Transistori

Wikipediasta
Siirry navigaatioon Siirry hakuun
Erilaisia transistoreita

Transistori on kolminapainen puolijohdekomponentti, joka voi toimia kytkimenä tai vahvistimena.[1] Transistorin kahden liittimen välisellä jännitteellä voidaan kontrolloida kahden muun liittimen läpi kulkevaa virtaa. Transistorit jaetaan yleensä kahteen päätyyppiin: bipolaaritransistoreihin[2] ja kanavatransistoreihin.[3] Yleisimmin transistorit valmistetaan piistä, mutta muitakin puolijohdemateriaaleja, kuten germaniumia, käytetään.

Transistori on nykyaikaisen elektroniikan peruskomponentti, ja niitä löytyy käytännössä kaikista sähköisistä järjestelmistä. Transistorin keksiminen mahdollisti elektronisten tuotteiden pienentymisen ja halventumisen sekä tietokoneiden laskentatehon kasvun. Tämä kehityskulku elektroniputkesta yksittäisiin transistoreihin ja edelleen miljardeja transistoreita sisältäviin mikropiireihin on mahdollistanut muun muassa henkilökohtaiset tietokoneet ja matkapuhelimet.

Historia

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vuonna 1926 Julius E. Lilienfeld haki patenttia kolmen elektrodin rakenteeseen, joka perustui puolijohteeseen.[4] Nykyisin ratkaisua kutsuttaisiin kanavatransistoriksi.[4] Vuonna 1934 Oskar Heil haki patenttia virran ohjaamiseen puolijohteessa, joka oli myös periaatteessa kanavatransistori.[4] Vaikka patentit myönnettiin molemmille, ei ole aineistoa, joka osoittaisi kummankaan rakentaneen toimivia laitteita.[4]

,23. helmikuuta 1940 Russell Ohl testasi pientä palaa piitä ja sai yllättäviä tuloksia: kirkas valo sai läpikulkevan virran hyppäämään huomattavasti, ja materiaalin eri osat antoivat vastakkaisia sähköisiä tuloksia.[5] Ohl ja Jack Scaff havaitsivat sauman merkitsevän jakoa eri epäpuhtauksiin.[5] Kun epäpuhtautena oli fosfori, sai se aikaan ylimääräisiä elektroneja, kun taas boori aiheutti elektronien vajausta (myöhemmin tunnistettu elektroniaukoiksi).[5] Ohl ja Scaff kutsuivat alueita n-tyypiksi (negatiiviselle) ja p-tyypiksi (positiiviselle): pinta, jossa nämä kohtasivat, tuli tunnetuksi p-n-liitoksena.[5] Liitokseen osuva valo sai elektronit kulkemaan n-puolelta p-puolelle saaden aikaan sähkövirran.[5] Ohl havaitsi p-n-rajapinnassa tapahtuvan valosähköisen ilmiön muodon, johon muun muassa nykyiset aurinkokennot perustuvat.[5]

Ensimmäisen transistorin kopio.

Transistorin keksivät 1947 yhdysvaltalaisen Bell Telephone Laboratoryn fyysikot Walter Brattain ja John Bardeen.[6][7] 16. joulukuuta 1947 tutkimus johti ensimmäiseen puolijohdevahvistimeen.[7] Laite nimettiin transistoriksi, ja se koostui kahdesta lähekkäin asetetusta kultakontaktista, jotka olivat germanium-laatalla.[7][8] Toinen kontakti oli emitteri ja toinen kollektori, kun taas kantana (base) tunnettu kolmas kontakti oli germanium-alustan toisella puolella.[8] Positiivinen jännite emitterissä lisäsi johtavuutta germaniumissa vahvistaen kollektoriin saapuvaa virtaa satakertaisesti.[8][7] Bell Labs ilmoitti laitteesta lehdistötilaisuudessa 30. kesäkuuta 1948, ja siihen pohjautuen valmistettiin tuhansia "Type A" -transistoreja.[7] Bardeenin ja Brattainin kärkitransistorille on haettu patenttia numero 2524035 vuonna 1948.[9]

Bardeenin ja Brattainin joulukuussa esittelemän keksinnön jälkeen William Shockley aloitti teoreettisen työn ja 23. tammikuuta 1948 rakensi liitostransistorin, joka perustui Russell Ohlin löytämään p-n -liitokseen.[10] Shockley oli eri mieltä Bardeenin selityksen kanssa siitä, miten transistori toimi.[10] Shockleyn transistori perustui kolmikerroksiseen rakenteeseen, jossa n- ja p-tyypin puolijohteita erottaa p-n-liitokset.[10] Tämä loi perustan sille, miten bipolaariset liitostransistorit toimivat nykyään.[10] 16. helmikuuta 1948 John Shive sai aikaan transistoritoiminnan kontaktien ollessa germaniumin vastakkaisilla puolilla eikä toistensa vierellä osoittaen, että elektroniaukot kulkivat germaniumin läpi.[10] Shockley haki patenttia numero 2569347 samana vuonna.[11]

Bipolaarinen liitostransistori 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.lähde?

John Bardeen, William Shockley ja Walter Brattain Bell Labsissa vuonna 1948.

Kärkitransistorin keksivät riippumattomasti myös kaksi muuta tutkijaa työskennellessään Pariisissa vuonna 1948: Herbert Mataré ja Heinrich Welker työskentelivät Compagnie des Freins et Signauxille, jossa Mataré tutki outoa "häiriötä", jota hän oli havainnut germaniumiin pohjautuvissa tasasuuntaajissa.[12] Kesäkuussa 1948 Welkerin tuottamilla korkeamman puhtausasteen germanium-näytteillä saavutettiin johdonmukaisia, toistettavia tuloksia.[12] Kuukautta myöhemmin he kuulivat Bell Labsin vastaavasta vahvistimesta ja yhtiö kiiruhti laitteen markkinoille nimellä "transistron" erottaakseen sen transistorista.[12] Vuonna 1949 niitä valmistettiin tuhansia Ranskan puhelinjärjestelmään, mutta liitostransistorit korvasivat ne nopeasti.[12]

Gordon Teal teki vuonna 1951 Ernie Buehlerin kanssa kokeita Bell Labsissa piin douppauksella.[8] Tietyillä materiaaleilla luotiin elektronien ylimäärää, eli n-tyypin puolijohde, ja toisilla materiaaleilla elektronien puutetta (aukkoja), eli p-tyypin puolijohde.[8] Teal julkaisi tulokset seuraavana vuonna.[8] Vuonna 1950 Teal kehitti Buehlerin ja John Littlen kanssa menetelmän "kasvattaa" germanium-kiteitä vetämällä niitä sulasta germaniumista Jan Czochralskin kehittämillä menetelmillä.[13] Morgan Sparks työskenteli Tealin kanssa "kasvatettujen" liitostransistorien parissa, jotka muodostivat n-p-n-rakenteita n-tyypin ja p-tyypin puolijohteiden välille.[13] Vuotta myöhemmin kasvatetut liitostransistorit ohittivat parhaat kärkitransistorit suorituskyvyssä.[13] Bell Labs julkaisi saavutuksesta 4. heinäkuuta 1951.[13]

William Pfann kehitti vuosina 1950–1951 menetelmän korkean puhtauden puolijohdemateriaalin valmistukseen.[14] Henry Theurer kehitti menetelmästä muunnoksen piitä varten.[14] Kaksi muuta laboratoriota kehittivät prosessin riippumattomasti.[14]

Vuonna 1952 Bell Labs lisensoi patenttejaan useille tahoille, mukaan lukien Texas Instrumentsille, ja samana vuonna ilmestyivät ensimmäiset kuluttajille suunnatut transistoria käyttävät kojeet.[8][15] Transistorit ilmestyivät ensin kuulolaitteisiin ja radioihin.[15] Manchesterin yliopistossa esiteltiin transistoroidun tietokoneen prototyyppiä 16. marraskuuta 1953.[16] Useita transistoreihin perustuvia tietokoneita seurasi: Metrovick 950, TRADIC, TX-0 ja ETL Mark III.[16]

Calvin Fuller ja Gerald Pearson tekivät vuonna 1953 kokeita piin epäpuhtauksien kanssa, joiden tuloksena 24. huhtikuuta 1954 Bell Labs ilmoitti saavutuksesta aurinkopariston (aurinkokennon) kehittämisestä.[8][17] Daryl Chapin työskenteli Fullerin ja Pearsonin kanssa ominaisuuksien parantamiseksi.[17]

Gordon Teal siirtyi Texas Instrumentsille vuonna 1953.[8] Tealin myötä yritykseen palkattiin useita muita henkilöitä, kuten Willis Adcock, jotka tutkivat piin käyttöä.[8] Piillä oli korkea sulamispiste, ja sen käsittely oli vaikeaa johtuen sen korkeasta reaktiivisuudesta.[8] Morris Tanenbaum työskenteli Bell Labsilla Shockleyn tutkimusryhmässä Ernie Buehlerin kanssa ja saavutti toimivan piihin perustuvan transistorin, mutta sitä ei julkistettu, koska prosessia ei pidetty valmistustekniikan kannalta kiinnostavana.[8]

Piihin perustuvat transistorit esiteltiin ensi kerran julkisesti 10. toukokuuta 1954.[8] Gordon Teal esitteli piihin perustuvaa transistoria ja julkaisi artikkelin Some Recent Developments in Silicon and Germanium Materials and Devices.[8] Germaniumiin verrattuna näin saatiin muun muassa parempi korkeiden lämpötilojen sietokyky ja siten parempi luotettavuus.[8] Germaniumilla oli eräitä etuja ja haittoja, joiden takia siirtyminen piihin oli merkittävä seikka transistorien käytölle.[8] Germanium ei reagoi niin herkästi, on helpompi käsitellä alhaisemman sulamispisteen ansiosta ja virta kulkee paremmin sen läpi.[8] Germanium-transistorit lopettavat toimintansa yli 75 celsius-asteessa, mikä tekee niistä huonon vaihtoehdon tiettyihin tarkoituksiin.[8]

Texas Instrumentsin tavoitteena transistorin kehityksessä oli korvata herkästi rikkoutuvat elektroniputket armeijalle valmistetuissa laitteissa, kun taas Bell Labsin merkittävä asiakas oli AT&T:n puhelinjärjestelmä, joka tarvitsi kestäviä ja pitkä-ikäisiä kytkimiä.[8] Kummallekaan asiakkaalle germanium-transistorit eivät olleet soveltuvia.[8] Kummallekin ryhmälle tärkeä tekijä oli DuPontin valmistamat näytteet ja pienet erät "puolijohdetason" piitä.[8]

Ensimmäinen kaupallisesti myyty transistoroitu laskentaväline oli IBM 608 -laskin (1955).[18][19] Shockley, Bardeen ja Brattain saivat Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1956.[20]

Pian perustamisensa jälkeen Fairchild Semiconductor sai varhain vuonna 1958 IBM:ltä tilauksen transistoreille: vaatimukset täyttävää piitransistoria ei tuolloin ollut ja Fairchildilla oli kaksi rinnakkaista kehitysprojektia.[21] Gordon Mooren johtama ryhmä kehitti n-p-n-transistoria ja Jean Hoerni työskenteli p-n-p-transistorin parissa.[21] Muutamassa kuukaudessa yrityksen perustajat aloittivat kiteiden kasvatuksen, kehittivät litografisia tekniikoita ja rakensivat omaa valmistus- ja testauslaitteistoa.[21] Kokemuksiensa pohjalta he kehittivät uuden transistorin, jota esiteltiin tyyppinä 2N697 elokuussa 1958.[21] Myöhemmin Hoerni kehitti ratkaisun havaitulle luotettavuusongelmalle.[22] Joulukuussa 1957 Hoerni oli merkinnyt muistiin ajatuksen, jossa oksidikerros jätetään piikiekolle suojaamaan p-n-liitoksia sen alla.[22] Tavallinen tapa oli poistaa kerros siinä mahdollisesti olevien epäpuhtauksien vuoksi, mikä paljasti liitokset.[22] Vuonna 1959 patentti paljastettiin ja Hoerni esitteli toimivaa transistoria.[22] Menetelmä mahdollisti myös integroidun piirin kaikkien komponenttien valmistamisen piikiekon yhdelle puolelle.[22]

Vuonna 1957 Seymour Cray pyysi General Transistor -yritystä kehittämään nopeasti kytkevän germaniumiin perustuvan laitteen CDC 1604 -tietokoneeseen.[23] Myöhemmin Cray myönsi Fairchild Semiconductorille kehityssopimuksen uuden transistorin kehittämiseen CDC 6600 -tietokoneeseen: Jean Hoernin kehittämä n-p-n-laite esiteltiin heinäkuussa 1961 ja oli ensimmäinen piihin perustuva, joka ylitti germaniumin nopeuden.[23] Kesäkuussa 1960 Henry Theurer piti esitelmän epitaksiaalisista transistoreista, joissa oli parannuksia kytkentänopeuteen.[24]

Kanavatransistoritekniikan (FET, engl. Field Effect Transistor) saivat ensimmäisenä toimimaan John Atalla ja Dawon Kahng Bell Labsilla vuonna 1959.[25] He löysivät ratkaisun kerrosrakenteesta, jossa oli metalli (M-hila), oksidi (O-eriste) ja pii (S-puolijohde) johtaen nimeen MOSFET (MOS-transistori).[25] Laite oli hidas eikä ratkaissut mitään painavaa ongelmaa puhelinjärjestelmässä joten sitä ei tutkittu pidemmälle.[25] Kahng kuitenkin mainitsi muistiossa vuonna 1961 mahdollisen valmistamisen helppouden ja mahdollisen sovelluskohteen integroiduissa piireissä.[25] Tutkijat Fairchild Semiconductorilla ja RCA:lla tunnistivat edut.[25] Pienen koon ja alhaisen virrankäytön vuoksi (verrattuna bipolaaritransistoreihin) 99 prosenttia nykyään tuotetuista mikropiireistä käyttää MOS-transistoreja.[25] Ensimmäiset MOS-tekniikkaan perustuvat kaupalliset mikropiirit julkaistiin vuonna 1964.[26]

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 kasvaa tasaisin väliajoin.[27] Alkuperäisen Mooren lain mukaan transistorien määrä kasvoi kustannusten pysyessä vakiona.[27] Dennard-skaalaus on havainto siitä, että jännite ja virta ovat yhteydessä transistorin kokoon, joten transistorin pienentäminen vähensi myös tarvittavaa virtaa ja jännitettä.[27] Pienempi transistori myös vaihtaa tilaa nopeammin.[27]

Mikropiirien käyttö verrattuna yksittäisiin transistoreihin teki pienempiä ja nopeampia laitteita sekä lisäsi luotettavuutta ja kulutti vähemmän virtaa.[28] Lisäksi piirien valmistusta voitiin automatisoida, mikä teki tietokoneista laajemmin saatavia merkittävästi alemmalla hinnalla.[28]

CMOS-prosessin kehittivät Fairchild Semiconductorilla Chih-Tang Sah ja Frank Wanlass, jotka julkaisivat artikkelin vuonna 1963.[29] Logiikkapiirit p- ja n-kanavien MOS-transistoreilla olivat lähellä nollaa virrankulutuksessa.[29] Ensimmäiset CMOS-tekniikkaa käyttävät piirit ilmestyivät kuluttajille paristokäyttöisissä digitaalikelloissa.[29]

Chenming Hu on saanut IEEE:n tunnustuksen työstään kolmiulotteisen FinFET-transistorin kehittämisessä 1990-luvulla.[30] Ratkaisu mahdollistaa pienempien, luotettavien ja tehokkaiden transistorien valmistamisen.[30]

Transistorityypit

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kärkitransistori oli ensimmäinen esitelty toimiva transistori.[8][7] Liitostransistorit korvasivat kärkitransistorit nopeasti.[12]

Bipolaaritransistoreihin voidaan suunnitella piirikuvion (engl. layout) avulla tarvittaessa useita emittereitä, kantoja ja kollektoreita. Samoin FET-transistoreihin voidaan suunnitella tarvittaessa useita hiloja esimerkiksi mikserikäyttöä varten.

Bipolaaritransistorissa on kanta (engl. base, B), kollektori (engl. collector, C) ja emitteri (engl. emitter, E) ja tämä transistorityyppi toimii virtavahvistimena vahvistaen kannalle tulevan virran kollektorilta ja emitterille kulkevaksi virraksi.

Kanavatransistorissa (FET) on hila (engl. gate, G), lähde (engl. source, S) ja nielu (engl. drain, D) ja se on toimintaperiaatteeltaan transkonduktanssivahvistin, eli lähteen ja nielun välinen virta on verrannollinen hilan (tulon) jännitteeseen. Oheiskomponenttien avulla transistoreista voi kuitenkin rakentaa myös muunlaisia vahvistimia ja kytkentöjä.

Perustransistorityppeistä (bipolaaritransistori ja FET) on kehitetty suurien virtojen ja jännitteiden käsittelyyn yhdistelmäkomponentteja kuten IGBT (Insulated gate bipolar transistor), joka on korvannut tyristorin lähes täysin paremman ohjattavuuden, virran/jännitteiden hallinnan ja luotettavuuden ansiosta.

1950- ja 1960-luvuilla bipolaaritransistorit olivat mikropiirien peruselementtejä mutta tarve tehonkulutuksen pienentämiseen johti aluksi NMOS-fetteihin pohjautuvien piiriratkaisujen kehittämiseen ja 1980-luvulle tultaessa P- ja NMOS-transistoreihin perustuviin CMOS (complementary metal oxide semiconductor) piireihin. Digitaaliset CMOS-ratkaisut kuluttavat tehoa vain kytkentähetkellä.

Transistorien valmistus

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Taulukko erilaisista vaihtoehdoista toteuttaa HBT-transistoreita piille (Si), galliumarsenidille (GaAs) tai indiumfosfidille (InP)

Transistoreita valmistetaan yleensä yksikiteisestä materiaalista valmistetulle puolijohdekiekoille, jotka ovat yhdestä puolijohdemateriaalista tavallisimmin piistä (Si) tai yhdistelmäpuolijohteesta esimerkiksi galliumarsenidista (GaAs) tai harvemmin piikarbidista (SiC) tai indiumfosfidista (InP). Piimateriaalin yleisyys transistorien perusmateriaalina perustuu hyvään materiaalin hallintaan koko kiekon (halkaisija 200–300 mm) alueella, planaariseen/tasomaiseen transistorien valmistustekniikkaan, piin kanssa yhteensopiviin eristeisiin ja niiden hallittuun valmistamiseen. GaAs-transistoreita käytetään suurtaajuussovelluksissa, koska varauksenkuljettajien liikkuvuus on materiaalista johtuen moninkertaista verrattuna piin elektronien (nopeus aina suurempi kuin aukoilla) liikkuvuuteen. GaAs-kiekkojen valmistus ei kuitenkaan ole niin kehittynyttä kuin piikiekkojen ja GaAs-materiaalin kanssa yhteensopivien eristeiden määrä on huomattavasti pienempi kuin piillä. Piikarbidi-transistoreita käytetään korkean lämpötilan sovelluksissa ja InP-transistoreita optisissa sovelluksissa.

On myös mahdollista valmistaa transistoreita puolijohtavien ohutkalvojen esimerkiksi monikiteisen piin pinnalle, jolloin apu(ei aktiivisena)substraattina voi toimia lasi, safiiri jopa taipuva polyimidi. Tällaisten ns. ohutkalvotransistorien ominaisuudet poikkeavat huomattavasti yksikiteiselle piille- tai GaAs-substraatille valmistettujen transistorien ominaisuuksista (pienempi varauksenkuljettajien liikkuvuus, epätasaisemmat pinnat, jotka rajoittavat viivanleveyksien pienentämistä jne.) ja niiden käyttö voi olla rajoittunut esimerkiksi näyttöihin.

Tavallisesti transistorien valmistus sisältää useita korkean (n. 450–1 100 °C) ja matalan lämpötilan vaiheita, joissa muodostetaan transistorien aktiiviset osat (esim. diffusoimalla, ioni-istuttamalla), tarvittavat eristeet (esim. ALE(Atomic layer epitaxy)-tekniikalla, oksidoimalla tai CVD-menetelmällä) sekä metalloinnit/metallimaiset kerrokset transistorien eri napoihin ja IC piirillä metalloinnit yhdistämään transistorit toisiinsa. Tarkat kuviointitekniikat ovat oleellinen osa valmistusta, joka tapahtuu erittäin puhtaissa tiloissa.

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.

Bipolaaritransistorin käyttö kytkimenä

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Transistoreita käytetään yleisesti digitaalielektroniikassa kytkiminä niiden pienen koon ja lyhyen vasteajan takia. Bipolaaritransistorin tapauksessa kantavirta tulee mitoittaa niin, että käytössä olevaa transistoria voidaan ohjata avoimesta tilasta (kytkin pois päältä) kyllästystilaan (kytkin päällä). Ideaalisessa tilanteessa muutos transistorin kahden tilan välillä tapahtuu niin, että kytkin on joko täysin auki tai täysin kiinni.

Bipolaaritransistorin käyttö jännitevahvistimena

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vahvistimen toiminta voidaan yksinkertaisimmillaan ajatella jaetuksi kantapiiriin ja kollektoripiiriin. Kantapiirissä on jokin jännitelähde, jolla halutaan ohjata kollektorin ja emitterin välillä vaikuttavaa jännitettä, ja kollektorille syötetään tasajännitettä kollektorivastuksen kautta. Kantapiirissä oleva jännite synnyttää transistorin kannan ja emitterin välille kantavirran. Koska bipolaaritransistori toimii luonnostaan virtavahvistimena, kantavirta aiheuttaa transistorin kollektorin ja emitterin välille kollektorivirran, joka on paljon suurempi kuin kantavirta. Kollektorivirta aiheuttaa jännitehäviön kollektorivastuksessa, jolloin transistorin kollektorin ja emitterin välille jäävä jännite pienenee. Transistori toimii siis invertoivana vahvistimena.[31]

Bipolaaritransistorin toiminta

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Yksinkertaistettu poikkileikkauskuva NPN bipolaaritransistorista
NPN-transistori kiinni.
NPN-transistori auki.
NPN-transistorin symboli.

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 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 kollektorivirran ja 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.

Bipolaaritransistoreita on kahdenlaisia: npn tai pnp, riippuen kannan (base, eli keskimmäinen kirjain) enemmistövarauksenkuljettajien tyypistä (p=aukko, n=elektroni). Yleisimmin bipolaaritransistorien emitteri, kanta ja kollektorialueet ovat täysin samaa materiaalia, piitä (monoliitos-transistorit, engl. monojunction transistor). Kuitenkin kanta-emitteri ja/tai kanta-kollektori liitos voidaan muodostaa myös erilaisista puolijohteista, jolloin puhutaankin heteroliitostransistoreista (HBT, engl. heterojunction bipolar transistor). Käyttämällä erilaisia puolijohteita on mahdollista kasvattaa transistorin vahvistusta, pienentää kantavastusta ja vähentää transistorien eri osien välisiä kapasitansseja ja näin nostaa sekä toimintataajuutta että virran/jännitteen kestoa. Tätä voidaan käyttää hyväksi muun muassa matkapuhelinten lähetintransistoreissa, kun pyritään mahdollisimman pieneen kokoon ja hyvään hyötysuhteeseen.

Kanavatransistorin toiminta

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Pääartikkeli: Kanavatransistori
Poikkileikkaus NFETistä: lähde, hila ja nielu.

Kanavatransistorissa päävirtapiirin muodostaa lähteen S (Source) ja nielun D (Drain) välinen puolijohdekanava. Siinä kulkevan virran suuruutta ohjataan kanavasta sähköisesti eristetylle tai estosuuntaan säädetylle 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 vieri viereen 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.

FET-tyyppisiä eli kanavatransistoreita on useita: liitos-FET (JFET, engl. junction field effect transistor), metalli-Schottky-FET (MESFET), metalli-eriste-FET(MISFET) ja eriste-FET (MOSFET, engl. Metal oxide silicon field effect transistor).[32] Uudempia ovat FinFET, GAAFET ja MBCFET.[33] Riippuen vähemmistövarauksenkuljettajatyypistä kanava-alueella MOSFETteja on joko NMOS- tai PMOS-FETteja (n- tai p-tyypin eli elektroni tai aukko). Kanava-alueen varauksenkuljettajien liikkeen ohjaamiseksi hallitusti FETeissä on useimmiten kanava-alueella ns. substraattikontakti (engl. body tai well), jonka jännitettä voidaan tarvittaessa säätää.[34] Samaan tapaan kuin bipolaaritransistoreissa, FETtien kanava-aluetta on mahdollista seostaa esim. pinnalta ja saada varauksenkuljettajat kulkemaan selvästi hila-eristeen ja kanava-puolijohteen alla. Näin on mahdollista mm. pienentää kohinaa.

Katso myös

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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. ↑ IEC 60050 - International Electrotechnical Vocabulary - Details for IEV number 521-04-47: "bipolar junction transistor" www.electropedia.org. Viitattu 25.3.2022.
  3. ↑ https://www.tiede.fi/artikkeli/jutut/artikkelit/transistori_60_v_maailma_mullistui_puolivahingossa
  4. ↑ a b c d 1926: Field Effect Semiconductor Device Concepts Patented computerhistory.org. Viitattu 22.10.2021. (englanniksi)
  5. ↑ a b c d e f 1940: Discovery of the *p-n* Junction computerhistory.org. Viitattu 22.10.2021. (englanniksi)
  6. ↑ Arto Lehto: Transistori 60 v. Maailma mullistui puolivahingossa, Tiede 2007
  7. ↑ a b c d e f 1947: Invention of the Point-Contact Transistor Computer History Museum. Viitattu 16.8.2017. (englanniksi)
  8. ↑ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v Riordan, Michael: The Lost History of the Transistor spectrum.ieee.org. 30.4.2004. Viitattu 16.8.2017. (englanniksi)
  9. ↑ Three-electrode circuit element utilizing semiconductive materials google.com. Viitattu 16.8.2017. (englanniksi)
  10. ↑ a b c d e 1948: Conception of the Junction Transistor computerhistory.org. Viitattu 22.10.2021. (englanniksi)
  11. ↑ Circuit element utilizing semiconductive material patents.google.com. Viitattu 22.10.2021. (englanniksi)
  12. ↑ a b c d e 1948: The European Transistor Invention computerhistory.org. Viitattu 22.10.2021. (englanniksi)
  13. ↑ a b c d 1951: First Grown-Junction Transistors Fabricated computerhistory.org. Viitattu 22.10.2021. (englanniksi)
  14. ↑ a b c 1951: Development of Zone Refining computerhistory.org. Viitattu 14.12.2021. (englanniksi)
  15. ↑ a b 1952: Bell Labs Licenses Transistor Technology computerhistory.org. Viitattu 22.10.2021. (englanniksi)
  16. ↑ a b 1953: Transistorized Computers Emerge Computer History Museum. Viitattu 27.8.2017. (englanniksi)
  17. ↑ a b April 25, 1954: Bell Labs Demonstrates the First Practical Silicon Solar Cell aps.org. Viitattu 22.10.2021. (englanniksi)
  18. ↑ 1955 IBM. Viitattu 27.8.2017.
  19. ↑ Dylan Tweney: Oct. 7, 1954: IBM Gets Transistorized 7.10.2010. Wired. Viitattu 4.6.2019. (englanniksi)
  20. ↑ The Nobel Prize in Physics 1956 www.nobelprize.org. Viitattu 17.3.2016.
  21. ↑ a b c d 1958: Silicon Mesa Transistors Enter Commercial Production computerhistory.org. Viitattu 24.10.2021. (englanniksi)
  22. ↑ a b c d e 1959: Invention of the "Planar" Manufacturing Process computerhistory.org. Viitattu 24.10.2021. (englanniksi)
  23. ↑ a b 1961: Silicon Transistor Exceeds Germanium Speed computerhistory.org. Viitattu 23.10.2021. (englanniksi)
  24. ↑ 1960: Epitaxial Deposition Process Enhances Transistor Performance computerhistory.org. Viitattu 14.12.2021. (englanniksi)
  25. ↑ a b c d e f 1960: Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated Computer History Museum. Viitattu 16.8.2017. (englanniksi)
  26. ↑ 1964: First Commercial MOS IC Introduced computerhistory.org. Viitattu 23.10.2021. (englanniksi)
  27. ↑ a b c d William Gropp: Lecture 15: Moore’s Law and Dennard Scaling (PDF) wgropp.cs.illinois.edu. Viitattu 22.10.2021. (englanniksi)
  28. ↑ a b Georg Wittenburg: The Minicomputers of the 70s inf.fu-berlin.de. Viitattu 14.8.2021. (englanniksi)
  29. ↑ a b c 1963: Complementary MOS Circuit Configuration is Invented computerhistory.org. Viitattu 23.10.2021. (englanniksi)
  30. ↑ a b IEEE Medal of Honor Goes to Transistor Pioneer Chenming Hu The Life Fellow brought transistors into the third dimension spectrum.ieee.org. 3.3.2020. Viitattu 22.10.2021. (englanniksi)
  31. ↑ Mikko Kuisma: Elektroniikan perusteet - Lappeenrannan teknillinen yliopisto (Bipolaaritransistorin toiminta. BJT:n jännitevahvistus) www.kuisma.eu. Viitattu 17.3.2016.
  32. ↑ S. M. Sze: Semiconductor Devices: Physics and Technology, s. 582. John Wiley & Sons, 2012. ISBN 9780470873670 (englanniksi)
  33. ↑ Where are my GAA-FETs? TSMC to Stay with FinFET for 3nm anandtech.com. 26.8.2020. Viitattu 26.3.2021. (englanniksi) 
  34. ↑ S. Kal: Basic Electronics: Devices, Circuits and it Fundamentals, s. 78–135. Prentice Hall, 2006. (englanniksi)

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 951-672-335-7
  • Silvonen, Kimmo; Tiilikainen, Matti; Helenius Kari: Analogiaelektroniikka. Helsinki: Edita, 2004 (2002). ISBN 951-37-3839-6

Aiheesta muualla

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta transistori.

 

Noudettu kohteesta ”https://fi.wikipedia.org/w/index.php?title=Transistori&oldid=22816299”