Co to jest tranzystor, jak działa i za co odpowiada?

Nieco historii

Na początku XX wieku powstała pierwsza lampa elektronowa - trioda. Zawdzięczamy ją amerykańskiemu wynalazcy, Lee de Forestowi. To dzięki niemu oraz jego wynalazkowi możliwy był rozwój elektroniki.

Czemu trioda była tak ważna? Za jej pomocą możliwe było wzmocnienie sygnału, czyli zwiększenie jego mocy. Dotychczasowe metody były bardzo ułomne pod tym względem, a trioda rzuciła zupełnie nowe światło. Dzięki możliwości uzyskania wzmocnienia, cała radiotechnika i telekomunikacja mogły wykonać znaczny skok rozwojowy!

Co nam daje wzmocnienie? Proporcjonalne zwiększenie mocy sygnału. Możemy w ten sposób sprawić, że niesiona przez sygnał informacja będzie znacznie czytelniejsza i łatwiejsza w odbiorze - na przykład, za pomocą głośnika.

Potrzebna alternatywa

Trioda była rewolucją w technice, po niej opracowano inne lampy elektronowe, ale ludzkość szybko zdała sobie sprawę z ich ograniczeń. Ówczesny sprzęt elektroniczny był ciężki, drogi i miał duże gabaryty. Pochłaniał znaczną ilość energii elektrycznej, która nie była tania, a w zastosowaniach przenośnych wyglądało to niekiedy kuriozalnie: radiostacja miała formę plecaka o sporych gabarytach i masie kilkunastu kilogramów. Zasięg takiego tworu to jedynie kilka kilometrów, ale na tamte czasy to i tak sporo.

Głównymi przeszkodami w rozwoju elektroniki były: konieczność stosowania wysokich napięć oraz żarzenia katod lamp. Ten urokliwy blask, który ceni sobie wielu użytkowników wzmacniaczy lampowych, jest efektem rozgrzania katody do bardzo wysokiej temperatury, co wiąże się ze znacznymi stratami energii.

Oto nadchodzi… tranzystor

Odkrycie tranzystora nie było dziełem przypadku, jak to miało miejsce z innymi wielkimi wynalazkami. Pierwszy w pełni działający, a później skomercjalizowany, tranzystor powstał dzięki metodycznej pracy naukowców - również pochodzących z Ameryki. John Bardeen, Walter Houser Brattain oraz William Bradford Shockley, który miał również inne wynalazki w tej dziedzinie, za wynalezienie tranzystora otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki w 1956 roku.

Pierwszy prototyp działającego tranzystora miał niemałe gabaryty i był bardzo wrażliwy na wstrząsy, ale za jego sprawą dało się przekonać ówczesne firmy do wyłożenia funduszy na dalszy rozwój nowej gałęzi elektroniki. Poniższe zdjęcie przedstawia jego replikę.

Szybki sukces

Ludziom nie trzeba było dwa razy powtarzać. Szybko odkryto główne zalety tranzystorów: brak żarzenia, możliwość pracy z niskimi napięciami, małe wymiary i niską masę. Urządzenia tranzystorowe stały się hitem do tego stopnia, że producenci chwalili się na obudowach sprzętu RTV, ile tranzystorów ich wyrób zawiera. 

Sprzęt stał się tańszy, łatwiej dostępny, bardziej niezawodny i znacznie mniej energochłonny. Lampy były wypierane z kolejnych obszarów przez coraz doskonalsze tranzystory.

Ale to nie koniec

Pojedyncze tranzystory również zaczęły przeszkadzać. Owszem, są mniejsze od lamp, ale sama struktura półprzewodnikowa jest malusieńka w porównaniu z obudową, w której musi być zamontowana. Czy da się coś z tym zrobić?

Owszem, da - i tak powstały układy scalone. Na jednym kawałku krzemu zaczęto produkować wiele tranzystorów. Najpierw były to proste obwody, które warto było zminiaturyzować. Jack Kilby, twórca pierwszego działającego układu scalonego, dokonał tego w 1958 roku. Ironia losu: na nagrodę Nobla za to osiągnięcie czekał aż 42 lata, kiedy jego wynalazek był już obecny nawet w zegarkach naręcznych, wagach łazienkowych i zabawkach dla dzieci.

Więcej i… więcej

Dzisiejsze układy scalone mogą zawierać nawet miliardy tranzystorów. Doszliśmy do tego, że pojedynczy tranzystor składa się nawet z kilkunastu atomów, a ich miniaturyzacja wciąż postępuje. 

Jednak, niezależnie od gabarytów i przeznaczenia, od każdego tranzystora nadal oczekujemy tego samego, czego ponad sto lat temu chcieliśmy od lampy - wzmocnienia.

Czemu akurat wzmocnienie?

Aby uświadomić sobie, jak bardzo potrzebujemy wzmocnienia, przeanalizujmy zwykły odbiornik radiowy UKF FM. W jego antenie indukuje się sygnał pochodzący z nadajnika. W obwodach radioodbiornika jest on odpowiednio filtrowany, demodulowany i - co najważniejsze - wzmacniany. Zwykłe radio, którego dźwięki towarzyszą nam na co dzień, to naprawdę skomplikowana machina służąca do wzmacniania!

Po przebyciu wielu kilometrów, jakie dzieli droga między nadajnikiem a odbiornikiem, jego moc jest malutka - ciężko określić, ile dokładnie wynosi, ponieważ to zależy od wielu czynników, ale można przyjąć, że dobry odbiornik poradzi sobie z sygnałem wejściowym o mocy 1 pW (jeden pikowat), a na jego głośnik trafia sygnał o mocy, załóżmy, 1 W. Wymagane wzmocnienie mocy wyniesie zatem:

Nasze ucho nie byłoby w stanie usłyszeć tak małej mocy jak 1 pW, choćby została doprowadzona do najlepszego głośnika na świecie. Dopiero po tak silnym (miliard miliardów razy) wzmocnieniu, możemy go usłyszeć. Oczywiście, to tylko przykład, ponieważ istnieją układy o znacznie większym wzmocnieniu.

A wśród układów cyfrowych?

Niektórzy mogliby pomyśleć, że dzisiejszy świat został opanowany przez układy cyfrowe i tego problemu już nie ma. Nie do końca, a nawet zupełnie nie - problem nadal jest. Powiem więcej, jest on jeszcze bardziej odczuwalny.

Wszystkie bodźce, które oddziałują na nasze zmysły, mają charakter analogowy. Cały nasz świat jest analogowy. Układy cyfrowe mogą działać dopiero po odpowiedniej “obróbce” takiego sygnału tak, aby miał on zrozumiałą dla niego formę. Wśród elementów wchodzących w tor obróbki takiego sygnału jest również odpowiednie jego wzmocnienie.

Ale to nie wszystko. Nawet najbardziej złożony układ cyfrowy, który nie ma żadnego związku z sygnałami analogowymi, również zawiera wzmacniacze. Nie pracują one tak, jak typowe układy wzmacniające np. sygnał audio, ale również oczekujemy od nich wzmocnienia. Działanie wzmacniaczy w układach cyfrowych jest bardziej zawoalowane.

Przerzutnik, czyli dwa wzmacniacze

Każdy sekwencyjny układ cyfrowy, który swoje działania wykonuje w takt sygnału zegarowego - a do takich należy zdecydowana większość dzisiejszych układów cyfrowych - zawiera przerzutniki. Jeden przerzutnik może zapamiętać dokładnie jeden bit informacji: zero lub jedynkę. Ta informacja może w nim trwać dowolnie długo, aż do wyłączenia zasilania układu. Dzisiejsze procesory zawierają miliony przerzutników.

Najprostszy przerzutnik zawiera dwa wzmacniacze, które zostały sprzęgnięte ze sobą: wejście pierwszego z wyjściem drugiego i odwrotnie. Informacja, którą przechowują, bezustannie krąży między nimi i jest cały czas wzmacniana. W ten sposób oba te elementy wzajemnie podtrzymują swój stan. Na poniższym rysunku znajdują się symbole logicznych bramek NOT, ale są one niczym innym jak elementami wzmacniającymi.

Teraz chwila zastanowienia... Co zawierają wzmacniacze? Tranzystory! Wynika z tego prosta rzecz: przerzutniki muszą zawierać tranzystory, aby mogły działać. I te tranzystory pełnią w nich rolę wzmacniaczy, chociaż na pierwszy rzut oka tego nie widać.

Najprostszy przerzutnik, którego nie znajdziemy już we współczesnych układach, zawierał tylko dwa tranzystory. Jednak to nie oznacza, że jest jakiś “ułomny” - dzięki niemu funkcjonowało wiele pierwszych komputerów, które wykonywały nawet bardzo złożone obliczenia matematyczne.

Jak działają tranzystory?

Współcześnie mamy do dyspozycji wiele rodzajów tranzystorów, w tym całkowicie nowe, których jeszcze kilkanaście lat temu w ogólne nie było na świecie. Technologia produkcji tranzystorów ulegała zmianom, a ich parametry stawały się coraz lepsze. Ale kilka podstawowych reguł nie uległo zmianie.

Wiemy już, po co nam tranzystory i jaką drogę rozwoju przeszły. Ale jak działają? Omówimy dwa najbardziej podstawowe typy: bipolarny i unipolarny. Cała reszta w pewnym stopniu wywodzi się od nich. Zanim przejdziemy do tranzystorów, warto omówić kilka podstawowych zagadnień związanych z fizyką półprzewodników.

Półprzewodnik - z czym to się je?

Do tego niezbyt licznego grona należą krzem i german, lecz to ten pierwszy jest teraz wykorzystywany na masową skalę. Półprzewodnik to taki materiał, który sam z siebie niezbyt chętnie przewodzi prąd, lecz możemy łatwo to zmienić - na przykład przez domieszkowanie.

Dlaczego? Czysty kryształ krzemu ma ściśle uporządkowaną strukturę: każdy atom tworzy dokładnie 4 wiązania, po jednym z każdym z jego sąsiadów, poniewaz zawiera 4 elektrony walencyjne. Taka struktura nie będzie przewodziła prądu, ponieważ brak w niej miejsca na dodatkowe nośniki ładunku elektrycznego, dzięki którym mógłby nastąpić przepływ prądu elektrycznego.

Domieszkowanie polega na celowym popsuciu tego ideału, ale dzieje się to w kontrolowanych warunkach i specjalnymi metodami. Do struktury krzemu są wprowadzane obce atomy, mające 3 lub 5 elektronów walencyjnych. Ulegają “wmontowaniu” w sieć krystaliczną, ale nie do końca - któreś wiązanie pozostanie nieobsłużone. Dzięki takim miejscowym defektom, kryształ nabiera nowych właściwości.

Mamy dwa rodzaje domieszkowania. Donorowe oznacza wprowadzenie atomu, który ma 5 elektronów walencyjnych (np. fosfor). Piąty elektron nie ulegnie związaniu ze swoimi krzemowymi sąsiadami i będzie mógł swobodnie krążyć. Taki półprzewodnik uzyska przewodnictwo elektronowe. Oznaczamy go literą n (lub N) od negative, bo elektrony mają ładunek ujemny.

Domieszkowanie akceptorowe działa w ten sposób, że dodatkowy atom domieszki ma 3 elektrony walencyjne. 3 sąsiadujące z nim atomy utworzą wiązanie, a co z czwartym? Będzie mu brakowało elektronu. I ten brak, miejscowy niedobór nazywamy dziurą. Nie ma ona określonego kształtu ani nie można jej wyodrębnić ze struktury i sfotografować - dziura jest tworem teoretycznym, wyobrażeniem braku elektronu w danym miejscu kryształu krzemu. 

Co istotne, dziury mogą się przemieszczać. Czynią to wolniej niż elektrony, ale nie są nieruchomo związane z danym atomem. Równie ważny jest fakt, że dziury mają ładunek dodatni. Dlatego ten rodzaj półprzewodnika jest oznaczany literą p (lub P) od positive.

Tranzystory bipolarne

Ten rodzaj tranzystora ma trzy wyprowadzenia o charakterystycznych nazwach: emiter, kolektor i baza. Aby uprościć sobie życie, przypisano im również literki, które ułatwiają zapisywanie wzorów i omawianie schematów:

• emiter: E
• kolektor: C lub K
• baza: B

W skład struktury takiego tranzystora wchodzą trzy warstwy półprzewodnika, ułożone jedna na drugiej. A dokładniej: zagłębiona jedna w drugą. W relatywnie dużej próbce, która pełni rolę kolektora, zostało wykonane “jeziorko” będące bazą. Na tym jeziorku jest “wysepka” którą jest emiter. W przekroju wygląda to tak:

Mamy dwa rodzaje tranzystorów: npn i pnp. Różnią się układem warstw i typami nośników, jakie płyną w danych obszarach, ale zasada działania jest identyczna. Dla uproszczenia, jako pierwszy omówimy tranzystor npn: emiter i kolektor mają przewodnictwo typu n (elektronowe), a baza typu b (dziurowe). Tranzystory mają określone symbole schematowe, zaś npn od pnp bardzo łatwo można odróżnić po zwrocie strzałeczki emitera.

Działanie tranzystora zaczyna się w momencie przyłożenia napięcia między bazę i emiter: potencjał bazy musi być wyższy niż emitera o około 0,7V. Na tej drodze zaczyna płynąć prąd, zwany prądem bazy. Można to interpretować jako spolaryzowanie diody w kierunku przewodzenia, ponieważ złącze baza-emiter faktycznie zachowuje się jak dioda. 

Ale to nie wszystko: kolektor również trzeba spolaryzować dodatnio względem emitera. Wtedy elektrony, które krążą od emitera do bazy, zaczną “zauważać” potencjał dodatni, jaki znajduje się za obszarem bazy - czyli właśnie kolektor. Spora grupa elektronów rozpędzi się i przeleci obszar bazy, lądując w kolektorze. Niektóre z nich nie dolecą do kolektora i utkną w bazie.

Co ciekawe, ten mechanizm działa proporcjonalnie: im większa liczba elektronów zatrzyma się w obszarze bazy, tym więcej dotrze ich do kolektora. Chcemy uzyskać jak największy prąd kolektora i jak najmniejszy prąd bazy, ale to właśnie prądem bazy mamy wpływ na prąd kolektora. Stosunek obu prądów (kolektora i bazy) nazywamy wzmocnieniem prądowym tranzystora. 

Tak dzieje się, kiedy tranzystor jest w stanie aktywnym: możemy regulować prąd kolektora. Jednak kiedy prąd kolektora osiągnie swoje maksimum, ponieważ na więcej nie pozwalają mu otaczające tranzystor elementy, dojdzie do nasycenia. Dalsze zwiększanie prądu bazy nie wywoła już wzrostu prądu kolektora. Na drugim końcu jest zatkanie tranzystora, czyli stan, w którym żadne prądy nie płyną przez elektrody tranzystora.

W tranzystorze pnp kierunki prądów są odmienne, ponieważ inne są warstwy półprzewodników: emiter i kolektor są domieszkowane akceptorowo (typu p), a baza jest typu n. Stany pracy oraz zależności i napięcia są takie same, jak w tranzystorze npn.

Tranzystory unipolarne

W tej rodzinie jest wiele różnych tranzystorów, ale wszystko zaczęło się od unipolarnego tranzystora polowego - w skrócie JFET. Jego zasada działania oraz nazwy wyprowadzeń różnią się w stosunku do tranzystora bipolarnego. Sama nazwa (unipolarny) wzięła się od tego, że nośniki ładunku płyną przez obszar o jednym typie przewodnictwa, a nie jak w tranzystorze bipolarnym - o dwóch różnych typach przewodnictwa.

Nazwy wyprowadzeń tranzystora JFET:

• dren - ang. drain - oznaczany literą D
• źródło - ang source - oznaczane literą S
• bramka - ang. gate - reprezentowana przez literę G

Ten tranzystor ma dwa rodzaje wykonań: z kanałem typu n i z kanałem typu p. Działają tak samo, a różnią się kierunkami prądów i napięć - podobnie jak npn i pnp w rodzinie tranzystorów bipolarnych. Na początek omówimy tranzystor z kanałem typu n.

Obszar między drenem i źródłem jest wykonany z jednorodnego kawałka krzemu o elektronowym typie przewodnictwa (typu n) - to jest również tzw. kanał tranzystora. W tym kawałku jest wykonane przewężenie, wypełnione półprzewodnikiem typu p, które pełni rolę bramki. 

Kiedy bramka nie jest spolaryzowana względem źródła, prąd przez kanał płynie swobodnie. Jest to tzw. prąd nasycenia tranzystora, czyli największy z możliwych. Dopiero po spolaryzowaniu bramki napięciem ujemnym względem źródła, pole elektryczne pochodzące od niej zaczyna odpychać elektrony płynące przez kanał, zmniejszając jego przekrój dla nich. Inaczej mówiąc, oddziaływanie bramki zwęża kanał, co powoduje zmniejszenie natężenia płynącego prądu.

Skrajną sytuacją jest zatkanie tranzystora, czyli przyłożenie do bramki tak niskiego napięcia, że kanał zamknie się dla elektronów w 100%. Prąd drenu przestanie płynąć.

Co ważne, prąd bramki w tym tranzystorze nie płynie. Została wykonana z odmiennego rodzaju półprzewodnika niż obszar kanału, ale powstała na styku tych dwóch obszarów dioda jest cały czas spolaryzowana zaporowo. Stąd nazwa tego tranzystora - polowy - ponieważ sterowanie prądem drenu odbywa się poprzez pole elektryczne, a nie dzięki prądowi bazy.

Tranzystor JFET z kanałem typu p ma odmienne typy przewodnictwa półprzewodnika tworzącego kanał i bramkę. Tutaj, aby zatkać tranzystor, należy przyłożyć napięcie dodatnie względem źródła. 

Inne typy tranzystorów

Na bazie tranzystorów JFET powstały MOSFET, czyli tranzystory polowe z elektrycznie izolowaną bramką. Obszar bramki jest oddzielony warstwą dielektryka od kanału. Tego typu tranzystory mogą przewodzić prądy rzędu dziesiątek amperów i są bardzo chętnie stosowane w wielu miejscach.

W energoelektronice stosuje się tranzystory IGBT, czyli “skrzyżowanie” tranzystora MOSFET z bipolarnym. Ma bardzo ciekawe właściwości i jest stosowany tam, gdzie w grę wchodzą wysokie napięcia oraz wysokie prądy - na przykład, jako elementy sterujące cewkami w kuchenkach indukcyjnych.

Podsumowanie

Tranzystory przeszły swoistą ewolucję: od chwiejnego prototypu na stole laboratoryjnym, przez podzespoły wielkości łebka od szpilki aż po struktury o nanometrowych wielkościach. W elektronice są niezbędnymi elementami różnego rodzaju wzmacniaczy, bez których nie może się obyć żaden układ - czy to analogowy, czy cyfrowy. Nawet tranzystor załączający różne układy wykonawcze, jak żarówki czy silniki, również pełni w układzie rolę wzmacniacza.

Na rynku istnieje wiele rodzajów tranzystorów, ale wszystkie bazują na dwóch ideach: tranzystora bipolarnego i unipolarnego. Występują w różnych obudowach i są przeznaczone do różnych zastosowań, ale główna zasada działania pozostaje niezmienna.