Tranzistor | Definice, typy, symboly a historie

Téměř veškerá moderní elektronika je založena na základní součástce zvané tranzistor. Stavebním kamenem moderních vestavěných systémů je také tranzistor, který slouží jako základní součástka pro řízení zpracování dat. Tranzistor je nezbytnou součástí integrovaných obvodů (IO), mikroprocesorů a mikrokontrolérů a téměř každého elektronického zařízení.  

Tranzistor je třípólová polovodičová součástka, která se používá k řízení toku proudu. Když je na vstupní svorky tranzistoru přivedeno napětí nebo proud, řídí nebo zesiluje vstupní signál a generuje výstupní signál. Je vyroben z polovodičových materiálů, jako je germanium nebo křemík. Pochopení tranzistorů, jejich typů, symbolů tranzistorů a jejich funkce je pro elektrotechniky nezbytné pro návrh moderních elektronických systémů.

Co je to tranzistor?

Tranzistor je elektronické zařízení, které řídí tok proudu. Tranzistor má tři svorky, známé jako báze, emitor a kolektor. Typický tranzistor má dva provozní režimy, může fungovat buď jako spínač, nebo jako zesilovací zařízení. V režimu spínače tranzistor umožňuje tok proudu. V režimu zesilování tranzistor zesiluje malý vstupní signál, aby generoval větší výstupní signál.

Tranzistor se skládá ze tří vrstev polovodičového materiálu, jako je křemík a germanium. Tyto vrstvy jsou buď PNP, nebo NPN. Vrstvy materiálu určují typ tranzistoru, zda se jedná o PNP nebo NPN tranzistor. Typický tranzistor má tři svorky, známé jako báze, emitor a kolektor. Takový typ tranzistoru je známý jako bipolární tranzistor (BJT). Typický symbol a obrázek BJT tranzistoru jsou uvedeny níže.

Tranzistorové vrstvy	Symbol tranzistoru	Tranzistorové pouzdro

Obr. 1: Obrázek a symbol tranzistoru

Typy tranzistorů a symboly tranzistorů

Tranzistory se dělí na tři typy, a to bipolární tranzistory s přechodovým spojem (BJT), tranzistory s polním efektem (FET) a bipolární tranzistory s izolovanou hradlou (IGBT). Tyto tranzistory se dále dělí na podtypy. Podrobnosti o každém typu tranzistorů jsou popsány dále v článku.

Bipolární tranzistor (BJT)

Tranzistor BJT má tři vývody, známé jako báze, emitor a kolektor. Tok proudu v tranzistoru BJT je způsoben volnými elektrony nebo dírami. Malé množství proudu mezi bází a emitorem tranzistoru BJT může řídit velký tok proudu mezi emitorem a kolektorem. Tranzistory BJT se dělí na NPN a PNP tranzistory.

Obrázek 2: Symboly tranzistorů BJT

V PNP tranzistoru je polovodičový materiál typu N vložen mezi dva polovodičové materiály typu P. Toto uspořádání vede ke dvěma tranzistorovým přechodům, známým jako přechod báze-emitor (Je) a přechod báze-kolektor (Jc). V typické aplikaci tranzistoru je přechod báze-emitor polarizován v dopředném směru a přechod báze-kolektor je polarizován v opačném směru. V PNP tranzistoru je tok proudu způsoben dírami jakožto většinovým nosičem náboje.

Zatímco v NPN tranzistoru je polovodičový materiál typu P vložen mezi dva polovodičové materiály typu N. V NPN tranzistoru je tok proudu způsoben elektrony jakožto většinovým nosičem náboje.  

Když je mezi dva vývody tranzistoru přiveden vstupní signál, zesiluje se vstupní signál na výstupních vývodech. Jeden vývod tranzistoru slouží jako vstup a druhý jako výstup. Druhý vývod tranzistoru slouží jako zem. TProto jsou navrženy tři konfigurace tranzistorů.

1. Konfigurace společného emitoru: V konfiguraci se společným emitorem a tranzistor, vstup je přiveden na ο  Bázový terminál tranzistoru, výstup je odebírán na kolektoru a emitor je připojen k zemi.

2. Společná základní konfigurace:  V konfiguraci tranzistoru se společnou bází je vstup přiveden na emitorový terminál tranzistoru, výstup je odebírán na kolektor a báze je spojena se zemí.

3. Běžná konfigurace kolektoru: V běžné konfiguraci kolektoru tranzistoru je vstup přiveden na bázi tranzistoru, výstup je odebírán na emitor a kolektor je spojen se zemí.

Tranzistory s efektem pole (FET)

FET tranzistor využívá elektrické pole k řízení toku proudu. Tento typ tranzistoru má tři svorky: gate, drain a source. FET tranzistory jsou unipolární, na rozdíl od BJT tranzistorů, které jsou bipolární. FET tranzistory se hojně používají v mnoha aplikacích díky vysoké impedanci (až do megaohmů), nízké spotřebě energie, nízkému odvodu tepla a vysokému rozsahu spínací frekvence až do megahertzů. FET tranzistory se dělí na dva typy: MOSFET a JFET tranzistory.

MOSFET

MOSFET je zkratka pro Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor (metaloxid-polovodičový tranzistor s efektem pole). Tyto tranzistory se široce používají ve výkonové elektronice. Jsou to napěťově řízená zařízení. MOSFET tranzistor se skládá ze tří vrstev: kovu, oxidu a polovodiče. Vrstva oxidu (SiO₂) v tranzistoru naznačuje, že mezi kovovou a polovodičovou vrstvou je tenká izolovaná vrstva. MOSFET proto používá elektrické pole k řízení toku proudu mezi kovovou a polovodičovou vrstvou. Na rozdíl od BJT mohou MOSFET tranzistory při svém provozu používat jako nosiče náboje pouze elektrony (typ N) nebo díry (typ P).

Obrázek 3: Symboly MOSFETů s N-kanálem a P-kanálem

Tyto tranzistory nabízejí velmi vysokou vstupní impedanci a nízkou výstupní impedanci, protože proud je řízen elektrickým polem. Vysoká vstupní impedance těchto tranzistorů je činí vhodnými pro výkonové elektronické obvody, integrované obvody (IO), operační zesilovače, oscilátory, filtry a zařízení s vysokou spínací frekvencí.

Obrázek 4: Typické pouzdro MOSFETu pro průchozí otvor

Stejně jako BJT mají i MOSFET tranzistory tři provozní konfigurace.

1.     Konfigurace společné brány (Gate je uzemněn, vstup je na zdroji, výstup je na odtoku)

2.     Běžná konfigurace odtoku (Odtok je zem, vstup je na bráně, výstup je na zdroji)

3.     Konfigurace společného zdroje (Zdroj je zem, vstup je na bráně, výstup je na odtoku)

MOSFET tranzistory se dále dělí na MOSFET s vylepšeným typem, MOSFET s vyčerpáním, PMOS a NMOS tranzistory.

·       Typ MOSFETu s vyčerpáním: Vyčerpávací MOSFET tranzistor, známý také jako D-MOSFET tranzistor. Když protéká proud mezi zdrojovým a odtokovým terminálem tranzistoru, jedná se o kanál. U D-MOSFETu je kanál již konstruován během výrobního procesu. D-MOS tranzistor normálně pracuje v zapnutém stavu bez přivedení jakéhokoli hradlového napětí. Proto se tranzistor v tomto stavu označuje jako zapnuté zařízení. Když je však na vstup tranzistoru přivedeno hradlové napětí, jeho kanál se stává odporovým. Se zvyšujícím se napětím proud kanálu stále klesá, dokud se proud tranzistoru z odtoku do zdroje nezastaví.

·       Typ vylepšení MOSFET: Vylepšovací MOSFET, známý také jako E-MOS tranzistor. Na rozdíl od D-MOS tranzistoru není kanál již vytvořen. Za normálních podmínek mezi odtokovým a zdrojovým terminálem tranzistoru neprotéká žádný proud. Když je však na tranzistor přivedeno napětí na hradle, proud se stále zvyšuje a snižuje odpor kanálu tranzistoru.

·  

        Tranzistory PMOS a NMOS: Stejně jako MOSFETy, i tranzistory PMOS a NMOS mají tři svorky: gate, drain a source. Hlavní rozdíl mezi tranzistory PMOS a NMOS spočívá v tom, že u tranzistorů NMOS jsou zdrojové a odtokové vrstvy dopovány materiálem typu N. Zatímco u tranzistoru PMOS jsou zdrojové a odtokové vrstvy dopovány materiálem typu P.

Typ MOS	Symbol
NMOS
PMOS

JFET

JFET je napěťově řízený tranzistor, což je zkratka pro Junction Field Effect Transistor (tranzistor s efektem pole). JFET je jeden z prvních tranzistorů mezi FETy a zároveň nejjednodušší. Proud v tranzistoru JFET je způsoben pouze majoritními nosiči náboje, na rozdíl od bipolárních tranzistorů, kde proud protéká jak majoritními, tak minoritními nosiči náboje. Tranzistory JFET se dělí na N-JFET a P-JFET. Má tři svorky: gate (hradlový), source (zdrojový) a drain (odtokový).

Za normálního provozu tranzistoru, když je hradlové napětí nulové, elektrony snadno putují od zdroje k odtoku tranzistoru. Když je však hradlové napětí aplikováno na zdrojový a hradlový terminál tranzistoru, PN přechod se stane obráceně polaritním a zvětší se šířka ochudobněné vrstvy. To vede k tomu, že JFET se dostane do oblasti pinch off (úplné vypnutí).

Co dělá tranzistor?

Tranzistor je elektronické zařízení, které řídí tok proudu. Tranzistor má dvě hlavní funkce, buď se používá jako spínač, nebo jako zesilovací zařízení. Tranzistor má tři provozní režimy, tj. mezní, saturační a aktivní oblast. Funguje jako spínač nebo zesilovač na základě fungování oblasti. Pokud je tranzistor provozován v mezní a saturační oblasti, chová se jako spínač. Pokud je však provozován v aktivní oblasti, chová se jako zesilovač.

·       Tranzistor jako spínač: Díky kombinaci saturační a oddělovací oblasti funguje tranzistor jako spínací zařízení. Když je v oddělovací oblasti, proud jím vůbec neprotéká a tranzistor je v obráceně předpjatém stavu. Proto zůstává ve vypnutém stavu. Když je v saturační oblasti, proud protéká a tranzistor je v propustně předpjatém stavu. Proto přejde do zapnutého stavu. Tranzistor má rozsáhlé uplatnění, kde se používá jako spínací zařízení, jako je blikání LED diod, stejnosměrné motory, logická hradla, vysokofrekvenční pohony, přesná regulace výkonu a relé.

·       Tranzistor jako zesilovač: Když je tranzistor použit přesně v aktivní oblasti, pracuje jako zesilovač. Důležitým faktorem přispívajícím k zesílení je zesílení (beta) tranzistoru. Obvykle je uveden v datovém listu tranzistoru. Čím vyšší je zesílení, tím vyšší je zesílení tranzistoru. Dalším faktorem, který také přispívá k výkonu zesilovače, je poměr vstupního a výstupního napětí, vstupního a výstupního odporu, proudového zesílení a výkonového zesílení. Tranzistor jako zesilovač se hojně používá v rádiových signálech, bezdrátové komunikaci, operačních zesilovačích, audio zařízeních, přístrojových zesilovačích, lékařských zařízeních a optické komunikaci.

Jak fungují tranzistory?

Tranzistory způsobily revoluci v moderním světě. V dnešním světě se tranzistory používají všude, od chytrých telefonů po raketové motory, moderní procesory, paměťová zařízení a internetové servery.

Typický tranzistor funguje jako spínač nebo zesilovač. Je vyroben ze tří vrstev polovodičových materiálů, tj. typu N a typu P. Jak tedy tranzistor funguje?

Typický tranzistor má tři svorky: bázi, emitor a kolektor. Účelem tranzistoru je řídit tok proudu. Řídí tok proudu pomocí principu nosičů náboje. Většina nosičů náboje jsou buď elektrony, nebo díry. Tyto tři vrstvy jsou umístěny pohromadě tak, že mezi nimi jsou dva typy N a jeden typ P. Díky tomu se jedná o NPN tranzistor a naopak pro PNP tranzistor platí naopak.

Základní funkce tranzistorů je založena na přechodu báze-emitor a přechodu báze-kolektor. Tyto přechody vznikají, když je na terminál báze-emitor tranzistoru přiveden signál báze. Když je na vstup tranzistoru přivedeno malé množství proudu, umožňuje to protékání velkého proudu z přechodu báze-kolektor. Tomu se říká tranzistorové zesílení. Tranzistor v zesilovacím režimu je dosaženo tak, že přechod báze-emitor je polarizován v přímém směru a přechod báze-kolektor je polarizován v opačném směru.

Pokud na vstup (svorky báze-emitor) tranzistoru není přiveden žádný signál báze, je jak přechod báze-emitor, tak i přechod báze-kolektor obráceně polarizován. Proto z emitoru do kolektoru neprotéká žádný proud a tranzistor bude ve vypnutém stavu. Tranzistor v této oblasti provozu se označuje jako mezní oblast.

Když je na vstup tranzistoru přiveden signál báze, proud protéká z emitoru do kolektoru. V tomto režimu jsou jak přechod báze-emitor, tak i přechod báze-kolektor zapojeny v přímém směru a kolektor je v sepnutém stavu. Tranzistor v této oblasti provozu se označuje jako oblast saturace.

Historie tranzistorů

Původ tranzistorů sahá až do termionické elektronky. Termionické elektronky byly vynalezeny v roce 1907 a používaly se hlavně pro rádiovou technologii a radarové systémy. Byly to první typy tranzistorů, ale spotřebovávaly nadměrnou energii a byly objemné. Tyto elektronky používají vstupní signál k řízení toku proudu na výstupu pomocí elektrod. 

Kdy a kdo vynalezl tranzistor

V říjnu 1925 publikoval rakouský vědec v Kanadě vůbec první patent na tranzistor s polním efektem. Jeho práce však byla v té době ignorována kvůli nedostatku publikovaných výzkumných článků. Během druhé světové války se však laboratoře Bell Labs snažily vyrobit čistý germaniový krystal pro použití v radarových a frekvenčních směšovačích signálů.

V roce 1947 vynalezli John Bardeen a William Shockley v Bell Labs v New Jersey ve Spojených státech vůbec první funkční tranzistor. Později, v roce 1958, Bell Labs představily tranzistor MOSFET. Vynález MOSFETu způsobil revoluci v moderní elektronice, protože se jednalo o první planární tranzistor, u kterého se odtok i zdroj nacházejí na stejném povrchu. Objev MOSFETu poté široce nahradil konvenční tranzistory téměř ve veškeré elektronice, včetně procesorů, paměťových zařízení a mikrokontrolérů.

Závěr

Závěrem lze říci, že tranzistor je jedním z hlavních vynálezů 20. století.^th století, které změnilo moderní elektroniku. Moderní vestavěná elektronika, jako jsou procesory, mikrokontroléry a digitální zařízení, se skládá z tranzistorů. Tranzistory jsou životně důležitými součástmi moderní elektroniky, jako jsou radary, optická vláknová komunikace, lékařské přístroje a přístrojové zesilovače. Proto je pochopení fungování tranzistorů, jejich pracovních principů a typů klíčové pro inženýry, kteří chtějí navrhovat nejmodernější aplikace.