Транзистор

Дискретные транзисторы в различном конструктивном оформлении

Структура биполярного n-p-n транзистора. Ток через базу управляет током «коллектор-эмиттер».

Бардин, Шокли и Браттейн в лаборатории Bell, 1948.

У этого термина существуют и другие значения, см. Транзистор (значения).

Транзи́стор (англ. transistor), полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.

В полевых и биполярных транзисторах управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.). В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor). Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

В 1956 г. за изобретение транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике.

На принципиальных схемах обозначается «VT» или «Q». В русскоязычной литературе и документации до 1970-х гг. применялись обозначения «Т», «ПП» (полупроводниковый прибор) или «ПТ» (полупроводниковый триод).

История

Копия первого в мире работающего транзистора

Подробное рассмотрение темы: Изобретение транзистора

Первые патенты на принцип работы полевых транзисторов были зарегистрированы в Германии в 1928 году (в Канаде, 22 октября 1925 года) на имя австро-венгерского физика Юлия Эдгара Лилиенфельда.^[1][2] В 1934 году немецкий физик Оскар Хайл (англ.)русск. запатентовал полевой транзистор. Полевые транзисторы (в частности, МОП-транзисторы) основаны на простом электростатическом эффекте поля, по физике они существенно проще биполярных транзисторов, и поэтому они придуманы и запатентованы задолго до биполярных транзисторов. Тем не менее, первый МОП-транзистор, составляющий основу современной компьютерной индустрии, был изготовлен позже биполярного транзистора, в 1960 году. Только в 90-х годах XX века МОП-технология стала доминировать над биполярной.

В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, продемонстрированный 16 декабря. 23 декабря состоялось официальное представление изобретения и именно эта дата считается днём изобретения транзистора. По технологии изготовления он относился к классу точечных транзисторов. В 1956 году они были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Интересно, что Джон Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии во второй раз за создание теории сверхпроводимости.

Позднее транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, совершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров.

Bell нуждались в названии устройства. Предлагались названия «полупроводниковый триод» (semiconductor triode), «Solid Triode», «Surface States Triode», «кристаллический триод» (crystal triode) и «Iotatron», но слово «транзистор» (transistor, образовано от слов transfer — передача и resist — сопротивление), предложенное Джоном Пирсом (John R. Pierce), победило во внутреннем голосовании.

Первоначально название «транзистор» относилось к резисторам, управляемым напряжением. В самом деле, транзистор можно представить как некое сопротивление, регулируемое напряжением на одном электроде (в полевых транзисторах — напряжением между затвором и истоком, в биполярных транзисторах — напряжением между базой и эмиттером). — током базы.

Классификация транзисторов

	p-n-p		канал p-типа
	n-p-n		канал n-типа
Биполярные		Полевые

Обозначение транзисторов разных типов.
Условные обозначения:
Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база;
З — затвор, И — исток, С — сток.

Ниже приведена формальная классификация токовых транзисторов, где рабочее тело представляет собой поток носителей тока, а состояния между которыми переключается прибор определяется по величине сигнала: малый сигнал - большой сигнал, закрытое состояние - открытое состояние, на которых реализуется двоичная логика работы транзистора. Современная технология может оперировать не только электрическим зарядом, но и магнитными моментами, спином отдельного электрона, фононами и световыми квантами, квантовыми состояниями в общем случае.

По основному полупроводниковому материалу

Помимо основного полупроводникового материала, применяемого обычно в виде монокристалла, транзистор содержит в своей конструкции легирующие добавки к основному материалу, металлические выводы, изолирующие элементы, части корпуса (пластиковые или керамические). Иногда употребляются комбинированные наименования, частично описывающие материалы конкретной разновидности (например, «кремний на сапфире» или «металл-окисел-полупроводник»). Однако основными являются транзисторы на основе кремния, германия, арсенида галлия.

Другие материалы для транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов — полупроводниковые полимеры. Также имеются отдельные сообщения о транзисторах на основе углеродных нанотрубок^[3], о графеновых полевых транзисторах.

По структуре

Транзисторы

Биполярные

Полевые

p-n-p

n-p-n

С p-n-переходом

С изолированным затвором

С каналом n-типа

С каналом p-типа

Со встроенным каналом

С индуцированным каналом

Принцип действия и способы применения транзисторов существенно зависят от их типа и внутренней структуры, поэтому подробная информация об этом отнесена в соответствующие статьи.

• Биполярные
  • n-p-n структуры, «обратной проводимости».
  • p-n-p структуры, «прямой проводимости»

В биполярном транзисторе носители заряда движутся от эмиттера через тонкую базу к коллектору. База отделена от эмиттера и коллектора pn переходами. Ток протекает через транзистор лишь тогда, когда носители заряда инжектируются из эмиттера в базу через pn переход. В базе они являются неосновными носителями заряда и легко проникают через другой pn переход между базой и коллектором, ускоряясь при этом. В самой базе носители заряда движутся за счет диффузионного механизма, поэтому база должна быть достаточно тонкой. Управления током между эмиттером и коллектором осуществляется изменением напряжения между базой и эмиттером, от которой зависят условия инжекции носителей заряда в базу.

• Полевые
  • с p-n переходом
  • с изолированным затвором

В полевом транзисторе ток протекает от истока до стока через канал под затвором. Канал существует в легированном полупроводнике в промежутке между затвором и нелегированной подложкой, в которой нет носителей заряда, и она не может проводить ток. Преимущественно под затвором существует область обеднения, в которой тоже нет носителей заряда благодаря образованию между легированным полупроводником и металлическим затвором контакта Шоттки. Таким образом ширина канала ограничена пространством между подложкой и областью обеднения. Приложенное к затвору напряжение увеличивает или уменьшает ширину области обеднения и, тем самым, ширину канала, контролируя ток.

• Однопереходные
• Криогенные транзисторы (на эффекте Джозефсона)^{[источник не указан 1295 дней]}
• Многоэммитерные транзисторы
• Баллистические транзисторы
• Одномолекулярный транзистор^[4]

Комбинированные транзисторы

• Транзисторы со встроенными резисторами (Resistor-equipped transistors (RETs)) — биполярные транзисторы со встроенными в один корпус резисторами.
• Транзистор Дарлингтона — комбинация двух биполярных транзисторов, работающая как биполярный транзистор с высоким коэффициентом усиления по току.
  • на транзисторах одной структуры
  • на транзисторах разной структуры
• Лямбда-диод — двухполюсник, комбинация из двух полевых транзисторов, имеющая, как и туннельный диод, значительный участок с отрицательным сопротивлением.
• Биполярный транзистор, управляемый полевым транзистором с изолированным затвором (IGBT) — силовой электронный прибор, предназначенный в основном, для управления электрическими приводами

По мощности

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:

• маломощные транзисторы до 100 мВт
• транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт
• мощные транзисторы (больше 1 Вт).

По исполнению

• дискретные транзисторы
  • корпусные
    • Для свободного монтажа
    • Для установки на радиатор
    • Для автоматизированных систем пайки
  • бескорпусные
• транзисторы в составе интегральных схем.

По материалу и конструкции корпуса

• металло-стеклянный
• пластмассовый
• керамический

Прочие типы

• Одноэлектронные транзисторы содержат квантовую точку (т. н. «остров») между двумя туннельными переходами. Ток туннелирования управляется напряжением на затворе, связанном с ним ёмкостной связью.^[5]
• Биотранзистор

Выделение по некоторым характеристикам

Транзисторы BISS (Breakthrough in Small Signal, дословно — «прорыв в малом сигнале») — биполярные транзисторы с улучшенными малосигнальными параметрами. Существенное улучшение параметров транзисторов BISS достигнуто за счёт изменения конструкции зоны эмиттера. Первые разработки этого класса устройств также носили наименование «микротоковые приборы».

Транзисторы со встроенными резисторами RET (Resistor-equipped transistors) — биполярные транзисторы со встроенными в один корпус резисторами. RET транзистор общего назначения со встроенным одним или двумя резисторами. Такая конструкция транзистора позволяет сократить количество навесных компонентов и минимизирует необходимую площадь монтажа. RET транзисторы применяются для контроля входного сигнала микросхем или для переключения меньшей нагрузки на светодиоды.

Применение гетероперехода позволяет создавать высокоскоростные и высокочастотные полевые транзисторы, такие как HEMT.

Применение транзисторов

Вне зависимости от типа транзистора, принцип применения его един:

• Источник питания питает электрической энергией нагрузку, которой может быть громкоговоритель, реле, лампа накаливания, вход другого, более мощного транзистора, электронной лампы и т. п. Именно источник питания даёт нужную мощность для «раскачки» нагрузки.
• Транзистор же используется для ограничения силы тока, поступающего в нагрузку, и включается в разрыв между источником питания и нагрузкой. То есть транзистор представляет собой некий вариант полупроводникового резистора, сопротивление которого можно очень быстро изменять.
• Выходное сопротивление транзистора меняется в зависимости от напряжения на управляющем электроде. Важно то, что это напряжение, а также сила тока, потребляемая входной цепью транзистора, гораздо меньше напряжения и силы тока в выходной цепи. Таким образом, за счёт контролируемого управления источником питания достигается усиление сигнала.
• Если мощности входного сигнала недостаточно для «раскачки» входной цепи применяемого транзистора, или конкретный транзистор не даёт нужного усиления, применяют каскадное включение транзисторов, когда более чувствительный и менее мощный транзистор управляет энергией источника питания на входе более мощного транзистора. Также подключение выхода одного транзистора ко входу другого может использоваться в генераторных схемах типа мультивибратора. В этом случае применяются одинаковые по мощности транзисторы.

Транзистор применяется в:

• Усилительных схемах. Работает, как правило, в усилительном режиме.^[6][7] Существуют экспериментальные разработки полностью цифровых усилителей, на основе ЦАП, состоящих из мощных транзисторов.^[8][9] Транзисторы в таких усилителях работают в ключевом режиме.
• Генераторах сигналов. В зависимости от типа генератора транзистор может использоваться либо в ключевом (генерация прямоугольных сигналов), либо в усилительном режиме (генерация сигналов произвольной формы).
• Электронных ключах. Транзисторы работают в ключевом режиме. Ключевые схемы можно условно назвать усилителями (регенераторами) цифровых сигналов. Иногда электронные ключи применяют и для управления силой тока в аналоговой нагрузке. Это делается, когда нагрузка обладает достаточно большой инерционностью, а напряжение и сила тока в ней регулируются не амплитудой, а шириной импульсов. На подобном принципе основаны бытовые диммеры для ламп накаливания и нагревательных приборов, а также импульсные источники питания.

Транзисторы применяются в качестве активных (усилительных) элементов в усилительных и переключательных каскадах.
Реле и тиристоры имеют больший коэффициент усиления мощности, чем транзисторы, но работают только в ключевом (переключательном) режиме.

Вся современная цифровая техника построена, в основном, на полевых МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторах (МОПТ), как более экономичных, по сравнению с БТ, элементах. Иногда их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- транзисторы. Международный термин — MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 22 нм^{[источник не указан 916 дней]}. В настоящее время на одном современном кристалле площадью 1—2 см² могут разместиться несколько (пока единицы) миллиардов МОПТ. На протяжении 60 лет происходит уменьшение размеров (миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе (степень интеграции), в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе (см. Закон Мура). Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров, снижению энергопотребления и тепловыделения.

В настоящее время микропроцессоры Intel собираются на трёхмерных транзисторах (3d транзисторы) именуемых Tri-Gate. Эта революционная технология позволила существенно улучшить существующие характеристики процессоров. Отметим, что переход к 3D-транзисторам при технологическом процессе 22 нм позволил повысить производительность процессоров на 30 % (по оценкам Intel) и снизить энергопотребление ^{[источник не указан 229 дней]}. Примечательно, что затраты на производство возрастут всего на 2—3 %, то есть в магазинах новые процессоры не будут значительно дороже старых^{[источник не указан 229 дней]}. Суть технологии в том, что теперь сквозь затвор транзистора проходит особый High-K диэлектрик, который снижает токи утечки

Сравнение с электронными лампами

Дополнительные сведения: Электронная лампа

До разработки транзисторов, вакуумные (электронные) лампы (или просто «лампы») были главными активными компонентами в электронном оборудовании.

Преимущества

Основные преимущества, которые позволили транзисторам заменить своих предшественников (вакуумные лампы) в большинстве электронных устройств:

• малые размеры и небольшой вес, что способствует развитию миниатюрных электронных устройств;
• высокая степень автоматизации производственных процессов, что ведёт к снижению удельной стоимости;
• низкие рабочие напряжения, что позволяет использовать транзисторы в небольших, с питанием от батареек, электронных устройств;
• не требуется дополнительного времени на разогрев катода после включения устройства;
• уменьшение рассеиваемой мощности, что способствует повышению энергоэффективности прибора в целом;
• высокая надёжность и бо́льшая физическая прочность;
• очень продолжительный срок службы — некоторые транзисторные устройства находились в эксплуатации более 50 лет;
• возможность сочетания с дополнительными устройствами, что облегчает разработку дополнительных схем, что не представляется возможным с вакуумными лампами;
• стойкость к механическим ударам и вибрации, что позволяет избежать проблем при использовании в микрофонах и в аудио устройствах.

Недостатки (ограничения)

• Кремниевые транзисторы обычно не работают при напряжениях выше 1 000 вольт (вакуумные лапмпы могут работать с напряжениями около 3 000 вольт). В отличие от вакуумных ламп, были разработаны транзисторы, способные работать при напряжении в несколько десятков тысяч вольт;
• высокая мощность, высокая частота, требующиеся для эфирного телевизионного вещания, лучше достигаются в вакуумных лампах в связи с большей подвижностью электронов в вакууме;
• кремниевые транзисторы гораздо более уязвимы, чем вакуумные лампы к действию электромагнитного импульса, в том числе и одного из поражающих факторов высотного ядерного взрыва;
• чувствительность к радиации и космических лучей (созданы специальные радиационно стойкие микросхемы для электронных устройств космических аппаратов);
• вакуумные лампы создают искажения (так называемый ламповый звук), и некоторые люди считают их более приятными для восприятия на слух^[10].

См. также

[+] Транзисторы

Примечания

1. ↑ Vardalas, John, Twists and Turns in the Development of the Transistor IEEE-USA Today's Engineer, May 2003.
2. ↑ Lilienfeld, Julius Edgar, "Method and apparatus for controlling electric current" U.S. Patent 1 745 175 1930-01-28 (filed in Canada 1925-10-22, in US 1926-10-08).
3. ↑ membrana. На ветвях углеродного дерева вырос небывалый транзистор. Константин Болотов, 16 августа 2005
4. ↑ 04-09-2006. Технологии. В США разрабатывается одномолекулярный транзистор
5. ↑ http://www.chipnews.ru/html.cgi/arhiv/99_07/stat_13.htm Одноэлектронные устройства с интегрированными кремниевыми областями проводимости.
6. ↑ Введение в электронику — Режимы работы усилительных элементов
7. ↑ Режимы работы усилительного элемента
8. ↑ NAD M2 Direct Digital Amplifier
9. ↑ Импульсивная натура — Интегральный усилитель NAD M2
10. ↑ van der Veen, M. (2005). "Universal system and output transformer for valve amplifiers". 118th AES Convention, Barcelona, Spain. 

Литература

• А. К. Криштафович, В. В. Трифонюк. Основы промышленной электроники. — 2-е изд. — М.: "Высшая школа", 1985. — 287 с.
• Н. И Овсянников Кремниевые биполярные транзисторы: Справ. пособие. — Мн.: "Высшая школа", 1989. — 302 с. — ISBN 5-339-00211-X

Ссылки

В Викисловаре есть статья «транзистор»

• Объяснение работы диодов и транзисторов на аналогии с водопроводом
• История транзисторов на сайте Bell Labs
• Иллюстрированное описание процесса изготовления транзистора
• Транзистор. Теория. Общие понятия.
• Справочник параметров транзисторов. С числовыми данными и внешним видом

Для улучшения этой статьи желательно?: Проставив сноски, внести более точные указания на источники.

Электронные компоненты

 

Пассивные твердотельные	Резистор  · Переменный резистор  · Подстроечный резистор  · Варистор  · Конденсатор  · Переменный конденсатор  · Подстроечный конденсатор  · Катушка индуктивности  · Кварцевый резонатор  · Предохранитель  · Самовосстанавливающийся предохранитель  · Трансформатор
Активные твердотельные	Диод  · Светодиод  · Фотодиод  · Полупроводниковый лазер  · Диод Шоттки  · Стабилитрон  · Стабистор  · Варикап  · Вариконд  · Диодный мост  · Лавинно-пролётный диод  · Туннельный диод  · Диод Ганна Транзистор  · Биполярный транзистор  · Полевой транзистор  · КМОП-транзистор  · Однопереходный транзистор  · Фототранзистор  · Составной транзистор · Баллистический транзистор Интегральная схема  · Цифровая интегральная схема  · Аналоговая интегральная схема Тиристор  · Симистор  · Динистор  · Мемристор
Пассивные вакуумные	Бареттер
Активные вакуумные и газоразрядные	Электронная лампа  · Электровакуумный диод  · Триод  · Тетрод  · Пентод  · Гексод  · Гептод  · Пентагрид  · Октод  · Нонод  · Механотрон  · Клистрон  · Магнетрон  · Амплитрон  · Платинотрон  · Электронно-лучевая трубка  · Лампа бегущей волны
Устройства отображения	Электронно-лучевая трубка  · ЖК-дисплей  · Светодиод  · Газоразрядный индикатор  · Вакуумно-люминесцентный индикатор  · Флажковый индикатор  · Семисегментный индикатор
Акустические устройства и датчики	Микрофон  · Громкоговоритель  · Тензорезистор
Термоэлектрические устройства	Термистор  · Термопара  · Элемент Пельтье