Transistori

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Erilaisia transistoreita

Transistori on kolmeliitoksinen puolijohdekomponentti, joka voi toimia kytkimenä, vahvistimena tai muistin elementtinä.[1] Transistorit jaetaan yleensä kahteen päätyyppiin: bipolaaritransistoreihin (liitostransistori, engl. bipolar junction transistor, BJT) ja kanavatransistoreihin (FET). FET on toimintaperiaatteeltaan transkonduktanssivahvistin, eli sen läpi kulkeva virta on verrannollinen tulon jännitteeseen. Bipolaaritransistori puolestaan toimii virtavahvistimena. Oheiskomponenttien avulla transistoreista voi kuitenkin rakentaa myös muunlaisia vahvistimia ja kytkentöjä.

Transistorit ovat keskeisessä osassa modernia elektroniikkaa ja niitä löytyy käytännössä kaikista sähköisistä järjestelmistä, sen keksiminen mahdollisti valmistettavien tuotteiden pienentymisen ja halventumisen. Transistorin keksiminen on listattuna IEEE:n elektroniikan saavutuksissa ja sen keksijöille luovutettiin Nobelin fysiikanpalkinto vuonna 1956.[2]

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ensimmäisen toimivan transistorin replika.
Erilaisia vanhoja transistoreita.

Transistorin keksivät 1947 yhdysvaltalaisen Bell Telephone Laboratoryn fyysikot Walter Brattain ja John Bardeen[3]. Ensimmäinen transistori oli kullasta ja germaniumista rakennettu kärkitransistori.

Vuotta myöhemmin samaan tutkijaryhmään kuulunut William Shockley kehitti bipolaarisen liitostransistorin[3], 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.

400A 600V taajuusmuuttajan transistori.

Teollisesti transistoreita alettiin valmistaa 1951 ja jo saman vuosikymmenen puolivälissä liitostransistori oli syrjäyttänyt kärkitransistorit lähes kokonaan. Tällöin myös kehitettiin uusi, kanavaefektiin perustuva transistori eli FET (Field Effect Transistor). Monet pitävät transistoria yhtenä 1900-luvun merkittävimmistä keksinnöistä.

Transistori korvasi pitkälti paljon suuremmat, epäluotettavammat ja enemmän tehoa kuluttavat elektroniputket. Elektroniikkalaitteissa käytetään nykyisin yksittäispakattujen transistorien lisäksi usein mikropiirejä. Mikropiirit sisältävät yleensä pääasiassa transistoreita, joita voi samalla mikropiirillä olla jopa useampi miljardi kappaletta. Transistorien määrä mikropiirissä Mooren lain mukaan kaksinkertaistuu noin kahden vuoden välein. Elektroniputki-transistori-mikropiiri -kehitys on mahdollistanut elektroniikan jatkuvan pienenemisen ja samanaikaisen laskentatehon kasvun, siis muun muassa kotitietokoneet, digi-TV:t, matkapuhelimet ja laajakaistayhteydet. Käytännössä ollaan jo siinä tilassa, että laitteiden pienentämistä rajaa enää niiden käytettävyys. Esimerkiksi digivirittimen voisi teknisesti tehdä sokeripalaa pienemmäksi.

Transistorien valmistus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Puolijohdemateriaali voidaan puhdistaa kemiallisesti tai ns. vyöhykesulatusmenetelmällä. Vyöhykesulatusmenetelmässä puolijohdemateriaalista tehty tanko vedetään käämin läpi. Käämissä kulkeva suuritaajuinen virta aiheuttaa pyörrevirtoja tangon sisälle, jolloin puolijohdemateriaali sulaa. Käämin jälkeen materiaali jähmettyy, mutta epäpuhtaudet jäävät sulaan osaan. Näin ollen epäpuhtaudet siirtyvät tangon päähän josta ne voidaan poistaa.

Vetotekniikka[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Transistori voidaan valmistaa kiteenvetomenetelmällä, jossa sulaan puolijohdemateriaaliin lasketaan pyörivään akseliin kiinnitetty siemenkide. Sula puolijohdemateriaali kiteytyy siemenkiteen ympärille. Saostamalla lisäaineille sula puolijohdemateriaali vuoroin n-tyyppiseksi ja vuoroin p-tyyppiseksi, saadaan valmistettua p-n-p ja n-p-n -tyyppisiä transistoreja.

Seostustekniikka[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Seostustekniikassa puolijohdepalan kummallekin puolelle asetetaan pieni pala sopivaa epäpuhtausainetta.Kun palaa kuumennetaan epäpuhtausaineen sulamispisteen yläpuolelle, tunkeutuu sulava epäpuhtausaine puolijohteeseen. Jos puolijohde on n-tyyppiä esimerkiksi germaniumia ja epäpuhtausaine esimerkiksi indiumia, muodostuu p-n-p transistori.[4]

Transistorin toiminta yleisesti[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Yksinkertainen piirros josta ilmenee n–p–n bipolaaritransistorin napojen nimet.

Transistorin hyödyllisyys perustuu sen kykyyn säätää pienellä signaalilla huomattavasti säätösignaalia suurempaa signaalia, tällöin transistori toimii siis vahvistimena. Vastaavasti transistoria voidaan käyttää myös sähköisesti ohjattuna kytkimenä.

Transistorit voidaan jaotella kahteen ryhmään. Bipolaaritransistoreihin jonka kontaktit on nimetty kannaksi B, kollektoriksi C ja emitteriksi E; sekä kanavatransistoreihin jonka kontaktit ovat nimetty hilaksi G, kollektoriksi D ja emitteriksi S.

Kuvan bipolaaritransistorissa virta kulkee kollektorin C ja emitterin E välillä riippuen kannan B läpi kulkevasta virrasta.

Transistorin käyttö kytkimenä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Transistoreita käytetään yleisesti digitaalielektroniikassa kytkiminä niiden pienen koon ja lyhyen vasteajan takia. Kantavirta tulee mitoittaa niin että käytössä olevaa transistoria voidaan ohjata suljetusta tilasta (kytkin pois päältä) kyllästystilaan (kytkin päällä). Ideaalisessa tilanteessa transistorin kahden tilan muutos käy saman tien, ilman että kytkin on välillä avoimessa tilassa.

Transistorin käyttö vahvistimena[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vahvistimen toiminta voidaan yksinkertaisimmillaan ajatella jaetuksi kantapiiriin ja kollektoripiiriin. Kantapiirissä on jokin jännitelähde, jolla halutaan voimistaa kollektoripiirissä olevaa jännitelähdettä. Kantapiirissä oleva jännite aiheuttaa kantavirran transistorin kannan ja emitterin välille. Kantavirta taas synnyttää kollektorivirran transistorin kollektorin ja emitterin välille. Tällöin transistorin kollektorin ja emitterin välille syntyy jännite joka kasvattaa kollektoripiirissä olevaa, vahvistettavaa jännitettä.[5]

Bipolaaritransistorin toiminta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

NPN-transistorin symboli.
NPN-transistori kiinni.
NPN-transistori auki.

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 kanta-emitterijännite on välillä 0,5–0,7 V ja samanaikaisesti kollektori-emitterijännite on vähintään 0,1 V.

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 negatiivinen kanta-emitterijännite on itseisarvoltaan yli 0,5 V ja samanaikaisesti negatiivinen kollektori-emitterijännite on itseisarvoltaan yli 0,1 V.

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 valintamitoituksessa tarvittavat tiedot ovat:

  • Ptot tehonkesto
  • UCEO suurin sallittu kollektori-emitteri-jännite
  • ICmax suurin sallittu kollektorivirta
  • HFE virtavahvistuskerroin

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

Kanavatransistorin toiminta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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 muun muassa nanoteknologiaan, kvanttimekaniikkaan, spintroniikkaan ja molekyylitoimintaan perustuvia transistorirakenteita, jolloin transistorin ohjaamiseen voi riittää vain yksi elektroni.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Elektroniikkarakentelijan kirja s. 44-47
  • Sähkötekniikan käsikirja 3

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Lhadi Merhari: Hybrid Nanocomposites for Nanotechnology: Electronic, Optical, Magnetic and Biomedical Application, s. 232. Springer, 2009. ISBN 9780387304281. (englanniksi)
  2. The Nobel Prize in Physics 1956 www.nobelprize.org. Viitattu 17.3.2016.
  3. a b Arto Lehto: Transistori 60 v. Maailma mullistui puolivahingossa, Tiede 2007.
  4. Tuomo Leppihalme, Rae Perälä: Sähkötekniikan käsikirja 3, s. 190-192. Tammi, 1979. ISBN 951-30-2490-3.
  5. Elektroniikan perusteet - Lappeenrannan teknillinen yliopisto, (C) Mikko Kuisma www.kuisma.eu. Viitattu 17.3.2016.

Kirjallisuutta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Wiio, Osmo A.; Somerikko, Unto V.: Nuorten radiokirja. Tekniikan maailma, 1963.
  • Salste, Mikko; Porra, Veikko: Elektroniikka: sovelletun elektroniikan ja digitaalitekniikan perusteet. Otaniemi: Otakustantamo, 1973. ISBN 951-671-053-0.
  • Silvonen, Kimmo: Sähkötekniikka ja elektroniikka. Helsinki: Otatieto, 2003. ISBN 951-672-33-7.
  • Silvonen, Kimmo; Tiilikainen, Matti; Helenius Kari: Analogiaelektroniikka. Helsinki: Edita, 2004 (2002). ISBN 951-37-3839-6.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta transistori.