Tranzistor

Tranzistor (od trans rezistor - prijenosni otpornik) je aktivna poluvodička komponenta s trima elektrodama, koja upravlja protokom struje tako što otvara i zatvara svoje „ventile“. Tranzistori se najčešće koriste kao pojačavači i prekidači signala, a takođe za stabilizaciju napona, modulaciju signala i mnoge druge primjene.

Mogu bipolarni i unipolarni (tranzistori sa efektom polja). Pod tranzistorom se podrazumijeva bipolarni, a kada se govori o unipolarnom to se redovito naglašava. Postoje i tranzistori osetljivi na svetlost koji se uključuju kada se izlože dejstvu svetlosti.

Tranzistor je osnovni element mnogih elektroničkih sklopova, integriranih krugova i elektroničkih računala. Tranzistori se prave kao zasebne komponente ili u okviru integrisanih kola. Prednost tranzistora su male dimenzije i mali potrošak električne energije. Bez tranzistora, radio-prijemnici bili bi veličine štednjaka, a mobilni telefoni veličine mašine za pranje rublja. Danas svaki računar ima milione MOSFET tranzistora u procesoru.

Tranzistori su razvijeni kao alternativa vakuumskim cevima. Pre tranzistora u računarima su se koristile elektonske cevi u funkciji prekidača i pojačivača koje su dosta velike (5-8cm visine), te su računari 1950-1970-tih godina bili veliki kao cela soba.

Naziv 

Volter Bratejn, tvorac prvog tranzistora, izveo je analogiju: kao što vakuumska cev ima svojstvo trans-konduktivnosti, tako i njegov izum ima električno svojstvo trans-rezistanse (prelazne otpornosti). Takođe je znao da su se, neposredno pre nego što je napravljen prvi tranzistor, pojavile komponente koje su nazvane varistor i termistor. Tako je nastao naziv tranzistor.

Povijest 

Termoelektirčna trioda, vakuumska cev je izum iz 1907, koji je omogućio razvoj pojačavačke radio tehnologije i telefonije 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. U početku je tranzistor nazivan i kristalna trioda.

Princip rada 

Tranzistor je napravljen od germanijuma, silicijuma ili nekog drugog poluprovodnika. Poluprovodnički materijali se obično ponašaju kao izolatori, ali ako se dopiraju (zagade) primesama potpuno menjaju osobine. Ako se dopiraju hemijskim elemenatima koji pripadaju donorima pojavljuje se višak pozitivnih P naelektrisanja, a ako se dopiraju akceptorima pojavljuje se višak negativnih N nosilaca naelektrisanja. Tada 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 (E), baze (B) i kolektora (C). Razlikujemo dva tipa bipolarnih tranzistora PNP i NPN označenih po redosledu slojeva. 

Osnovna funkcija tranzistora je da kontroliše protok struje. Tranzistor funkcioniše tako što malom strujom u kolu emiter-baza možemo upravljati znatno jačom strujom u kolu emiter-kolektor. Ova pojava naziva se tranzistorski efekat. Hidraulična analogija za tranzistor je slavina za vodu. Ventil na slavini kontroliše protok vode. Kod tranzistora se taj ventil naziva baza ili kapija (kod tranzistora sa efektom polja).

Pojačanje tranzistora izražava se kao faktor strujnog pojačanja u spojevima sa zajedničkim emiterom:
 
Gde su:
  - faktor pojačanja tranzistora
  - struja kolektora
  - struja baze

Karakteristike 

Za razliku od drugih komponenti koje imaju prilično jednostavne karakteristike, tranzistori su složene komponente sa mnoštvom karakteristika. Neke od njih su: 

 Napon kolektor-baza
 Napon kolektor-emiter
 Maksimalna struja kolektora
 Maksimalna disipacija
 Maksimalna radna frekvencija

Nijedna od ovih karakteristika ne navodi se na tranzistoru. Da bi se one odredile, morate potražiti tranzistor u nekoj referentnoj knjizi ili katalogu ili proučiti tehničku dokumentaciju na sajtu proizvođača. Tranzistori se identifikuju po jedinstvenoj brojčanoj oznaci, na primer 2N2222 ili MPS6519.

Izlaganje tranzistora jonizujućem zračenju izaziva oštećenje tranzistora.

Vrste tranzistora 

Kao prvo, tranzistori se dele na NPN i PNP uređaje. Te skraćenice ukazuju na vrste poluprovodničkih materijala u tranzistoru. NPN i PNP tranzistori se ne razlikuju na osnovu izgleda, već isključivo na osnovu specifikacije. Izbor tranzistora zavisi od njegove namene u kolu. 

Pored tipa spoja, treba voditi računa i o načinu nastanka spoja u proizvodnom procesu. Dva najčešća tipa tranzistora jesu bipolarni i FET tranzistori: 

 Bipolarni tranzistori su najčešći tip tranzistora. Imaju tri izvoda koji se zovu baza, kolektor i emiter. Na bazu tranzistora dovodi se mala ulazna struja. Time se menja i jačina struje koja teče između kolektora i emitera.
 Tranzistori sa efektom polja (FET) takođe imaju tri izvoda, ali se oni zovu gejt, sors i drejn a ne baza, kolektor i emiter. Dovođenjem napona na gejt upravlja se strujom između sorsa i drejna. Postoje dve vrste FET tranzistora: sa N kanalom (slično NPN tranzistoru) i sa P kanalom (slično PNP tranzistoru).

FET tranzistori imaju dve podvrste: MOSFET i JFET.

Simbol 

Simboli za tranzistore raznih vrsta

Većina tranzistora ima tri izvoda (ponekad i četiri). Strelice koje su deo simbola ukazuju na tip tranzistora. Na primer, kod bipolarnog PNP tranzistora, strelica je usmerena ka bazi. Kod bipolarnog NPN tranzistora, strelica je usmerena od baze.

Povezivanje 

Tranzistori obično imaju tri priključka, odnosno izvoda. To su: 

 baza (B)
 emiter (E)
 kolektor (C)

Baza se vezuje za napon ili struju i ona isključuje i uključuje tranzistor. Emiter i kolektor vezuju se za pozitivan ili negativan napon, ili za uzemljenje. Koji se izvod s čim povezuje, zavisi od električnog kola. Neki tranzistori, najčešće tranzistori s efektom polja, imaju i četvrti izvod koji povezuje kućište tranzistora i šasiju kola.

Prilikom povezivanja u elektronsko kolo, tranzistor mora biti povezan na pravi način. Povezivanje pogrešnih izvoda može ošteti tranzistor a ponekad i druge komponente. Priključci tranzistora su na šemi često prikazani s donje strane kućišta, kao posmatrani odozdo, zato što se na tom delu leme, što može biti zbunjujuće.

Primena 

Tranzistor se smatra za jedan od najvećih izuma u istoriji čovečanstva. On je sastavni deo skoro svih današnjih električnih uređaja gde igra ključnu ulogu aktivne komponente. Niska cena tranzistora i univerzalna primenljivost ga čini skoro idealnim gradivnim elementom svakog elektronskog kola.

Tranzistor kao prekidač 

Prekidač otvara ili zatvara put kojim protiče električna struja. Tranzistor možete koristiti kao električno upravljan prekidač. Tranzistor ima tri izvoda: bazu, emiter i kolektor. Kada se tranzistor koristi kao prekidač, baza se ponaša kao poluga na mehaničkom prekidaču. Kada na bazu ne dovodimo struju (kada nema ulazne struje), tranzistor je isključen, što odgovara otvorenom prekidaču. Čak i ako postoji razlika napona između emitera i kolektora, kroz tranzistor ne teče struja. Kada na bazu tranzistora primenimo električnu struju, ona uključuje tranzistor, što je ekvivalentno zatvorenom prekidaču. Sa uključenim tranzistorom, razlika napona između emitera i kolektora izaziva protok struje kroz njega, a zatim struja stiže i do bilo kog uređaja u kolu.

Uzmimo za primer elektronski uređaj koji automatski hrani piliće u svitanje. Uređajem upravlja fotodioda, koja obezbeđuje ulaznu struju za tranzistor. Po mraku, fotodioda ne generiše struju i tranzistor je isključen. Čim sunce izađe, fotodioda počne da generiše struju i tranzistor se uključi. Nakon uključenja tranzistora, on pokreće uređaj za hranjenje. Korišćenjem tranzistora kao prekidača, mnogo manjom strujom iz fotodiode kontroliše se protok struje iz napajanja.

Tranzistori povezani kao prekidači, sastavni su deo integrisanih kola koja sadrže logička kola. Najbolji primer su integrisana kola za kalkulatore i računare.

Tranzistor kao pojačavač 

Često je neophodno pojačati signal da bi uređaj pravilno funkcionisao. Na primer, možda treba pojačati signal koji iz mikrofona stiže do zvučnika. Pojačavač mora imati tranzistor koji je delimično uključen. Da bi se tranzistor delimično uključio, na bazu se dovodi mali napon polarizacije (engl. bias). Taj postupak se zove pobuđivanje tranzistora. Kada pojačavač primi naizmenični ulazni signal, kao što je onaj koji potiče iz mikrofona, signal mora biti napona oko 0 (nula) volti da bi održao napon polarizacije tranzistora. Kondenzator na ulazu filtrira sva odstupanja od 0 (nula) volti jednosmernog napona ulaznog signala. Pobuđeno stanje čini glavnu razliku između korišćenja tranzistora kao pojačavača i kao prekidača. Kada se tranzistor koristi kao prekidač, tranzistor je ili uključen ili isključen. U slučaju kada se koristi kao pojačavač, primenjuje se napon polarizacije, ili pobuda, na bazu kako bi tranzistor bio delimično uključen.

Prednost tranzistora u pobuđenom stanju jeste to što on reaguje na svaku promenu ulaznog signala. Neophodno je na bazu dovesti napon od oko 0,6 volti (između baze i emitera) da bi se tranzistor uključio. Ako tranzistor nije uključen, ulazni signal manji od 0,6 volti ne proizvodi izlazni signal. Međutim, kada je tranzistor pobuđen, on pojačava ceo ulazni signal. Obratite pažnju da nepobuđen tranzistor pojačava samo deo izlaznog signala; ostatak se gubi. Kada je tranzistor pobuđen, pojačan je ceo signal. Pojačanje (engl. gain) predstavlja meru pojačanja signala. Na primer, pri pojačanju 10, ulazni signal od 1 volta postaje izlazni signal od 10 volti.

Literatura 

 
 
 
 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. 
 J. Chelikowski, "Introduction: Silicon in all its Forms", Silicon: evolution and future of a technology (Editors: P. Siffert, E. F. Krimmel). str. 1. 
 
 
  The invention of the transistor & the birth of the information age

Izvori

Vidi još 
 Elektronsko kolo
 Elektronske komponente

Spoljašnje veze 

 Belov sajt o istoriji tranzistora

Tranzistori
Belove laboratorije
Elektronske komponente