у склопове који служе као напонска појачала, и друге различите намене, радно подручје означено је плавом бојом

Биполарни транзистор примарно се сматра струјним активним извором где истосмерна колекторска струја зависи од струје базе:

$I_{C}=f(I_{B})\,$

Биполарни транзистор као активни електрични извор се представља у електроничким колима с надоместним управљаним струјним извором.

Динамичко струјно појачање

За разлику од истосмерног струјног појачања које се дефинише као:

$\beta ={\frac {I_{C}}{I_{B}}}\,$

динамички фактор струјног појачања h_FE се дефинише као струјно појачање за мали електрични сигнал у одређеној радној тачки транзистора:

$h_{FE}=\left|{\frac {\vartriangle i_{c}}{\vartriangle i_{b}}}\right|_{U_{c}=konst}.$

Размотре ли се мале наизменичне струје биполарни транзистор се може предочити активним струјно управљаним струјним извором називне струје :

${i_{c}}=h_{FE}i_{b},\,$

где је i_c наизменична компонента колекторске струје, h_FE динамички фактор струјног појачања, а i_b улазна побудна струја базе.

Фактор струјног појачања може попримати вредности од неколико десетака до неколико стотина, зависно од намене и технологије израде.

Улазни динамички отпор

Излазни транзистор снаге 2N 3055

Величина улазног динамичког отпора одређена је положајем радне тачке на улазној U_BE/ I_B карактеристици. Како је струја базе у зависности од напона база/емитер одређена са:

$I_{B}=I_{s}e^{\frac {U_{BE}}{kT}}\,$

где је I_B струја базе, I_s реверзна струја засићења, U_BE напон база/емитер, k Болтзманова константа, а T апсолутна температура у ⁰K. Следи да је улазна динамичка проводност одређена као:

$G_{ul}={\frac {d{I_{B}}}{d{U_{BE}}}}={\frac {I_{s}}{kT}}e^{\frac {U_{BE}}{kT}}\,$,

где је тада динамички улазни отпор једнак:

$R_{ul}={\frac {dU_{BE}}{dI_{B}}}={\frac {kT}{I_{s}}}e^{-{\frac {U_{BE}}{kT}}}\,$,

Динамички улазни отпор величина је која изразито овиси о радној точки транзистора. У запорном подручју је улазни отпор велик, а у пропустном се брзо смањује нарочито за напон база/емитер U_BE већи од прага вођења који је за силицијеве транзисторе негдје између О,5 и О,6 V. Како ће физички већи транзистори имати у правилу и већу реверзну струју засићења, излазни транзистори снаге имају сходно томе и мањи динамички улазни отпор, што се види и из њихове улазне U_BE/ I_B карактеристике. Транзистор у засићењу ради као укључена склопка.

Унутрашњи динамички отпор

Унутрашњи динамички отпор одређује се као однос мале промене колекторског напона и мале промене колекторске струје у радној тачки транзистора, а уз константну струју базе:

$R_{i}=\left|{\frac {\vartriangle U_{c}}{\vartriangle I_{c}}}\right|_{I_{b}=konst}$

Унутрашњи динамички отпор транзистора је велик за све савремене силицијумоеве биполарне транзисторе те је излазни колекторски наизменични напон зависан највећим делом од величине оптеретног отпора.

Напонско појачање у споју заједничког емитера

Биполарни транзистор представља за наизменични електрични сигнал струјно управљан електрични извор струје и представља се надоместним извором унутрашњег отпора R_i и струје

${i_{c}}=h_{FE}i_{ul}\,$,

где је h_FE динамички фактор струјног појачања, а i_ul побудна струја која тече кроз базу биполарног транзистора. Међутим, у честим околностима где је динамички електрични отпор који се појављује на улазним електродама биполарног транзистора знатно већи од унутрашњег отпора електричног извора који се прикључује на базу и емитер биполарног транзистора, ова једнакост се може приказати у нешто друкчијем облику

${i_{c}}=h_{FE}{\frac {u_{ul}}{R_{ul}}}$

где је u_ul улазни напон који долази из напонског извора, а R_ul динамички отпор на улазу транзистора.

Пад напона u_R на оптеретном отпору биће зависан од међусобног односа оптеретног отпора и унутрашњег отпора извора

${u_{R}}=-h_{FE}{\frac {u_{ul}}{R_{ul}}}{\frac {{R_{t}}{R_{i}}}{R_{t}+R_{i}}}$

те је напонско појачање појачала с биполарним транзистором одређено према једнакости

${A_{V}}=-{\frac {h_{FE}}{R_{ul}}}{\frac {{R_{t}}{R_{i}}}{R_{t}+R_{i}}}$

Напонско појачање електроничког склопа с биполарним транзисторима одређено је, дакле, првенствено фактором динамичког струјног појачања и динамичком улазном импенданцијом биполарног транзистора те међусобним односом оптеретног отпора и унутрашњег отпора извора. Појачање има негативан предзнак јер повећање улазног измјеничног напона на бази транзистора има за посљедицу смањење колекторског напона на излазу.

Понашање на вишим фреквенцијама

Улазна импеданса

Улазну импедансу биполарног транзистора сачињавају њен радни део, улазни отпор R_ul и резултантна улазна капацитивност коју чини с једне стране капацитет база/емитер C_be, а с друге стране капацитет колектор/база C_cb који се пресликава у улазни круг увећан за напонски фактор појачања склопа у који је уграђен биполарни транзистор (Милеров ефекат):

$\ C_{r}=C_{g}k+A_{V}C_{a}g$

где је тада улазна импеданса одређена једнакости:

$Z_{u}l={\frac {1}{j\omega C_{r}}}$.

Улазна импеданса триоде је на тај начин осетно мања у поређењу са тетродом и пентодом код којих су другом решетком улазни и излазни круг практично потпуно одвојени.

Излазна импеданса

Унутрашњи, односно излазни динамички отпор електронске цеви на нижим и средњим фреквенцијама одређен је карактеристикама разматране електронске цеви, где ће триода у том смислу имати релативно мали унутрашњи отпор, тетрода осетно већи, а пентода највећи. Сразмерно величини унутрашњег отпора расте и могућност напонског појачања електронске цеви те ће пентода имати најмање за ред величине веће напонско појачање. При вишим фреквенцијама ваља рачунати на утицај свих међуелектродних капацитета што ће се очитавати као пад појачања при вишим фреквенцијама, а услед деловања међуелектродних капацитета који се у излазном кругу појављују као капацитивно оптерећење зависно од фреквенције.

Униполарни транзистор

Код униполарних транзистора, за разлику од биполарних, у вођењу струје суделује само једна врста електричног набоја (или електрони или шупљине). Називају се транзистори са ефектом поља (енгл. Field-effect transistor, скраћено FET, а нем. Feldeffekt Transistor). Својство им је да имају изразито велики улазни отпор те се могу сматрати напонски управљаним активним извором.

Униполарни транзистори зависно од технологије израде могу бити

• Спојни (енгл. Junction field-effect transistor, скраћено JFET, а нем. Sperrschicht-FET)
• С изолираним засуном (енгл. Insulated gate FET, скраћено IGFET
• Метал оксидни (енгл. metal oxide semiconductor FET, скраћено MOSFET, а нем. Isolierschicht-FET).
• Вертикални метал оксидни (енгл. vertical metal oxide semiconductor FET, скраћено VMOSFET)

Униполарни транзистори могу још обзиром на тип полуводича бити н-канални или п-канални, а обзиром на допирање могу бити изведени као обогаћен или осиромашен тип.

Фототранзистор

Знатно већу осетљивост на светлост у поређењу с фотодиодама имају фототранзистори. Међутим, брзина рада им је знатно мања од брзине рада фотодиоде. Време укључења, а посебно искључења, знатно је дуже, реда величине неколико микросекунди, док код фотодиоде може бити мање од наносекунде. Деловање фототранзистора слично је деловању обичних биполарних транзистора с тим да се струја базе ствара осветљењем PN споја база-колектор. Фототранзистор се може предочити с помоћу споја биполарног транзистора и фотодиоде спојене између колектора и базе. Кад је транзистор неосветљен њиме тече само врло мала тамна струја коју чини преостала струја колектора реда величине од неколико наноампера до неколико десетака наноампера.

Биполарни		FET
	PNP		P-канални
	NPN		N-канални

Симболи за транзисторе разних врста

Значај

Транзистор се сматра за један од највећих изума у историји човечанства. Ту се такође налазе и штампа, компас, часовник, оптичко сочиво, парна машина, мотор са унутрашњим сагоревањем, телеграф, телефон и микропроцесор. Он је саставни део скоро свих данашњих електричних уређаја где игра кључну улогу активне компоненте. Данас се транзистори производе у огромним количинама у високо аутоматизованим процесима по ниским ценама. Ниска цена транзистора и универзална применљивост га чини скоро идеалним градивним елементом сваког електронског кола.

Литература

• Moavenzadeh, Fred (1990). Concise Encyclopedia of Building and Construction Materials. MIT Press. стр. 430. ISBN 978-0-262-13248-0. 
• Horowitz, Paul; Hill, Winfield (1989). The Art of Electronics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-37095-0. 
• Amos, S. W.; James, M R. (1999). Principles of Transistor Circuits. Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-4427-3. 
• Jelaković T. “Tranzistorska audiopojačala”, Školska knjiga, Zagreb, 1973.
• Stuart J.R. “An approach to audio amplifier design”, Wireless World, August 1973
• David Bodanis . Electric Universe. . New York: Crown Publishers. 2005. ISBN 978-0-7394-5670-5. 
• J. Chelikowski, "Introduction: Silicon in all its Forms", Silicon: evolution and future of a technology (Editors: P. Siffert, E. F. Krimmel). стр. 1. . Springer. 2004. ISBN 978-3-540-40546-7. 
• Streetman, Ben (1992). Solid State Electronic Devices. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. стр. 301—305. ISBN 978-0-13-822023-5. 
• Bacon, W. Stevenson (1968). „The Transistor's 20th Anniversary: How Germanium And A Bit of Wire Changed The World”. Bonnier Corp.: Popular Science, retrieved from Google Books 2009-03-22. Bonnier Corporation. 192 (6): 80—84. ISSN 0161-7370. 
• Riordan, Michael & Hoddeson, Lillian (1998). Crystal Fire. W.W Norton & Company Limited. ISBN 978-0-393-31851-7.  The invention of the transistor & the birth of the information age
• Warnes, Lionel (1998). Analogue and Digital Electronics. Macmillan Press Ltd. ISBN 978-0-333-65820-8. 
• „Herbert F. Mataré, An Inventor of the Transistor has his moment”. The New York Times. 24. 2. 2003. Архивирано из оригинала 23. 6. 2009. г. Приступљено 3. 8. 2017. 
• Riordan, Michael (2005). „How Europe Missed the Transistor”. IEEE Spectrum. 42 (11): 52—57. doi:10.1109/MSPEC.2005.1526906. Архивирано из оригинала 14. 2. 2008. г. Приступљено 3. 8. 2017. 
• Renmore, C. D. (1980). Silicon Chips and You. ISBN 978-0-8253-0022-6. 
• Wiley-IEEE Press. Complete Guide to Semiconductor Devices, 2nd Edition. 

Спољашње везе

• ИЕЕЕ виртуелни музеј о транзистору
• Белов сајт о историји транзистора
• The CK722 Museum
• The Transistor
• BBC: Building the digital age photo history of transistors
• IEEE Global History Network, The Transistor and Portable Electronics
• Transistorized
• This Month in Physics History: November 17 to December 23, 1947: Invention of the First Transistor
• 50 Years of the Transistor
• Common transistor pinouts

Табеле са подацима

• Charts showing many characteristics and links to most datasheets for 2N, 2SA, 2SB. 2SC, 2SD, 2SH-K, and other numbers.
• Discrete Databook (Historical 1978), National Semiconductor (now Texas Instruments)
• Discrete Databook (Historical 1982), SGS (now STMicroelectronics)
• Small-Signal Transistor Databook (Historical 1984), Motorola
• Discrete Databook (Historical 1985), Fairchild