Transistori

Historia

Transistorin keksivät 1947 yhdysvaltalaisen Bell Telephone Laboratoryn fyysikot Walter Brattain ja John Bardeen. Ensimmäinen transistori oli kullasta ja germaniumista rakennettu kärkitransistori. 
Vuotta myöhemmin samaan tutkijaryhmään kuulunut William Shockley kehitti bipolaarisen liitostransistorin, joka perustuu kahteen erisuuntaiseen ja perättäiseen pn-liitokseen joko pn-np (pnp-transistori) tai np-pn (npn-transistori). Bipolaari-määritys tarkoittaa sitä, että transistorin toiminnassa käytetään hyväksi molempia varauksenkuljettajatyyppejä (aukkoja ja elektroneja), kun taas unipolaari-transistoreissa vain toista tyyppiä. 
Keksinnölle on haettu patenttia numero 2524035 vuonna 1948.
Teollisesti transistoreita alettiin valmistaa 1951 ja jo saman vuosikymmenen puolivälissä liitostransistori oli syrjäyttänyt kärkitransistorit lähes kokonaan. Tällöin myös kehitettiin uusi, kanavaefektiin perustuva transistori eli FET (Field Effect Transistor). Monet pitävät transistoria yhtenä 1900-luvun merkittävimmistä keksinnöistä.
Transistori korvasi pitkälti paljon suuremmat, epäluotettavammat ja enemmän tehoa kuluttavat elektroniputket. Elektroniikkalaitteissa käytetään nykyisin yksittäispakattujen transistorien lisäksi usein mikropiirejä. Mikropiirit sisältävät yleensä pääasiassa transistoreita, joita voi samalla mikropiirillä olla jopa useampi miljardi kappaletta. Transistorien määrä mikropiirissä Mooren lain mukaan kaksinkertaistuu noin kahden vuoden välein. Elektroniputki-transistori-mikropiiri-kehitys on mahdollistanut elektroniikan jatkuvan pienenemisen ja samanaikaisen laskentatehon kasvun, siis muun muassa kotitietokoneet, digi-TV:t, matkapuhelimet ja laajakaistayhteydet. Käytännössä ollaan jo siinä tilassa, että laitteiden pienentämistä rajaa enää niiden käytettävyys. Esimerkiksi digivirittimen voisi teknisesti tehdä sokeripalaa pienemmäksi.
Piihin perustuvat transistorit esiteltiin ensi kerran julkisesti 10. toukokuuta 1954. Germaniumiin verrattuna näin saatiin muun muassa parempi korkeiden lämpötilojen sietokyky ja siten parempi luotettavuus.
Ensimmäinen kaupallinen käyttökohde transistoreille oli IBM 608 (1955) laskin.

Transistorien valmistus

Puolijohdemateriaali voidaan puhdistaa kemiallisesti tai ns. vyöhykesulatusmenetelmällä. Vyöhykesulatusmenetelmässä puolijohdemateriaalista tehty tanko vedetään käämin läpi. Käämissä kulkeva suuritaajuinen virta aiheuttaa pyörrevirtoja tangon sisälle, jolloin puolijohdemateriaali sulaa. Käämin jälkeen materiaali jähmettyy, mutta epäpuhtaudet jäävät sulaan osaan. Näin ollen epäpuhtaudet siirtyvät tangon päähän josta ne voidaan poistaa.

Vetotekniikka

Transistori voidaan valmistaa kiteenvetomenetelmällä, jossa sulaan puolijohdemateriaaliin lasketaan pyörivään akseliin kiinnitetty siemenkide. Sula puolijohdemateriaali kiteytyy siemenkiteen ympärille. Saostamalla lisäaineille sula puolijohdemateriaali vuoroin n-tyyppiseksi ja vuoroin p-tyyppiseksi saadaan valmistettua p-n-p- ja n-p-n-tyyppisiä transistoreja.

Seostustekniikka

Seostustekniikassa puolijohdepalan kummallekin puolelle asetetaan pieni pala sopivaa epäpuhtausainetta. Kun palaa kuumennetaan epäpuhtausaineen sulamispisteen yläpuolelle, tunkeutuu sulava epäpuhtausaine puolijohteeseen. Jos puolijohde on n-tyyppiä, esimerkiksi germaniumia, ja epäpuhtausaine esimerkiksi indiumia, muodostuu p-n-p-transistori.

Transistorin toiminta yleisesti

Transistorin hyödyllisyys perustuu sen kykyyn säätää pienellä signaalilla huomattavasti säätösignaalia suurempaa signaalia, tällöin transistori toimii siis vahvistimena. Vastaavasti transistoria voidaan käyttää myös sähköisesti ohjattuna kytkimenä. 
Transistorit voidaan jaotella kahteen ryhmään. Bipolaaritransistoreihin, joiden kontaktit on nimetty kannaksi B, kollektoriksi C ja emitteriksi E, sekä kanavatransistoreihin, joiden kontaktit ovat nimetty hilaksi G, kollektoriksi D ja emitteriksi S. 
Kuvan bipolaaritransistorissa virta kulkee kollektorin C ja emitterin E välillä riippuen kannan B läpi kulkevasta virrasta.

Transistorin käyttö kytkimenä

Transistoreita käytetään yleisesti digitaalielektroniikassa kytkiminä niiden pienen koon ja lyhyen vasteajan takia. Kantavirta tulee mitoittaa niin, että käytössä olevaa transistoria voidaan ohjata suljetusta tilasta (kytkin pois päältä) kyllästystilaan (kytkin päällä). Ideaalisessa tilanteessa transistorin kahden tilan muutos käy saman tien ilman että kytkin on välillä avoimessa tilassa.

Transistorin käyttö vahvistimena

Vahvistimen toiminta voidaan yksinkertaisimmillaan ajatella jaetuksi kantapiiriin ja kollektoripiiriin. Kantapiirissä on jokin jännitelähde, jolla halutaan voimistaa kollektoripiirissä olevaa jännitelähdettä. Kantapiirissä oleva jännite aiheuttaa kantavirran transistorin kannan ja emitterin välille. Kantavirta taas synnyttää kollektorivirran transistorin kollektorin ja emitterin välille. Tällöin transistorin kollektorin ja emitterin välille syntyy jännite, joka kasvattaa kollektoripiirissä olevaa, vahvistettavaa jännitettä.