Transistori

Wikipedia

Transistori on kytkimenä, vahvistimena tai muistin elementtinä toimiva puolijohdekomponentti. Transistorit jaetaan yleensä kahteen päätyyppiin: bipolaaritransistoreihin (BJT) ja kenttävaikutustransistoreihin (FET). FET on toimintaperiaatteeltaan transkonduktanssivahvistin, eli sen läpi kulkeva virta on verrannollinen tulon jännitteeseen. Bipolaaritransistori taasen toimii virtavahvistimena. Oheiskomponenttien avulla transistoreista voi kuitenkin rakentaa myös muunlaisia vahvistimia ja kytkentöjä.

Transistori korvasi pitkälti paljon suuremmat, epäluotettavammat ja enemmän tehoa kuluttavat elektroniputket. Nykyisin yksittäispakattujen transistorien sijaan ja lisäksi käytetään elektroniikkalaitteissa usein mikropiirejä. Mikropiirit sisältävät yleensä pääasiassa transistoreita, joita voi samalla mikropiirillä olla satoja miljoonia kappaleita. Elektroniputki – transistori – mikropiiri -kehitys on mahdollistanut elektroniikan jatkuvan pienenemisen ja samanaikaisen tehon (älykkyyden) kasvun, siis mm. kotitietokoneet, digi-TV:t, matkapuhelimet ja laajakaistayhteydet.

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. Teollisesti transistoreita alettiin valmistaa 1951 ja jo saman vuosikymmenen puolivälissä liitostransistori oli syrjäyttänyt kärkitransistorit lähes kokonaan. Tällöin myös kehitettiin uusi, kanavaefektiin (field effect) perustuva transistori eli FET. Transistori on yksi 1900-luvun merkittävimmistä keksinnöistä.

[muokkaa] Bipolaaritransistorin toiminta

Bipolaaritransistorissa on kolme liitospistettä: kollektori C (Collector), kanta B (Base) ja emitteri E (Emitter).

NPN-tyypin bipolaaritransistorissa vahvistettava virta viedään kannalle, jolloin emitteriltä virtaa elektroneja kannan alueelle. Kannalle joutuneista elektroneista suurin osa joutuu kuitenkin kollektorilla olevan voimakkaan positiivisen sähkökentän imaisemiksi, jolloin kollektorilta emitterille on suurempi virta kuin kannalta emitterille. Tämä ilmiö mahdollistaa vahvistuksen. NPN transistori tulee tyypillisesti johtavaksi, kun kantajännite B välillä +0,5 - +0,7V ja samanaikaisesti kollektori emitterijännite-ero on vähintään +0,1V.

PNP-tyyppisessä transistorissa jännitteiden ja virtojen napaisuudet ovat vastakkaissuuntaiset kuin NPN-transistorissa. Virta on pääasiassa aukkojen ajautumista kohti negatiivista jännitettä, joten PNP-tyyppinen transistori on NPN-transistoria hitaampi. PNP transistori tulee tyypillisesti johtavaksi, kun kantajännite B on alle +0,5V ja samanaikaisesti kollektori emitterijännite-ero on alle +0,1V.

Bipolaaritransistorin toiminnan tilat:

• Suljettu tila. Molemmat kontaktit ovat estosuunnassa, ja transistori ei johda virtaa.
• Avoin tila. Kollektori-kanta-kontakti on estosuunnassa ja Emitteri-kanta-kontakti on päästösuunnassa. Transistori johtaa virtaa.
• Tila, jossa kollektori-kanta-kontakti on päästösuunnassa ja emitteri-kanta kontakti on estosuunnassa. Transistori johtaa virtaa, mutta ei yhtä hyvin kuin avoimessa tilassa.
• Kyllästystila. Molemmat kontaktit kanta- ja kollektori ovat päästösuunnassa. Transistori on kokonaan avoin ja johtaa virtaa.

Tyypilliset transistorin valinta mitoituksessa tarvittavat tiedot ovat:

• P_tot tehonkesto
• U_CEO suurin sallittu kollektori emitteri jännite
• I_Cmax suurin sallittu kollektorivirta
• H_FE virtavahvistuskerroin

Virtavahvistuskerroin eli kollektori - kantavirran suhde tarkoittaa kantavirralla X kyllästystilassa kollektorista johtuu X * H_FE mukainen virta emitterille, jolloin emitterin virta on X + X * H_FE. Virtavahvistuskerrointa voidaan kasvattaa kytkemällä useampi transistori peräkkäin niin että edellisen emitteri on seuraavan kanta jne. Menetelmää kutsutaan Darlington -kytkennäksi.

[muokkaa] Kanavatransistorin toiminta

Pääartikkelit: JFET ja MOSFET

Kanavatransistorissa päävirtapiirin muodostaa lähteen S (Source) ja nielun D (Drain) välinen puolijohdekanava. Siinä kulkevan virran suuruutta ohjataan kanavasta sähköisesti eristetylle tai estosuuntaan biasoidulle hilalle G (Gate) tuotavalla jännitteellä. Esimerkiksi nMOS-tyyppisessä FET-transistorissa hilalle tuotava positiivinen jännite vetää puoleensa elektroneja, jolloin elektronit muodostavat johtavan kerroksen hilan eristeen alle nielun ja lähteen välille ja virta pääsee kulkemaan nielulta lähteelle.

Kanavatransistorit loivat pohjan mikropiiriteknologialle. Kanavatransistorit voidaan helposti prosessoida ohuisiin piikiekkoihin vieriviereen ja liittää samalla alustalla sähköisesti toisiinsa ja muihin samaan kiekkoon integroituihin komponentteihin integroitujen piirin tuottamiseen. Piirikoon kasvaessa ja sen sisältämien miljoonien transistorien myötä nykyinen transistoriteknologia on lähestulkoon saavuttanut äärirajansa. Uusina ratkaisuina mikropiirisovelluksiin on testattu mm. nanoteknologiaan, kvanttimekaniikkaan, spintroniikkaan ja molekyylitoimintaan perustuvia transistorirakenteita, jolloin transistorin ohjaamiseen voi riittää vain yksi elektroni.