Tranzistor ( anglicky tranzistor ), polovodičová trioda je elektronická součástka vyrobená z polovodičového materiálu, obvykle se třemi vývody [1] , schopná řídit značný proud ve výstupním obvodu malým vstupním signálem, což umožňuje její použití. k zesilování, generování, přepínání a převádění elektrických signálů. V současné době je tranzistor základem obvodů naprosté většiny elektronických zařízení a integrovaných obvodů .
Tranzistory se také nazývají diskrétní elektronická zařízení , která při plnění funkce jediného tranzistoru obsahují několik prvků, konstrukčně jako integrovaný obvod , například kompozitní tranzistor nebo mnoho vysoce výkonných tranzistorů [2] .
Tranzistory se podle struktury, principu činnosti a parametrů dělí do dvou tříd - bipolární a polní (unipolární). Bipolární tranzistor využívá polovodiče s oběma typy vodivosti, funguje díky interakci dvou těsně umístěných pn přechodů na krystalu a je řízen změnou proudu přes přechod báze-emitor, zatímco výstup emitoru ve „společném emitoru“ obvod je společný pro řídicí a výstupní proudy. Existují také obvody "společný kolektor (sledovač emitoru)" a "společná báze". Tranzistor s efektem pole využívá polovodič pouze jednoho typu vodivosti, umístěný ve formě tenkého kanálu, který je ovlivněn elektrickým polem hradla izolovaného od kanálu [3] , řízení se provádí změnou napětí mezi bránou a zdrojem. Tranzistor s efektem pole je na rozdíl od bipolárního řízen napětím, nikoli proudem. V současné době analogové technologii dominují bipolární tranzistory (BT) (mezinárodní termín - BJT, bipolar junction tranzistor). V číslicové technice jsou jako součást mikroobvodů ( logika , paměti , procesory , počítače , digitální komunikace atd.) naopak bipolární tranzistory téměř zcela nahrazovány polními . V 90. letech 20. století byl vyvinut nový typ hybridních bipolárních tranzistorů s efektem pole - IGBT , které jsou nyní široce používány ve výkonové elektronice.
V roce 1956 obdrželi William Shockley , John Bardeen a Walter Brattain Nobelovu cenu za fyziku za výzkum tranzistorového efektu [4] .
Do 80. let 20. století tranzistory díky své miniaturní velikosti, účinnosti, odolnosti vůči mechanickému namáhání a nízké ceně téměř úplně nahradily elektronky z elektroniky s malým signálem. Díky své schopnosti pracovat při nízkém napětí a vysokých proudech snížily tranzistory potřebu elektromagnetických relé a mechanických spínačů v zařízeních a díky své schopnosti miniaturizace a integrace umožnily vytvářet integrované obvody , které položily základy mikroelektroniky . Od 90. let 20. století, v souvislosti s nástupem nových výkonných tranzistorů, transformátorů, elektromechanických a tyristorových spínačů v silové elektrotechnice začaly být aktivně nahrazovány elektronickými zařízeními, začaly se aktivně rozvíjet frekvenčně řízené měniče napětí a měniče napětí .
Na schématech obvodů je tranzistor obvykle označen "VT" nebo "Q" s přidáním pozičního indexu, například VT12. V ruskojazyčné literatuře a dokumentaci se ve 20. století až do 70. let používalo i označení „T“, „PP“ (polovodičové zařízení) nebo „PT“ (polovodičová trioda).
Vynález tranzistoru, který je jedním z nejvýznamnějších úspěchů 20. století [5] , byl výsledkem dlouhého vývoje polovodičové elektroniky, který začal v roce 1833, kdy anglický experimentální fyzik Michael Faraday ve své práci „ Experimental Research on Electricity“, popsal neobvyklou teplotní závislost elektrické vodivosti sulfidu stříbrného , která se zvyšovala s rostoucí teplotou, zatímco vodivost kovů se při zahřívání snižovala. Do roku 1838 Faraday objevil 5 dalších látek s podobnými vlastnostmi [6] . Později se takové látky budou nazývat polovodiče .
V letech 1820-1900 významně přispěla ke studiu různých vlastností krystalů Becquerelova dynastie francouzských fyziků: Antoine Cesar Becquerel , Alexandre Edmond Becquerel a Antoine Henri Becquerel . Byly studovány piezoelektrické , termoelektrické vlastnosti krystalů , v roce 1851 Alexander Edmond Becquerel objevil fotovoltaický efekt při přechodu elektrolyt -polovodič .
Německý fyzik Karl Ferdinand Braun v roce 1874 poprvé objevil fenomén jednostranného vedení kontaktu kovové antény s krystalem sulfidu olovnatého a poté s dalšími polovodičovými krystaly. Bodová polovodičová detektorová dioda , založená na tomto jevu, byla patentována v roce 1906 inženýrem Greenleaf Witterem Pickardem .
Vynález vakuové diody v roce 1904 Johnem Flemingem , následovaný vynálezem zesilovací vakuové triody Lee de Forest v roce 1906 , zahájil vývoj vakuové elektroniky. Provozně stabilní a na pochopitelných fyzikálních principech elektronky zpomalily vývoj polovodičové elektroniky ve světě na 50 let. Během tohoto období byla fyzika polovodičů stále špatně pochopena, všechny úspěchy byly výsledkem experimentů. Vědci zjistili, že je obtížné vysvětlit, co se děje uvnitř krystalu. Často byly předkládány nesprávné hypotézy.
V roce 1910 anglický fyzik William Eccles objevil schopnost generovat elektrické oscilace v některých polovodičových diodách a inženýr Oleg Losev v roce 1922 nezávisle vyvinul diody, které mají negativní diferenciální odpor při určitých předpětích, s jejichž pomocí úspěšně použil zesilovací a generátorové vlastnosti polovodičů poprvé ( Kristadinny efekt ) v detektorových a heterodynních rádiových přijímačích vlastní konstrukce.
Zároveň na přelomu dvacátých a třicátých let minulého století začala v radiotechnice éra prudkého průmyslového rozvoje elektronek a tímto směrem pracovala valná část radiovědců. Křehké a vrtošivé polovodičové detektory otevřené konstrukce, u kterých bylo nutné ručně vyhledávat „aktivní body“ na krystalu kovovou jehlou, se staly údělem jednoduchých kutilů a radioamatérů, kteří na nich stavěli jednoduché radiopřijímače. Nikdo neviděl potenciální vyhlídky pro polovodiče.
K vytvoření bipolárních a polních tranzistorů došlo různými způsoby.
První krok k vytvoření tranzistoru s efektem pole udělal rakousko-uherský fyzik Julius Edgar Lilienfeld , který navrhl metodu řízení proudu ve vzorku aplikací příčného elektrického pole, které by při působení na nosiče náboje. kontrolovat vodivost. Patenty byly získány v Kanadě ( 22. října 1925 ) a Německu ( 1928 ) [7] [8] . V roce 1934 německý fyzik Oskar Heilve Velké Británii také patentoval „bezkontaktní relé“ založené na podobném principu. V roce 1938 R. Pohl a R. Hilsch poprvé získali zesílení z prototypu tranzistoru s efektem pole, ale zisk byl velmi nízký a pracovní frekvence nebyla vyšší než 1 Hertz.
Navzdory skutečnosti, že tranzistory s efektem pole jsou založeny na jednoduchém efektu elektrostatického pole a z hlediska fyzikálních procesů v nich probíhajících jsou jednodušší než bipolární (experimentoři se často snažili zopakovat konstrukci tříelektrodové lampy, triody , v krystalu), nebylo možné vytvořit funkční vzorek tranzistoru s efektem pole. Tvůrcům se nepodařilo obejít tehdy neznámé jevy v povrchové vrstvě polovodiče, která neumožňovala řídit elektrické pole uvnitř krystalu u tranzistorů tohoto typu (MIS tranzistor - kov, dielektrikum, polovodič). Po objevení bipolárního tranzistoru byl vytvořen funkční tranzistor s efektem pole. William Shockley v roce 1952 teoreticky popsal model polem řízeného tranzistoru jiného typu, u kterého se proudová modulace na rozdíl od dříve navržených struktur MIS [9] prováděla změnou tloušťky vodivého kanálu rozšířením resp. zúžení oblasti vyčerpání sousedící s p-n spojovacím kanálem. To se stalo, když bylo na přechod přivedeno řídicí napětí blokovací polarity hradlové diody. Tranzistor byl nazýván "tranzistor s efektem pole s kontrolním pn přechodem" (rušivé povrchové jevy byly eliminovány, protože vodivý kanál byl uvnitř krystalu).
První MIS tranzistor s efektem pole, patentovaný ve dvacátých letech minulého století a nyní tvořící základ počítačového průmyslu, byl poprvé vytvořen v roce 1960 po práci Američanů Kang a Atalla, kteří navrhli vytvořit nejtenčí vrstvu hradlového dielektrika na povrch krystalu křemíku oxidací povrchu křemíku vrstva oxidu křemičitého , která izoluje kovovou bránu od vodivého kanálu, taková struktura se nazývá struktura MOS (Metal-Oxide-Semiconductor).
V 90. letech 20. století začala technologie MOS dominovat nad bipolární technologií [10] .
Na rozdíl od polního tranzistoru byl první bipolární tranzistor vytvořen experimentálně a jeho fyzikální princip činnosti byl vysvětlen později.
V letech 1929-1933 na LPTI Oleg Losev pod vedením akademika Ioffe provedl řadu experimentů s polovodičovým zařízením, které strukturálně opakuje bodový tranzistor na krystalu karborunda (SiC) , ale poté nebylo možné získat dostatečný zisk. Při studiu jevů elektroluminiscence v polovodičích studoval Losev asi 90 různých materiálů, zejména separační křemík, a v roce 1939 se ve svých poznámkách znovu zmiňuje o práci na tříelektrodových systémech, ale vypuknutí války a smrt inženýra v obleženém Leningradu v r. zima 1942 vedla k tomu, že část jeho práce byla ztracena a není známo, jak daleko pokročil ve vytvoření tranzistoru. Na počátku 30. let 20. století radioamatéři Larry Kaiser z Kanady a Robert Adams z Nového Zélandu také vyrobili tříelektrodové bodové zesilovače, ale jejich práce nebyla patentována a nebyla podrobena vědecké analýze [5] .
Úspěchu dosáhla vývojová divize Bell Telephone Laboratories společnosti American Telephone and Telegraph , od roku 1936 v ní pod vedením Josepha Beckera pracovala skupina vědců zaměřená konkrétně na vytváření polovodičových zesilovačů. Do roku 1941 nebylo možné vyrobit polovodičové zesilovací zařízení (pokusilo se vytvořit prototyp tranzistoru s efektem pole). Po válce, v roce 1945, byl výzkum obnoven pod vedením teoretického fyzika Williama Shockleyho . Po dalších 2 letech neúspěchu, 16. prosince 1947, výzkumník Walter Brattain , který se pokoušel překonat povrchový efekt v krystalu germania a experimentoval se dvěma jehlovými elektrodami, obrátil polaritu aplikovaného napětí a nečekaně získal stabilní zesílení signálu. Následné studium jeho objevu spolu s teoretikem Johnem Bardeenem ukázalo, že nedochází k žádnému efektu pole, existují procesy, které v krystalu dosud nebyly studovány. Nebylo to pole, ale dříve neznámý bipolární tranzistor . 23. prosince 1947 proběhlo představení aktuálního modelu výrobku vedení firmy, toto datum začalo být považováno za datum narození tranzistoru. Poté, co se o úspěchu dozvěděl William Shockley, který již odešel do důchodu, se znovu zapojil do výzkumu a v krátké době vytvořil teorii bipolárního tranzistoru, ve které již nastínil nahrazení technologie bodové výroby perspektivnější, planární.
Zpočátku se nové zařízení nazývalo "germaniová trioda" nebo "polovodičová trioda", analogicky s vakuovou triodou - elektronkou podobné struktury. V květnu 1948 se v laboratoři konala soutěž o původní název vynálezu, kterou vyhrál John Pierce , který navrhl slovo „tranzistor“, vzniklé spojením pojmů „transkonduktance“ (aktivní mezielektrodová vodivost) a „proměnná“. rezistor" nebo "varistor" (proměnný odpor, varistor) nebo podle jiných verzí ze slov "transfer" - přenos a "resist" - odpor.
30. června 1948 proběhlo v sídle společnosti v New Yorku oficiální představení nového zařízení, na tranzistorech byl sestaven rádiový přijímač. Tento objev však nebyl oceněn, protože první bodové tranzistory měly ve srovnání s elektronkami velmi špatné a nestabilní vlastnosti.
V roce 1956 byli William Shockley , Walter Brattain a John Bardeen oceněni Nobelovou cenou za fyziku „za výzkum polovodičů a objev tranzistorového efektu“ [11] . Zajímavé je, že John Bardeen byl brzy oceněn druhou Nobelovou cenou za vytvoření teorie supravodivosti .
Souběžně s prací amerických vědců v Evropě byl bipolární tranzistor vytvořen experimentálním fyzikem Herbertem Matare a teoretikem ( Heinrich Welker ). V roce 1944 Herbert Matare, pracující v Telefunken , vyvinul polovodičovou „duodiodu“ (dvojitou diodu), která byla strukturálně podobná budoucímu bodovému bipolárnímu tranzistoru. Zařízení bylo použito jako směšovač v radarové technice jako dvě usměrňovací bodové diody s podobnými parametry, vyrobené na stejném krystalu germania. Matare přitom nejprve objevil vliv proudu jedné diody na parametry druhé a zahájil výzkum v tomto směru. Po válce se Herbert Matare setkal v Paříži s Johannem Welkerem, kde oba fyzici, pracující v pobočce americké korporace Westinghouse Electric , z vlastní iniciativy pokračovali v experimentech na duodeonu. Začátkem června 1948, ještě neznalí výsledků výzkumu skupiny Shockley v Bellových laboratořích, vytvořili stabilní bipolární tranzistor založený na duodenu, kterému se říkalo „tranzitron“. Patentovou přihlášku vynálezu odeslanou v srpnu 1948 však francouzský patentový úřad velmi dlouho zvažoval a teprve v roce 1952 byl na vynález získán patent. Transitrony sériově vyráběné společností Westinghouse, přestože svou kvalitou úspěšně konkurovaly tranzistorům, rovněž nedokázaly dobýt trh a práce v tomto směru brzy ustaly [5] .
I přes svou maličkost a účinnost se první tranzistory vyznačovaly vysokou hlučností, nízkým výkonem, nestabilitou charakteristik v čase a silnou závislostí parametrů na teplotě. Bodový tranzistor, protože se nejedná o monolitickou strukturu, byl citlivý na otřesy a vibrace. Tvůrce Bell Telephone Laboratories nedocenil vyhlídky nového zařízení, neočekávaly se žádné ziskové vojenské zakázky, takže licence na vynález se brzy začala prodávat všem za 25 tisíc dolarů. V roce 1951 vznikl planární tranzistor, který je konstrukčně monolitickým polovodičovým krystalem a zhruba ve stejné době se objevují první tranzistory na bázi křemíku. Vlastnosti tranzistorů se rychle zlepšovaly a brzy začaly aktivně konkurovat elektronkám.
Za 30 let vývoje tranzistory téměř úplně nahradily elektronky a staly se základem polovodičových integrovaných obvodů , díky čemuž se elektronická zařízení stala mnohem ekonomičtější, funkčnější a miniaturnější. Tranzistory a integrované obvody na nich založené způsobily prudký rozvoj výpočetní techniky. Na počátku 21. století se tranzistor stal jedním z nejmasověji vyráběných produktů lidstva. V roce 2013 bylo vyrobeno asi 15 miliard tranzistorů na každého obyvatele Země (většina z nich jsou integrované obvody) [12] .
S příchodem integrovaných obvodů začal boj o zmenšení velikosti elementárního tranzistoru. V roce 2012 nejmenší tranzistory obsahovaly několik atomů hmoty [13] . Tranzistory se staly nezbytnou součástí počítačů a dalších digitálních zařízení. V některých provedeních procesorů jejich počet přesáhl miliardu kusů.
Níže je uvedena formální klasifikace tranzistorů, kdy proud je generován tokem nosičů náboje a stavy, mezi kterými zařízení přepíná, jsou určeny velikostí signálu: malý signál - velký signál, uzavřený stav - otevřený stav, zapnuto ve kterém je implementována binární logika tranzistoru. Moderní technologie umí pracovat nejen s elektrickým nábojem, ale také s magnetickými momenty, spinem jednotlivého elektronu, fonony a světelnými kvanty, obecně kvantovými stavy.
Kromě hlavního polovodičového materiálu , který se v některých částech obvykle používá ve formě monokrystalu dopovaného, obsahuje tranzistor ve své konstrukci kovové vývody, izolační prvky a pouzdro (plast, kov-sklo nebo kovokeramika). . Někdy se používají kombinované názvy, které částečně popisují technologické odrůdy (například "křemík na safíru" nebo "kov-oxid-polovodič"). Hlavní klasifikace však označuje použitý polovodičový materiál - křemík , germanium , arsenid galia atd.
Jiné materiály pro tranzistory se donedávna nepoužívaly. V současnosti existují tranzistory založené například na transparentních polovodičích pro použití v zobrazovacích maticích. Slibným materiálem pro tranzistory jsou polovodičové polymery. Existují také samostatné zprávy o tranzistorech založených na uhlíkových nanotrubičkách [14] , o grafenových tranzistorech s efektem pole .
| tranzistory | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Bipolární | pole | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| pnp | npn | S přechodovou bránou pn | Izolovaná brána | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| S n-kanálem | S p-kanálem | S vestavěným kanálem | S indukovaným kanálem | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| S n-kanálem | S p-kanálem | S n-kanálem | S p-kanálem | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Princip činnosti a způsoby aplikace tranzistorů výrazně závisí na jejich typu a vnitřní struktuře.
Podle výkonu rozptýleného ve formě tepla rozlišují:
Tranzistory BISS (Breakthrough in Small Signal) jsou bipolární tranzistory se zlepšenými parametry malého signálu . Změnou konstrukce emitorové zóny bylo dosaženo výrazného zlepšení parametrů tranzistorů BISS. První vývoj této třídy zařízení byl také nazýván "mikroproudými zařízeními".
Tranzistory s vestavěnými odpory RET (Resistor-equipped tranzistors) jsou bipolární tranzistory s odpory zabudovanými v jednom pouzdře s krystalem. RET je tranzistor pro všeobecné použití s vestavěným jedním nebo dvěma odpory. Tato konstrukce tranzistoru snižuje počet externích přídavných součástek a minimalizuje potřebnou montážní plochu. Tranzistory RET se používají pro přímé připojení na výstupy mikroobvodů bez použití odporů omezujících proud.
Použití heteropřechodů umožňuje vytvářet vysokorychlostní a vysokofrekvenční tranzistory s efektem pole, jako je například HEMT .
Aby byl tranzistor zařazen do obvodu, musí mít čtyři výstupy - dva vstupní a dva výstupní. Ale tranzistory téměř všech druhů mají pouze tři terminály. Pro zapnutí třípinového zařízení je nutné přiřadit jeden z pinů jako společný, a protože takové kombinace mohou být pouze tři, jsou zde tři hlavní tranzistorové spínací obvody.
Tranzistory s efektem pole s pn-přechodem (kanál) i MOS (MIS) mají následující spínací obvody:
"Otevřený kolektor (drain)" je zahrnutí tranzistoru podle obvodu se společným emitorem (zdrojem) jako součást elektronického modulu nebo mikroobvodu , když výstup kolektoru (drain) není připojen k jiným prvkům modulu (mikroobvodu) , ale je přímo vyveden (na konektor modulu nebo výstup čipu). Volba zátěže tranzistoru a kolektorového (odtokového) proudu je ponechána na vývojáři finálního obvodu, který obsahuje modul nebo mikroobvod. Zejména zátěž takového tranzistoru může být připojena k napájecímu zdroji s napětím vyšším nebo nižším , než je napájecí napětí modulu/mikroobvodu. Tento přístup výrazně rozšiřuje použitelnost modulu nebo mikroobvodu díky mírné komplikaci finálního obvodu. Tranzistory s otevřeným kolektorem (drain) se používají v logických prvcích TTL , mikroobvodech s výkonnými klíčovými koncovými stupni, převodnících úrovní , tvarovačích sběrnic (ovladačů) .
Reverzní zapojení se používá méně často - s otevřeným emitorem (zdrojem). Umožňuje také volit zátěž tranzistoru změnou vnějších součástek, napájet emitor/odvod napětím opačné polarity, než je napájecí napětí hlavního obvodu (například záporné napětí pro obvody s npn bipolárními tranzistory nebo N -kanálové tranzistory s efektem pole).
Bez ohledu na typ tranzistoru je princip jeho aplikace stejný:
Tato poloha není vždy pravdivá: například v obvodu se společným kolektorem je proud na výstupu β krát větší než na vstupu, zatímco napětí na výstupu je o něco nižší než na vstupu; ve společném základním obvodu se výstupní napětí zvyšuje ve srovnání se vstupním, ale výstupní proud je o něco menší než vstupní. V obvodu se společným kolektorem tedy dochází k zesílení pouze v proudu a v obvodu OB pouze v napětí. Řízeným řízením zdroje se zesilování signálu dosahuje buď proudem, nebo napětím, nebo výkonem (obvody se společným emitorem).
Tranzistor se používá v:
Dochází k experimentálnímu vývoji plně digitálních zesilovačů, založených na DAC, sestávajících z výkonných tranzistorů [22] [23] . Tranzistory v takových zesilovačích pracují v klíčovém režimu.
Tranzistory se používají jako aktivní (zesilovací) prvky v zesilovacích a spínacích stupních .
Relé a tyristory mají vyšší výkonový zisk než tranzistory, ale pracují pouze v klíčovém (spínacím) režimu.
Veškerá moderní digitální technologie je postavena převážně na polních MOS (metal-oxide-semiconductor) tranzistorech (MOSFET) jako ekonomičtějších prvcích ve srovnání s BT. Někdy se jim říká MIS (metal-dielectric-semiconductor) tranzistory. Mezinárodní termín je MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect tranzistor). Tranzistory jsou vyráběny v rámci integrované technologie na jediném křemíkovém krystalu (čipu) a tvoří základní „cihlu“ pro stavbu logických, paměťových, procesorových atd. mikroobvodů.
V současné době jeden moderní krystal o ploše 1–2 cm² pojme několik (zatím jen několik) miliard MOSFETů. V průběhu 60 let došlo ke snížení velikosti (miniaturizace) MOSFETů a nárůstu jejich počtu na jednom čipu (stupeň integrace), v dalších letech k dalšímu nárůstu stupně integrace tranzistorů na čipu se očekává (viz Moorův zákon ). Zmenšení velikosti MOSFET vede také ke zvýšení rychlosti procesorů, snížení spotřeby a odvodu tepla.
V současné době jsou mikroprocesory Intel sestaveny na trojrozměrných tranzistorech (3d tranzistory), nazývaných Tri-Gate. Tato revoluční technologie výrazně zlepšila stávající vlastnosti procesorů. Nutno podotknout, že přechod na 3D tranzistory s 22 nm výrobním procesem nám umožnil zvýšit výkon procesoru o 30 % (podle Intelu) a snížit spotřebu. . Je pozoruhodné, že výrobní náklady se zvýší pouze o 2-3%, to znamená, že nové procesory nebudou výrazně dražší než staré. . Podstatou této technologie je, že hradlem tranzistoru prochází speciální High-K dielektrikum, které snižuje svodové proudy.
Před vývojem tranzistorů byly vakuové (elektronické) elektronky (nebo jednoduše „elektronky“) hlavními aktivními součástmi elektronických zařízení. Podle principu řízení souvisí tranzistor s řízeným polem nejvíce s elektronickou lampou, mnoho vztahů, které popisují činnost lamp, se hodí i pro popis činnosti tranzistorů s efektem pole. Mnohé z obvodů navržených pro elektronky byly aplikovány na tranzistory a vyvinuly se proto, že elektronky mají pouze jeden typ vedení, elektronové, a tranzistory mohou být buď elektronové, nebo dírové (ekvivalent pomyslné „pozitronové elektronky“). To vedlo k širokému použití komplementárních obvodů (CMOS).
Hlavní výhody, které umožnily tranzistorům nahradit jejich předchůdce (vakuové elektronky) ve většině elektronických zařízení:
| Tranzistorové zesilovače | ||
|---|---|---|
| Bipolární tranzistory | ||
| FET |
| |
| Tranzistorové stupně | ||