Tranzistor

Tranzistor je aktivni poluprovodnički element sa tri izvoda (dva pristupa) koji se koristi kao pojačanje (najznačajnija primena), prekidanje struje, u kolima za stabilizaciju napona, modulaciju signala i mnoge druge operacije.

Razne vrste tranzistora

Izabrani diskretni tranzistori. Paketi u redosledi od vrha do dna:TO-3, TO-126, TO-92, SOT-23.

Naziv tranzistora je izvedenica od dve reči (transfer - prenosni, resistor - otpor).

U početku je nazivan i kristalna trioda, po ekvivalentnoj elektronskoj cevi po imenu trioda.

Tranzistori se prema načinu rada dele u dve glavne grupe: bipolarne tranzistore (eng. BJT - Bipolar Junction Transistor) kod kojih provodnost zavisi od manjinskih nosilaca električnog naboja (elektronima u NPN ili šupljinama u PNP tipu) te unipolarne tranzistore (eng. FET - Field Effect Transistor) kod kojih provodnost zavisi samo od većinskih nosilaca električnog naboja (elektronima u N-kanalnom ili šupljinama u P-kanalnom tipu).

Pod pojmom tranzistor najčešće se podrazumeva ranije otkriveni bipolarni tranzistor, a kada se govori o unipolarnom tranzistoru redovno se naglašava o kojoj se vrsti unipolarnog tranzistora radi.

Razvoj

Termoelektrična trioda, vakuumska cev je izum iz 1907, koji je omogućio razvoj pojačavačke radio tehnologije i telefonije preko velikih rastojanja. Trioda je međutim bila krhki uređaj koji je konzumirao znatne količine struje. Godine 1909. je fizičar Vilijam Ekles otkrio kristalno diodni oscilator. Nemački fizičar Julius Edgar Lilifeld je podneo patent za tranzistor sa efektom polja (FET) u Kanadi 1925, čija namena je bila da bude zamena za triodu u čvrstom stanju. Lilinfeld je takođe podneo identične patente u SAD 1926 i 1928. Međutim, Lilinfeld nije objavio svoja istraživanja ovog uređaja u naučnim časopisima, niti su njegovi patenti navodili specifične primere radnog prototipa. Budući da je proizvodnja visokokvalitetnih poluvodičkih materijala bila još decenija udaljena, Lilinfeldove ideje o pojačivaču u čvrstom stanju ne bi našle praktičnu primenu do 1920-tim i 1930-tim, čak i da su uređaji bili napravljeni. Godine 1934, nemački izumitelj Oskar Heil je patentirao slični uređaj u Evropi.

Prvi tranzistor su napravili Vilijam Šokli, Džon Bardin i Valter Bretejn 23. decembra 1947. godine u Belovim laboratorijama. Šokli, Bardin i Bretejn su dobili Nobelovu nagradu za svoj izum „za njihova istraživanja poluprovodnika i otkriće tranzistorskog efekta“.

Pre pronalaska bipolarnog tranzistora koristile su se elektronske cevi koje su imale bitne nedostatke (cena, potrošnja energije, dimenzije...) ali i prednosti (cevi se i danas ponekad koriste za posebne namene zbog manje osetljivosti na nuklearno zračenje, velike snage, i kao elementi u audiofilskim analognim pojačalima...). Najbliži ekvivalent tranzistoru je bila elektronska cev - trioda.

Replika prvog tranzistora

Konstrukcija

Napravljen je od germanijuma (Ge), silicijuma (Si), ili nekog drugog poluprovodničkog materijala. Poluprovodnički materijali se obično ponašaju kao izolatori, ali ako se dopiraju primesama potpuno menjaju osobine. Ako se dopiraju (zagade) nekim od hemijskih elemenata koji pripadaju donorima pojavljuje se višak pozitivnih P naelektrisanja, a ako se dopiraju akceptorima pojavljuje se višak negativnih N nosilaca naelektrisanja. Takav materijal počinje da se ponaša kao provodnik. Kada se u istom materijalu napravi da postoje i N i P zone, pojavljuje se novi efekat, poluprovodljivost. Tranzistor se sastoji iz tri sloja P i N poluprovodnika sa kojih se izvode kontakti: emitora (Е), baze (B) i kolektora (C). Razlikujemo dva tipa bipolarnih tranzistora PNP i NPN označenih po redosledu slojeva. Tranzistori se prave kao diskretne (zasebne) komponente ili u okviru integrisanih kola (čipova). Za integraciju je ključna pojava MOSFET (tranzistor sa efektom polja) tranzistora koji su zbog svojih malih dimenzija i specifične tehnologije izrade gotovo potisnuli bipolarne tranzistore. Danas se svaki vlasnik računara može pohvaliti da ima milione MOSFET tranzistora u procesoru.

Rad

Osnovna funkcija tranzistora je da kontroliše protok struje. Tranzistor funkcioniše tako što sa malom strujom u kolu emiter-baza možemo upravljati znatno jačom strujom u kolu emiter-kolektor. Ova pojava naziva se tranzistorski efekat. Najbolja analogija koja objašnjava tranzistor je slavina za vodu. Ventil na vodenoj slavini kontroliše protok vode. Kod tranzistora se taj ventil naziva baza (engl. base) ili kapija (engl. gate) kod FET-ova (Field Effect Transistor).

Pojačanje tranzistora izražava se kao faktor strujnog pojačanja u spojevima sa zajedničkim emiterom:

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

Gde su:

• β faktor pojačanja tranzistora
• $I_{\mathrm {c} }$ Struja kolektora
• $I_{\mathrm {b} }$ Struja baze

Za pravilan rad tranzistora potrebno je polarizovati tranzistor (dovesti mu napajanje) kao i s obzirom na njegovu preosetljivost na promenu temperature, stabilizaciju radne tačke u odnosu na kolektor i emiter.

Bipolarni tranzistor

Tranzistor

Bipolarni su tranzistori građeni tako da dopiranjem čistog poluprovodnika, npr. silicijuma ili germanijuma, nastaje struktura u kojoj se između dva područja istog tipa provodnosti (P ili N) nalazi područje suprotnog tipa provodnosti (N ili P). Zavisno od toga moguća su dva tipa bipolarnih tranzistora koji se označavaju kao:

• PNP (pozitivno-negativno-pozitivno)
• NPN (negativno-pozitivno-negativno)

Kod bipolarnih tranzistora se razlikuju:

• bazu [B]
• emiter [E]
• kolektor [C]

na koje su spojeni izvodi pomoću kojih se tranzistor spaja u spoljašnje električno kolo. Baza i emiter čine u normalnom aktivnom načinu rada propustno polariziran PN spoj (kod NPN tranzistora), za razliku od kolektora i baze koji u normalnom aktivnom načinu rada čine nepropustno polariziran PN spoj.

Princip rada tranzistora se zasniva na injekciji manjinskih nosilaca iz emitera u bazu i njihovom transportu do kolektora. Kako je napon na spoju baza-emiter manji od napona na spoju kolektor-baza, a takođe je i struja koja teče u bazu manja od struja emitera i kolektora znači da tranzistor omogućuje upravljanje potrošnjom u kolu veće snage pomoću kola u kojem se troši manja snaga. Zavisno o tome koja je elektroda za oba kola zajednička tranzistor se može koristiti u tri različita spoja.

U spoju sa zajedničkom bazom ostvaruje se samo pojačanje napona, u spoju sa zajedničkim kolektorom samo pojačanje struje, a spoju sa zajedničkim emiterom pojačava se i napon i struja, pa je pojačanje snage najveće.

Za delotvoran rad tranzistora je bitno da struja koja teče u bazu bude što manja. Dva faktora koja na to utiču su faktor injekcije i transportni faktor. Faktor injekcije zavisi od odnosa broja nosilaca koji se injektiraju iz emitera u bazu prema broju nosilaca koji se injektiraju iz baze u emiter. Povoljan se odnos postiže kada je emiter znatno više dopiran od baze.

Transportni faktor zavisi od broja injektiranih nosilaca koji se rekombiniraju u bazi, a za njega je bitno da baza bude dovoljno tanka kako bi nosioci stigli do kolektorskog spoja pre nego što se rekombiniraju.

Bilo da se radi o PNP ili NPN tipu tranzistora oba obavljaju istu funkciju. Razlika je u polaritetima spoljnih napona i struja, te u vrsti nosilaca električne struje. U PNP tipu tranzistora glavni su nosioci električne struje šupljine, a u NPN tipu tranzistora su to elektroni.

Parametri bipolarnog tranzistora

Izlazne karakteristike tipičnog bipolarnog tranzistora koji se ugrađuje u sklopove koji služe kao naponska pojačala, i druge različite namene, radno područje označeno je plavom bojom

Bipolarni tranzistor primarno se smatra strujnim aktivnim izvorom gde istosmerna kolektorska struja zavisi od struje baze:

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

Bipolarni tranzistor kao aktivni električni izvor se predstavlja u elektroničkim kolima s nadomestnim upravljanim strujnim izvorom.

Dinamičko strujno pojačanje

Za razliku od istosmernog strujnog pojačanja koje se definiše kao:

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

dinamički faktor strujnog pojačanja h_FE se definiše kao strujno pojačanje za mali električni signal u određenoj radnoj tački tranzistora:

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

Razmotre li se male naizmenične struje bipolarni tranzistor se može predočiti aktivnim strujno upravljanim strujnim izvorom nazivne struje :

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

gde je i_c naizmenična komponenta kolektorske struje, h_FE dinamički faktor strujnog pojačanja, a i_b ulazna pobudna struja baze.

Faktor strujnog pojačanja može poprimati vrednosti od nekoliko desetaka do nekoliko stotina, zavisno od namene i tehnologije izrade.

Ulazni dinamički otpor

Izlazni tranzistor snage 2N 3055

Veličina ulaznog dinamičkog otpora određena je položajem radne tačke na ulaznoj U_BE/ I_B karakteristici. Kako je struja baze u zavisnosti od napona baza/emiter određena sa:

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

gde je I_B struja baze, I_s reverzna struja zasićenja, U_BE napon baza/emiter, k Boltzmanova konstanta, a T apsolutna temperatura u ⁰K. Sledi da je ulazna dinamička provodnost određena kao:

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

gde je tada dinamički ulazni otpor jednak:

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

Dinamički ulazni otpor veličina je koja izrazito ovisi o radnoj točki tranzistora. U zapornom području je ulazni otpor velik, a u propustnom se brzo smanjuje naročito za napon baza/emiter U_BE veći od praga vođenja koji je za silicijeve tranzistore negdje između O,5 i O,6 V. Kako će fizički veći tranzistori imati u pravilu i veću reverznu struju zasićenja, izlazni tranzistori snage imaju shodno tome i manji dinamički ulazni otpor, što se vidi i iz njihove ulazne U_BE/ I_B karakteristike. Tranzistor u zasićenju radi kao uključena sklopka.

Unutrašnji dinamički otpor

Unutrašnji dinamički otpor određuje se kao odnos male promene kolektorskog napona i male promene kolektorske struje u radnoj tački tranzistora, a uz konstantnu struju baze:

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

Unutrašnji dinamički otpor tranzistora je velik za sve savremene silicijumoeve bipolarne tranzistore te je izlazni kolektorski naizmenični napon zavisan najvećim delom od veličine opteretnog otpora.

Naponsko pojačanje u spoju zajedničkog emitera

Bipolarni tranzistor predstavlja za naizmenični električni signal strujno upravljan električni izvor struje i predstavlja se nadomestnim izvorom unutrašnjeg otpora R_i i struje

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

gde je h_FE dinamički faktor strujnog pojačanja, a i_ul pobudna struja koja teče kroz bazu bipolarnog tranzistora. Međutim, u čestim okolnostima gde je dinamički električni otpor koji se pojavljuje na ulaznim elektrodama bipolarnog tranzistora znatno veći od unutrašnjeg otpora električnog izvora koji se priključuje na bazu i emiter bipolarnog tranzistora, ova jednakost se može prikazati u nešto drukčijem obliku

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

gde je u_ul ulazni napon koji dolazi iz naponskog izvora, a R_ul dinamički otpor na ulazu tranzistora.

Pad napona u_R na opteretnom otporu biće zavisan od međusobnog odnosa opteretnog otpora i unutrašnjeg otpora izvora

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

te je naponsko pojačanje pojačala s bipolarnim tranzistorom određeno prema jednakosti

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

Naponsko pojačanje elektroničkog sklopa s bipolarnim tranzistorima određeno je, dakle, prvenstveno faktorom dinamičkog strujnog pojačanja i dinamičkom ulaznom impendancijom bipolarnog tranzistora te međusobnim odnosom opteretnog otpora i unutrašnjeg otpora izvora. Pojačanje ima negativan predznak jer povećanje ulaznog izmjeničnog napona na bazi tranzistora ima za posljedicu smanjenje kolektorskog napona na izlazu.

Ponašanje na višim frekvencijama

Ulazna impedansa

Ulaznu impedansu bipolarnog tranzistora sačinjavaju njen radni deo, ulazni otpor R_ul i rezultantna ulazna kapacitivnost koju čini s jedne strane kapacitet baza/emiter C_be, a s druge strane kapacitet kolektor/baza C_cb koji se preslikava u ulazni krug uvećan za naponski faktor pojačanja sklopa u koji je ugrađen bipolarni tranzistor (Milerov efekat):

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

gde je tada ulazna impedansa određena jednakosti:

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

Ulazna impedansa triode je na taj način osetno manja u poređenju sa tetrodom i pentodom kod kojih su drugom rešetkom ulazni i izlazni krug praktično potpuno odvojeni.

Izlazna impedansa

Unutrašnji, odnosno izlazni dinamički otpor elektronske cevi na nižim i srednjim frekvencijama određen je karakteristikama razmatrane elektronske cevi, gde će trioda u tom smislu imati relativno mali unutrašnji otpor, tetroda osetno veći, a pentoda najveći. Srazmerno veličini unutrašnjeg otpora raste i mogućnost naponskog pojačanja elektronske cevi te će pentoda imati najmanje za red veličine veće naponsko pojačanje. Pri višim frekvencijama valja računati na uticaj svih međuelektrodnih kapaciteta što će se očitavati kao pad pojačanja pri višim frekvencijama, a usled delovanja međuelektrodnih kapaciteta koji se u izlaznom krugu pojavljuju kao kapacitivno opterećenje zavisno od frekvencije.

Unipolarni tranzistor

Kod unipolarnih tranzistora, za razliku od bipolarnih, u vođenju struje sudeluje samo jedna vrsta električnog naboja (ili elektroni ili šupljine). Nazivaju se tranzistori sa efektom polja (engl. Field-effect transistor, skraćeno FET, a nem. Feldeffekt Transistor). Svojstvo im je da imaju izrazito veliki ulazni otpor te se mogu smatrati naponski upravljanim aktivnim izvorom.

Unipolarni tranzistori zavisno od tehnologije izrade mogu biti

• Spojni (engl. Junction field-effect transistor, skraćeno JFET, a nem. Sperrschicht-FET)
• S izoliranim zasunom (engl. Insulated gate FET, skraćeno IGFET
• Metal oksidni (engl. metal oxide semiconductor FET, skraćeno MOSFET, a nem. Isolierschicht-FET).
• Vertikalni metal oksidni (engl. vertical metal oxide semiconductor FET, skraćeno VMOSFET)

Unipolarni tranzistori mogu još obzirom na tip poluvodiča biti n-kanalni ili p-kanalni, a obzirom na dopiranje mogu biti izvedeni kao obogaćen ili osiromašen tip.

Fototranzistor

Znatno veću osetljivost na svetlost u poređenju s fotodiodama imaju fototranzistori. Međutim, brzina rada im je znatno manja od brzine rada fotodiode. Vreme uključenja, a posebno isključenja, znatno je duže, reda veličine nekoliko mikrosekundi, dok kod fotodiode može biti manje od nanosekunde. Delovanje fototranzistora slično je delovanju običnih bipolarnih tranzistora s tim da se struja baze stvara osvetljenjem PN spoja baza-kolektor. Fototranzistor se može predočiti s pomoću spoja bipolarnog tranzistora i fotodiode spojene između kolektora i baze. Kad je tranzistor neosvetljen njime teče samo vrlo mala tamna struja koju čini preostala struja kolektora reda veličine od nekoliko nanoampera do nekoliko desetaka nanoampera.

Bipolarni		FET
	PNP		P-kanalni
	NPN		N-kanalni

Simboli za tranzistore raznih vrsta

Značaj

Tranzistor se smatra za jedan od najvećih izuma u istoriji čovečanstva. Tu se takođe nalaze i štampa, kompas, časovnik, optičko sočivo, parna mašina, motor sa unutrašnjim sagorevanjem, telegraf, telefon i mikroprocesor. On je sastavni deo skoro svih današnjih električnih uređaja gde igra ključnu ulogu aktivne komponente. Danas se tranzistori proizvode u ogromnim količinama u visoko automatizovanim procesima po niskim cenama. Niska cena tranzistora i univerzalna primenljivost ga čini skoro idealnim gradivnim elementom svakog elektronskog kola.

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). str. 1. . Springer. 2004. ISBN 978-3-540-40546-7. 
• Streetman, Ben (1992). Solid State Electronic Devices. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. str. 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. Arhivirano iz originala 23. 6. 2009. g. Pristupljeno 3. 8. 2017. 
• Riordan, Michael (2005). „How Europe Missed the Transistor”. IEEE Spectrum. 42 (11): 52—57. doi:10.1109/MSPEC.2005.1526906. Arhivirano iz originala 14. 2. 2008. g. Pristupljeno 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. 

Spoljašnje veze

• IEEE virtuelni muzej o tranzistoru
• Belov sajt o istoriji tranzistora
• 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

Tabele sa podacima

• 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