Tranzistor (polovodičová súčiastka)

Tranzistor alebo zriedkavo polovodičová trióda je polovodičová súčiastka, používaná ako zosilňovač, spínač, stabilizátor a modulátor elektrického napätia alebo prúdu.

Dejiny

Prvý zaznamenaný objav tranzistora je datovaný v roku 1947 a pochádza z Bellových laboratórií v USA. Za tento objav dostali jeho autori John Bardeen, Walter Houser Brattain a William Bradford Shockley v roku 1956 Nobelovu cenu za fyziku. Avšak prvé pokusy, pri ktorých Julius Edgar Lilienfeld náhodou spozoroval zosilnenie prúdu pri vhodnom kontakte rôznych kovov (základ dnešného unipolárneho tranzistora) sa udiali už v roku 1925. V roku 1930 si dal doktor Lilienfeld patentovať svoj koncept elektronickej súčiastky s použitím Al/Al₂O₃/Cu₂S. Dnes ju poznáme pod pojmom „elektrickým poľom riadený tranzistor“. Prvý unipolárny tranzistor bol vyrobený až v roku 1960 po objavení MOS (metal-oxide-semiconductor) štruktúry v roku 1958. Bol zhotovený na báze kremíka s využitím izolačnej vrstvy z SiO₂. Pri dnešných technológiách je úplne bežná integrácia na úrovni jednej miliardy tranzistorov na jednom čipe. V podstate už začína byť problém nájsť v počítačoch čip, ktorý by mal menej ako miliardu tranzistorov a ak taký nájdeme, je extrémne malý a jednoduchý (čipy v práčke, mikrovlnnej rúre atď, ale nie čipy v počítačoch). Môžeme konštatovať, že od začiatku éry integrovaných obvodov malej hustoty integrácie až do súčasnosti sa toto zmenšovanie „riadi“ tzv. Moorovým zákonom, ktorý hovorí o  zväčšení počtu tranzistorov na dvojnásobok každé dva roky (nehovorí nič o ploche obvodov/čipov alebo ich výkone).

Pôvod mena

V Bellových laboratóriách skúšali nájsť vhodné meno pre novoobjavenú súčiastku. Skúšali mená ako "polovodičová trióda", "pevná trióda", "kryštalická trióda" alebo "iotatrón", ale napokon sa ujal názov "tranzistor", navrhnutý John R. Pierceom. Tranzistor je skratka zo slov "transconductance" alebo "transfer" (z angl. prenos), a "resistor".

Úvod

Tranzistor je základný stavebný prvok skoro každého dnešného elektronického zariadenia. Zdá sa, že pôvodnú elektrónku a relé úplne vytlačil (i keď ešte stále existujú i dnes elektrónkové aplikácie a spínacie zariadenia založené na relé). Tranzistor je základným stavebným prvkom integrovaných obvodov a dá sa povedať, že najviac vyrobených tranzistorov je v súčasnosti práve v nich.
Výhodou tranzistorov oproti elektrónkam je až 1000x vyšší prúd ktorý znesú – tranzistory až do kiloampérov, zatiaľ čo elektrónky asi 10 A. Ale na druhej strane elektrónky znesú vyššie pracovné napätie, rádovo až kilovolty (vo vysielačoch rozhoduje napätie).

Darlingtonove zapojenie

Zosilnenie tranzistora môžeme zväčšiť zapojením do Darlingtonovho zapojenia. Vtedy sa prúdové zosilnenia násobia:
hfe1 x hfe2
Pri takom obrovskom prúdovom zosilnení môžeme slaboprúdovým obvodom (napr. jednočipový mikroprocesor) spínať veľké prúdy, lebo takto môžeme spojiť citlivý slabý tranzistor so silným výkonovým.
Nevýhoda je, že sa pri tomto sčítava necitlivosť a tiež fázový posun pri vyšších frekvenciách (~180° miesto ~90°), takže keď ho zaväzbíme, čo často treba, tak môže byť taký obvod nestabilný.
Dnes už nemá taký veľký zmysel pre spínacie aplikácie, lebo stačí zobrať výkonový NMOS tranzistor a ten má prúdové zosilnenie skoro nekonečno.
Pre analógové výkonové aplikácie má ale stále zmysel.

Princíp bipolárneho tranzistora

Princíp je nasledovný (NPN):
Pri napätí medzi kolektorom a emitorom (Vcc na C a nula alebo mínus na E) je prechod BE priepustný a CB je nepriepustný. Takže medzi CE nemôže prejsť nijaký prúd, lebo otvorené musia byť obidva. V skutočnosti prechádza malý zvyškový prúd, ale ten je obyčajne rádovo v nanoampéroch.
Keď ale privedieme na B napätie a cez BE začne prechádzať prúd, tento vyplní P-časť elektrónmi a tento už nie je čistý P ale má odrazu aj N-nosiče (elektróny), ktoré vytvoria malú cestičku pre elektróny z kolektora. Tie sa začnú doslova hrnúť do bázy a tam sú už v priepustnom smere a letia do emitora. Tu hovoríme, že tranzistor sa začína otvárať.
Pri kremíkových tranzistoroch treba na otvorenie 0,5 V až 0,7 V na prechode BE. Pri germániových okolo 0,25 V.
Lenže teraz je v báze ešte viac elektrónov, ktoré túto cestičku ešte zväčšujú. To znamená ešte viac elektrónov ktoré unikajú z kolektora do bázy a toto celé sa opakuje a vzniká takto lavína. Po čase sa táto cestička (pri rovnakom prúde z bázy) prestane zväčšovať a prúd z kolektora zostane konštantný, ale stále mnohokrát väčší ako bázový – pomer C-prúdu a B-prúdu sa nazýva zosilnenie tranzistora. Toto zosilnenie sa môže meniť s bázovým prúdom(=nelinearita), ale výraznejšie len pri malých bázových prúdoch alebo naopak pri veľmi veľkých (v saturačnej oblasti).
Keď prúd na báze vypneme, chvíľu ešte trvá, kým elektróny z bázy odtečú do emitora a cestička sa uzavrie. To preto, lebo elektróny z kolektora ešte chvíľu cestičku zásobujú. Toto uzavretie trvá podľa toho, aký široký je CB-prechod. Preto sú vysokovýkonové tranzistory pomalšie ako malovýkonové. Hlavne pri veľkých napätiach medzi CE.
Pri veľkých bázových prúdoch sa už báza správa ako N-polovodič, z tranzistora sa stane akoby jeden N-blok, t. j. úplne sa otvorí. Keď aj vtedy zvyšujeme bázový prúd, C-prúd sa už nezvyšuje, toto voláme saturácia. Saturovanému tranzistoru trvá dlhšie, kým sa vypne a preto sa pri VF obvodoch pridáva do tranzistora na CB-prechod paralelne tzv. antisaturačná dióda.
Pri plnom zopnutí je úbytok napätia Uce veľmi malý (0.2 až 0.3V), tzv. saturačné napätie. 
Pri PNP je to rovnaké, len musíme prehodiť plusové napätia za mínusové (nulové) a opačne.

N-kanál obohacovací

Ak máme substrát P a elektródy (S a D) N, medzi ktorými je P substrát, tak je tento tranzistor normálne nevodivý. Ale nad substrátom je elektróda G. Na tú keď privedieme kladné napätie, tak k nej pritiahneme elektróny a zo substrátu P sa v blízkosti elektródy vytvorí N. Tak vznikne medzi S a D most a tranzistor je otvorený.
Dôležitá je izolačná vrstva medzi hradlovou elektródou a substrátom.
Keď ale hradlo odpojíme, tento most ešte dlho ostane (rádove sekundy, pri diskrétnych výkonových ešte dlhšie). Keď ho chceme vypnúť, musíme hradlo pripnúť na nulu (alebo vyrovnať s D). Toto sa využívalo v niektorých pamätiach. Príčinou je kapacita medzi hradlom a S a D. Táto kapacita tiež obmedzuje rýchlosť spínania na tranzistore, lebo pri väčších frekvenciách sa samozrejme správa ako skrat.

Fototranzistor

Variantom tranzistora je fototranzistor, ktorý namiesto bázového vodiča využíva PN priechod citlivý na svetlo. (V podstate každý bipolárny tranzistor by sa dal prerobiť na fototranzistor tým, že namiesto vodiča na bázu sa na puzdre vyrobí vhodné okienko s optikou, kde prúd svetla je nasmerovaný na príslušný p-n prechod.) Pozri aj: fotodióda.