Tranzistor

300px|thumb|right|Diferite tipuri de tranzistoare

Tranzistorul este un dispozitiv electronic din categoria semiconductoarelor care are cel puțin trei terminale (borne sau electrozi), care fac legătura la regiuni diferite ale cristalului semiconductor. Este folosit mai ales pentru a amplifica și a comuta semnale electronice și putere electrică.

Aspectul tranzistoarelor depinde de natura aplicației pentru care sunt destinate. În 2013 încă unele tranzistoare sunt ambalate individual, dar mai multe sunt găsite încorporate în circuite integrate.

Tranzistorul este componenta fundamentală a dispozitivelor electronice moderne, și este omniprezent în sistemele electronice. Ca urmare a dezvoltării sale la începutul anilor 1950, tranzistorul a revoluționat domeniul electronicii, și a deschis calea pentru echipamente electronice mai mici și mai ieftine cum ar fi aparate de radio, televizoare, telefoane mobile, calculatoare de buzunar, computere și altele.

Istoric

200px|thumb|right|Comparație între o replică a primului tranzistor realizat la Laboratoarele Bell în 1947 și un tranzistor 2N137 produs de General Electric în 1955. Primul tranzistor funcțional a fost realizat la Bell Telephone Laboratories din New Jersey de John Bardeen, Walter Houser Brattain și William Bradford Shockley. Bardeen și Brattain au construit și testat dispozitivul, în cadrul echipei conduse de Shockley. Primul test reușit a avut loc la 16 decembrie 1947, iar demonstrația oficială internă a fost realizată la 23 decembrie 1947. Invenția tranzistorului a avut un rol decisiv în dezvoltarea electronicii moderne și este considerată una dintre cele mai importante realizări tehnologice ale secolului al XX-lea.

Construcție Tranzistorii se realizează pe un substrat semiconductor (în general siliciu, mai rar germaniu, dar nu numai). Tehnologia de realizare diferă în funcție de tipul tranzistorului dorit. Un tranzistor bipolar de tip PNP este alcătuit dintr-o regiune de tip N, care constituie baza, situată între două regiuni de tip P, care constituie emitorul și colectorul. Astfel se formează două joncțiuni p–n: emitor–bază și colector–bază.

Utilizare

Tranzistoarele pot fi folosite în echipamentele electronice cu componente discrete în amplificatoare de semnal (în domeniul audio, video, radio), amplificatoare de instrumentație, oscilatoare, modulatoare și demodulatoare, filtre, surse de alimentare liniare sau în comutație sau în circuite integrate, tehnologia de astăzi permițând integrarea într-o singură capsulă a milioane de tranzistori.

Simbolurile folosite în mod curent pentru tranzistori:

Clasificare Tranzistoare Cu efect de câmp (TEC) Bipolare (TB) TECMOS TEC-J Cu canal indus Cu canal inițial canal n canal p canal n canal p canal n canal p npn pnp

Tranzistoarele sunt clasificate după:

Structura: MOSFET Bipolar (BJT) JFET IGBT

Materiale semiconductoare: Metaloizii: germaniu (utilizat pentru prima dată în 1947) și siliciu (folosit pentru prima dată în 1954) — în formă amorfă, policristalin și monocristalin. Compușii: arseniură de galiu (GaAs) (1966) și carbură de siliciu (SiC) (1997). Aliaje: siliciu-germaniu SiGe (1989) Alotropul de carbon: grafen (cercetare în curs din anul 2004), etc. (vezi materiale semiconductoare). Polaritatea electrică (pozitivă și negativă): Tranzistoare bipolare (BJT) NPN, PNP Tranzistoare cu efect de câmp (FET): canal N, canal P Puterea nominală maximă: Tranzistoare de mică putere Tranzistoare de medie putere Tranzistoare de mare putere Frecvența maximă de funcționare: Tranzistoare de joasă frecvență (audio frecvență) Tranzistoare de medie frecvență Tranzistoare de înaltă frecvență (radio frecvență) Tranzistoare de ultra înaltă frecvență (microunde)

Aplicație: comutator uz general audio tensiune înaltă super-beta pereche de tranzistoare (sortați pentru parametri similari) Modul de încapsulare fizică: În capsulă metalică cu montare pe placa cu cablaj imprimat prin găurile de inserție În capsulă de plastic cu montare pe placa cu cablaj imprimat prin găurile de inserție Cu montare la suprafața cablajului imprimat (SMD) BGA (prescurtare de la Ball Grid Array) Module de alimentare

Factorul de amplificare , (beta) sau (transconductanță).

Temperatura de lucru: tranzistoare standard, interval de temperatură (). tranzistoare pentru funcționare la temperaturi extreme, cu temperaturi peste și sub .

Conform fișei tehnice Philips, BC109C este un tranzistor bipolar NPN din siliciu, de uz general, în capsulă metalică TO-18, având tensiunea maximă colector–emitor VCEO de 20 V, curentul continuu maxim de colector IC de 100 mA și puterea totală disipată maximă de 300 mW la temperatura ambiantă de cel mult 25 °C.

Doparea constă în introducerea controlată a unor cantități mici de impurități într-un material semiconductor, pentru modificarea concentrației purtătorilor de sarcină.

Tranzistorul bipolar ‒ principiul de funcționare 100px|right| 100px|right|

În funcționare normală joncțiunea emitor–bază este polarizată direct, iar joncțiunea colector–bază este polarizată invers.

Joncțiunea emitor–bază, fiind polarizată direct, este parcursă de un curent direct, , mare în raport cu curentul invers rezidual, iar într-o plajă uzuală de curenți și la temperatură aproximativ constantă, tensiunea bază–emitor poate fi considerată aproape constantă, cu valori tipice de 0,6–0,7 V pentru siliciu (Si) și de 0,2–0,3 V pentru germaniu (Ge).

Joncțiunea colector–bază, fiind polarizată invers, este caracterizată de un curent propriu, invers, foarte mic, de ordinul nanoamperilor pentru tranzistoarele de siliciu și de ordinul microamperilor pentru tranzistoarele de germaniu.

Caracteristică tranzistorului este cuplarea electrică a celor două joncțiuni. Pentru aceasta trebuie satisfăcute două condiții:

joncțiunea emitorului să fie puternic asimetrică, adică impurificarea emitorului să fie mult mai puternică decât cea a bazei.

baza să fie foarte subțire, astfel încât fluxul de purtători majoritari din emitor să ajungă practic în totalitate în regiunea de trecere a colectorului.

Tranzistorul unipolar ‒ principiul de funcționare

Tranzistoarele unipolare sau cu efect de câmp reprezintă o cale semiconductoare de curent, cu conductanță comandată de un câmp electric extern. Calea de curent, numită canal, este un semiconductor omogen (de tip N sau de tip P), la ale cărui capete sunt sudați doi electrozi numiți sursă (S) și drenă (D). Prin canal circulă curentul de drenă () și acesta este datorat deplasării unui singur tip de purtători mobili de sarcină, motiv pentru care tranzistorul se numește unipolar. În regim normal de polarizare, sensul convențional de circulație a curentului electric prin canal este de la drenă spre sursă pentru tranzistoarele cu canal N și de la sursă spre drenă pentru tranzistoarele cu canal P. Pentru acest tip de tranzistoare, sunt folosite acronimele TU (Tranzistoare Unipolare), FET (Field Effect Transistor) sau TEC (Tranzistor cu Efect de Câmp).

În funcționare tranzistoarele cu efect de câmp se comportă, între drenă și sursă, fie ca un rezistor cu rezistență comandată, fie ca o sursă comandată de curent, comanda efectuându-se prin tensiunea aplicată între electrodul de comandă (numit grilă (G) sau poartă) și sursa tranzistorului. Tranzistoarele cu efect de câmp sunt realizate pe un substrat semiconductor, de regulă din siliciu. După modul de realizare al canalului tranzistoare unipolare se clasifică în: a) Tranzistoarele cu efect de câmp cu joncțiune (JFET sau TECJ) au un canal semiconductor între sursă și drenă, iar poarta formează cu acesta una sau mai multe joncțiuni p–n, menținute polarizate invers în regim normal de funcționare.

b) Tranzistoarele cu efect de câmp cu poartă izolată (IGFET sau MISFET), la care poarta este separată de semiconductor printr-un strat izolator, formând o structură metal–izolator–semiconductor (MIS). În structura clasică a unui MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor sau TECMOS), izolatorul porții este dioxidul de siliciu.

Efectul de câmp constă în controlul curentului de drenă prin câmpul electric produs de tensiunea aplicată porții. La un tranzistor JFET, tensiunea porții modifică lățimea regiunii de golire și, implicit, secțiunea conductoare a canalului, iar la un tranzistor MOSFET controlează densitatea purtătorilor din canal și, în cazul unui canal indus, formarea acestuia.

Parametri specifici tranzistoarelor Cei mai importanți parametri ai unui tranzistor sunt:

Factorul de amplificare În cazul unui tranzistor bipolar, câștigul static de curent în configurație cu emitor comun se notează cu sau , iar câștigul de curent de semnal mic se notează cu . Transconductanța, notată , este un parametru diferit și se măsoară în siemens (S).

Frecvența de tăiere Frecvența de tranziție a unui tranzistor în configurație cu emitor comun sau cu sursă comună se notează cu simbolul și reprezintă frecvența la care modulul câștigului de curent de semnal mic scade la unitate.

Puterea maximă disipată Puterea electrică disipată de tranzistor se transformă în căldură și determină creșterea temperaturii joncțiunii. Căldura este transferată către mediul ambiant prin capsulă și placa de circuit imprimat și, dacă este utilizat, prin radiator.

Puterea disipată de un tranzistor este, în principal, puterea disipată în cele două joncțiuni ale acestuia: = + = . + .

= Puterea disipată în joncțiunea emitorului

= Puterea disipată în joncțiunea colectorului

= Tensiunea pe joncțiunea bază emitor

= Curentul prin emitor

= Tensiunea pe joncțiunea bază colector

= Curentul prin colector

Curentul de colector maxim

Reprezintă valoarea maximă pe care o poate atinge curentul de colector al unui tranzistor fără ca acesta să se distrugă. El este indicat în cataloage și depinde de particularitățile tehnologice ale tranzistorului.

Tensiunea maximă admisă

Reprezintă valoarea maximă a tensiunii pe care o poate suporta un tranzistor fără să se deterioreze. Pentru un tranzistor bipolar sunt specificate separat tensiunile maxime colector–emitor (), colector–bază () și emitor–bază (), în condițiile indicate în foaia de catalog.

Acest parametru are valori diferite în funcție de conexiunea tranzistorului și este prezentat în foile de catalog pentru fiecare situație în parte.

Temperatura maximă a joncțiunilor Temperatura maximă admisă a joncțiunii (TJ,max) reprezintă limita superioară specificată pentru temperatura joncțiunii tranzistorului. Această valoare nu depinde numai de materialul semiconductor, ci și de construcția, tehnologia de fabricație și capsula dispozitivului.

De exemplu, pentru două tranzistoare din siliciu:

BC547: TJ,max = 150 °C; 2N3055: TJ,max = 200 °C.

Observație: Odată cu creșterea temperaturii, concentrația purtătorilor generați termic crește, iar semiconductorul dopat se poate apropia de regimul intrinsec. Acest efect depinde de material și de concentrația dopanților. Depășirea temperaturii maxime admise poate deteriora tranzistorul și îi poate afecta fiabilitatea.

Tranzistoare de mică putere

Aceste tranzistoare sunt încapsulate în plastic sau metal și nu sunt destinate montării pe radiator.

Tranzistoare de putere

Aceste tranzistoare sunt încapsulate în plastic sau metal și sunt destinate montării pe radiator.

Tranzistoare de joasă frecvență

Sunt tranzistoare destinate utilizării până la frecvența de circa 100kHz, în circuite audio și de control al puterii.

Tranzistoare de înaltă frecvență

Sunt tranzistoare destinate aplicațiilor la frecvențe peste 100 kHz, cum este domeniul radio–TV, circuite de microunde, circuite de comutație, etc.

Referințe

Bibliografie Dispozitive și circuite electronice, D. Dascălu, M. Profirescu, A. Rusu, I. Costea , 1982, Editura Didactică și Pedagogică

S. D. Anghel, Bazele electronicii analogice și digitale, Presa Universitară Clujeană, 2007 Catalog IPRS Băneasa-Tranzistoare, Diode, 1970-1971; tiparită la editura Tehnică în anul 1970