Tranzistorul

Istoric

Tranzistorul a fost inventat în laboratoarele Bell Telephone din New Jersey la data de 16 decembrie 1947 de către John Bardeen, Walter Houser Brattain, şi William Bradford Shockley de la Bell telephone Laboratories care au încercat să creeze un dizpozitiv electronic capabil să inlocuiască tuburile electronice cu catod încălzit.

Acesta urma să fie utilizat în amplificatoarele folosite în telefonia la mare distanţă , încercările au durat aproape 8 ani, iar noul dispozitiv era format dintr-o plăcuţă de germaniu de tip n şi două firişoare metalice care făceau câte un contact punctiform cu plăcuţa. Acest dispozitiv a căpătat numele de trazistor prin unirea a două cuvinte transfer şi resistor . Primul tranzistor avea o amplificare egală cu 40 la o frecvenţă de 1000 hz. Astfel de tranzistoare nu se mai fabrică astăzi , în timpul care s-a scurs de la inventarea tranzistorului au fost elaborate o serie de tehnologii de fabricaţie şi deci şi de tipuri de tranzistoare . metodele cunoscute sunt :tehnica alierii , tehnica difuziei , metoda planară , epitaxial-planară şi mesa-planară

Metode de obţinere

În tehnologia de aliere , punctul de plecare îl constituie o plăcuţă dintr-un monocristal de germaniu dotat cu impurităţi de tip n. De o parte şi de alta a plăcuţei se fixează câte o bilă de indiu , care pentru germaniu este o impuritate de tip p . Ansamblu se încălzeşte la temperatura de topire a indiului . Indiul pătrunde în reţeaua cristalină a semiconductorului astfel încât după racire sub bilele de indiu apar zone de tip p.Perla care formează colectorul este mai mare decât cea a emitorului şi mai slab dotată .

Grosimea bazei depinde şi de durata procesului de aliere . Pe cele trei regiuni ale tranzistorului se sudează firele de conexiuni sistemul este fixat pe o plăcuţă suport şi apoi încapsulat . Tot astfel se pot fabrica tranzistoare de tip npn prin alierea a două perle de antimoniu pe o placuţă de germaniu de tip p . Principalul dezavantaj al trazistoarelor aliate este frecvenţa şi temperatură de lucru relativ mică

Spre deosebire de procedeul de aliere care implică o stare lichidă , procedeul de difuzie , presupune o fază gazoasă . Cristalul semiconductor este încălzit la o temperatură apropiată de cea de topire într-o atmosferă gazoasă ce conţine vapori de impurităţi care pătrund , în cristal . Pentru fabricarea unei joncţiuni pn , se încălzeşte o plăcuţă semiconductoare de tp nîntr-o atmosferă de atomi de tip p. Aceştia pătrund în interiorul plăcuţei formând o regiune de tip p . Cel mai important tip de trazistor care se fabrică prin tehnica difuziei este tranzistorul planar. - Principala calitate a acestor tanzistoare este frecvenţa de lucru ridicată care ajunge şi la câteva mii de Mhz. asta pentru ca prin difuzie stratul bazei poate fii făcut extreme de subţire , mai sunt si alte metode ca : metoda planară , epitaxial-planară şi mesa-planară

Tranzistoarele sunt dispozitive semiconductoare care îndeplinesc condiţiile necesare amplificarii unor semnale .

După tipul de purtători ce contribuie la funcţionarea lor ele sunt:

Bipolare – purtători de ambele polarităţi – majoritari (electroni)

- minoritari (goluri)

Unipolare – Purtători de o singură polaritate – electroni sau goluri.

Tranzistorul bipolar

Simbolul tranzistorului bipolar îşi are originea în forma constructivă a primului tranzistor cu contacte punctiforme. Emitorul este reprezentat printr-o săgeată. La un tranzistor pnp , săgeata este îndreptată spre bază şi la npn dinspre bază ,de fapt săgeata indică sensul curentului prin tranzistor

Structura şi caracteristicile tranzistorului

Tranzistorul bipolar este o structură de trei zone semiconductoare extrinseci (pnp sau npn) realizată într-un cristal semiconductor. Ea este prezentată schematic în figura de mai jos .Fiecare zonă are un contact ohmic cu câte un terminal exterior. Cele trei terminale se numesc emitor– E, bază – B şi colector – C. Denumirile sugerează funcţia pe care o îndeplineşte fiecare dintre cele trei zone: emitorul este furnizorul principal de sarcini electrice, colectorul colectează sarcinile electrice iar baza poate controla cantitatea de sarcină care ajunge la colector. După acelaşi criteriu, cele două joncţiuni se numesc emitoare, respectiv colectoare.

O astfel de structură se numeşte bipolară deoarece la conducţia electrică participă sarcini electrice de ambele polarităţi, goluri şi electroni, cu contribuţii diferite la curent în funcţie de tipul de tranzistor. În funcţie de ordinea zonelor, tranzistorii bipolari pot fi de tip pnp sau npn. Simbolurile lor sunt prezentate mai jos

Din punct de vedere tehnologic structura de tranzistor are două particularităţi:

emitorul este mult mai puternic dopat decât baza

lărgimea fizică a bazei este mult mai mică decât lungimea de difuzie a purtătorilor majoritari din emitor (aprox. 10m)

Pentru a exista conducţie electrică între emitor şi colector, joncţiunea

emitoare trebuie polarizată în sens direct iar joncţiunea colectoare în sens invers. Un circuit de polarizare a joncţiunilor unui tranzistor de tip pnp este prezentat în figura de mai jos. În practică polarizarea joncţiunilor se face cu o singură sursă de alimentare.

Se poate observa modul în care purtătorii de sarcină din semiconductor contribuie la formarea curenţilor exteriori măsurabili: curentul de emitor - IE, curentul de colector – IC şi curentul de bază – IB. Trebuie să subliniem încă odată faptul că la curentul prin tranzistor participă purtători de ambele polarităţi, în timp ce la curenţii exteriori participă exclusiv electronii de conducţie din metal.

Golurile, care sunt purtătorii majoritari în emitor, sunt acceleraţi în câmpul de polarizare directă a joncţiunii emitoare şi, în marea lor majoritate, vor traversa baza şi vor fi preluate de câmpul electric de polarizare inversă a joncţiunii colectoare. Fracţiunea din curentul de emitor care contribuie la

formarea curentului de colector este notată cu . şi se numeşte factor de curent

şi valorile lui sunt foarte apropiate de 1:   0,97  0,99. Datorită slabei dopări a

bazei şi a lărgimii ei foarte mici, doar o mică parte din golurile care pleacă din emitor se vor recombina cu electronii din bază. Curentul IE împreună cu

curentul de purtători minoritari, ICBo, care traversează joncţiunea colectoare

polarizată invers, vor forma curentul de colector, IC. Astfel, pot fi scrise

următoarele relaţii între curenţii măsurabili: