Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Tranzystory: historia i współczesność, część 1. Pierwsze tranzystory

W cyklu krótkich artykułów przypomnimy historię tranzystora, a raczej różnych typów tranzystorów. Jak wiadomo, dziś jeden układ scalony może zawierać tysiące, miliony, a nawet miliardy tranzystorów. Pojedyncze tranzystory na pewno nie są podstawą budowy współczesnych urządzeń, niemniej nadal są używane. Najczęściej są to tranzystory dużej mocy i dlatego im poświecimy najwięcej uwagi.
Article Image

Prawie wszyscy wiedzą, że pierwszy tranzystor, wynaleziony i zaprezentowany w roku 1947, był tranzystorem bipolarnym. Ale mało kto wie, że pierwsze pomysły i patenty na półprzewodnikowe elementy czynne dotyczyły czegoś, co dziś nazywamy tranzystorami polowymi i że pierwszy patent na tranzystor polowy, zbudowany z siarczku miedzi (Cu2S), złożył w Kanadzie i USA w roku 1925 Julius Edgar Lilienfeld, urodzony we Lwowie naukowiec żydowskiego pochodzenia. Rysunek 1 pochodzi z jego zgłoszenia patentowego. We wczesnych latach 30. patent na tranzystor polowy złożył też niemiecki inżynier Oskar Heil.

Na początku XX wieku najpopularniejszymi elementami wzmacniającymi były lampy elektronowe, których działanie opiera się na ruchu elektronów w próżni. Od początku stulecia fizycy intensywnie badali też różne materiały stałe przewodzące prąd – pomalutku rodziła się fizyka ciała stałego. Wiedziano, że analogicznie do elektronów w próżni, materiały stałe przewodzące prąd też zawierają naładowane nośniki ładunku elektrycznego.

Wiedziano też, że w lampach elektronowych efekt wzmocnienia wynika z oddziaływania polem elektrycznym na poruszające się nośniki prądu. Najprościej biorąc, niewielkie napięcie siatki wytwarza pole elektryczne i tak wytworzone słabe pole elektryczne, zależnie od kierunku (biegunowości), przyciąga (przyspiesza) albo odpycha (spowalnia) ruch elektronów.

Rys.1 Pierwszy patent na tranzystor polowy

Tę samą zasadę oddziaływania pola elektrycznego na poruszające się nośniki ładunku elektrycznego próbowano wykorzystać do budowy elementów wzmacniających, z zastosowaniem różnych materiałów lepiej i gorzej przewodzących prąd, mniej więcej według idei Lilienfelda z rysunku 1. Pomysł ten, jak najbardziej prawidłowy, pojawił się mniej więcej sto lat temu, ale niełatwo było zbudować funkcjonujący „nielampowy” element o takim działaniu.

Głównym problemem był wtedy brak odpowiednio czystego materiału półprzewodnikowego, a także nieścisłe wyobrażenie o działaniu takiego elementu (w przeciwieństwie do próżni pole elektryczne nie chciało wnikać w głąb przewodzącego materiału półprzewodnikowego). Głównie z tych dwóch względów nie udawały się próby zbudowania działających elementów wzmacniających opartych na materiałach stałych, konkretnie półprzewodnikach.

Jednak w latach 30. i 40. świadomie i na naukowych podstawach dążono do stworzenia półprzewodnikowego elementu wzmacniającego i poszukiwania koncentrowały się właśnie wokół opisanej właśnie prostej i eleganckiej koncepcji, która potem została zrealizowana w tranzystorach polowych. William Shockley, szef zespołu pracującego nad wynalezieniem tranzystora, późniejszy noblista, już w pierwszej połowie lat 40. opracował naukowe podstawy elementu półprzewodnikowego, sterowanego polem elektrycznym.

Fot.2 Stworzenie elementu wzmacniającego

W związku z tym na paradoks zakrawa fakt, że pierwsze praktycznie użyteczne tranzystory były to dużo bardziej skomplikowane, bipolarne tranzystory złączowe (BJT – Bipolar Junction Transistor), stworzone dopiero pod koniec lat 40. XX wieku (grudzień 1947), najpierw germanowe (Ge), potem krzemowe (Si).

Właśnie w związku ze wspomnianym, dominującym wtedy kierunkiem badań i poszukiwań, stworzenie elementu wzmacniającego (fotografia 2 © Alcatel-Lucent USA Inc.) przez Johna Bardeena i Waltera Brattaina często nie jest nazywane świadomym wynalezieniem, tylko (w dużej części przypadkowym) odkryciem tranzystora. Otóż badacze ci próbowali zbudować tranzystor polowy, jednak ku swojemu zdziwieniu zauważyli, że ich przedziwna konstrukcja (nazwana później tranzystorem ostrzowym) może wzmacniać sygnały elektryczne, ale w inny sposób, niż oczekiwali!

Późniejsze badania, zarówno praktyczne, jak i analizy teoretyczne, doprowadziły do stworzenia tranzystorów bipolarnych o innej budowie i zdecydowanie lepszych parametrach. W klasycznym tranzystorze bipolarnym trzy warstwy półprzewodnika o przewodnictwie typu p i typu n tworzą dwa złącza pn, gdzie dzięki małej szerokości obszaru bazy prąd może płynąć przez spolaryzowane zaporowo złącze kolektorowe, a wielkość prądu kolektora jest zależna od dużo mniejszego prądu bazy.

Istnieją bipolarne tranzystory komplementarne, czyli typu npn i pnp. Rysunek 3 przypomina schemat ich budowy. Tranzystory bardzo często pełnią funkcję wzmacniaczy sygnałów zmiennych o różnych częstotliwościach, ale pracują też jako elementy przełączające, pełniące funkcję kluczy – sterowanych zaworów.

Rys.3 Tranzystory npn i pnp

Tranzystory bipolarne szybko odniosły sukces komercyjny. Już w latach 1952–54 pojawiły się pierwsze tranzystorowe urządzenia, np. aparat słuchowy Sonotone w 1952. Jednak wczesne tranzystory (germanowe) miały właściwości bardzo dalekie od ideału. Nadal trwały prace badawcze mające na celu realizację dużo prostszej idei tranzystora polowego, gdzie prąd byłby sterowany zmianami pola elektrycznego, czyli w praktyce – zmianami napięcia.

Pierwsze laboratoryjne sukcesy w tym zakresie ogłoszono dopiero kilka lat po wynalezieniu tranzystora bipolarnego. Mianowicie dopiero na początku lat 50. poinformowano (Bell Labs) o stworzeniu tranzystora polowego złączowego, czyli JFET – Junction Field Effect Transistor, który działał podobnie, jak opisywał to wygasły już wtedy patent Lilienfelda. Niestety okazało się, że długo oczekiwany tranzystor polowy JFET w praktyce wcale nie jest tak atrakcyjny, jak można się było spodziewać.

W latach 50. w licznych laboratoriach prowadzono prace nad wytworzeniem praktycznie użytecznych tranzystorów polowych. Ale w tym czasie tranzystory polowe pozostawały laboratoryjną ciekawostką, a nie użytecznymi elementami rynkowymi. Dopiero na początku lat 60. badania te zaowocowały pojawieniem się tranzystorów polowych MOSFET, które później zdominowały elektronikę. Jednak co najmniej do końca lat 70. dominowały tranzystory bipolarne. Pomimo ich niedoskonałości, w większości aplikacji szybko okazały się dużo lepsze od lamp elektronowych, niekoniecznie ze względu na parametry, częściej z uwagi na cenę i wygodę stosowania.

Tranzystory znalazły też wiele nowych zastosowań. Pojawiło się i rosło zapotrzebowanie na bipolarne tranzystory większej mocy oraz wysokonapięciowe. Przez różne sprytne rozwiązania poprawiano ich parametry dynamiczne, przez co stawały się coraz szybsze. Stopniowo ulepszano też sposoby przekazywania ciepła ze struktury do obudowy i dalej do otoczenia. Opracowano tranzystory o coraz większej mocy strat: kilku, kilkunastu, a w końcu ponad 100 watów.

Zwiększano też maksymalne dopuszczalne napięcia pracy. Tu problemem jest fakt, że wysokonapięciowe tranzystory bipolarne muszą mieć większą szerokość (grubość) struktury bazy, a to oznacza pogorszenie szybkości i redukcję wzmocnienia. Dlatego tranzystory wysokonapięciowe miały i mają małe wzmocnienie prądowe, niektóre tylko 10x, a nawet mniej. Do ich sterowania potrzebny jest stosunkowo duży prąd.

Na rynku już od lat 60. XX wieku były obecne komplementarne bipolarne tranzystory mocy (NPN i PNP) oraz wysokonapięciowe, głównie NPN. Część z nich optymalizowana była do pracy w szybkich układach przełączających – impulsowych. Jednak pomimo postępu, dawały o sobie znać nieuniknione ograniczenia, wynikające z fundamentalnych zasad pracy tranzystorów bipolarnych. W latach 50. i 60. uwaga była skupiona głównie na tranzystorach bipolarnych i z biegiem lat uzyskiwano coraz lepsze parametry.

Jednak tranzystory bipolarne mają pewne „wrodzone” i „nieuleczalne” wady, które w wielu zastosowaniach okazują się bardzo poważnym ograniczeniem. Szukano sposobów poprawy sytuacji. Po pierwsze równolegle prowadzono badania nad elementami innymi niż tranzystory bipolarne, w szczególności nad różnymi odmianami tranzystorów polowych.

Po drugie, okazało się, że parametry można zdecydowanie poprawić przez odpowiednie złożenie dwóch lub więcej tranzystorów albo oddzielnych, albo zintegrowanych razem w jednym elemencie.

Po trzecie, obok germanu (Ge) zaczęto wykorzystywać różne inne materiały półprzewodnikowe, przede wszystkim krzem (Si), ale też arsenek galu (GaAs), węglik krzemu (SiC) a od niedawna także azotek galu (GaN). W kolejnych częściach artykułu przedstawione zostaną te kierunki poprawy i rozwoju. W drugim odcinku zajmiemy się tranzystorami polowymi złączowymi JFET.

AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich lipiec 2018
Udostępnij
UK Logo