Транзи́стор (англ. transistor), полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора - изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.

В полевых и биполярных транзисторах управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.). В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor). Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

В 1956 году за изобретение биполярного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике.

На принципиальных схемах обозначается «VT» или «Q». В русскоязычной литературе и документации до 1970-х гг. применялись обозначения «Т», «ПП» (полупроводниковый прибор) или «ПТ» (полупроводниковый триод).

История

Подробное рассмотрение темы: Изобретение транзистора

Первые патенты на принцип работы полевых транзисторов были зарегистрированы в Германии в 1928 году (в Канаде, 22 октября 1925 года) на имя австро-венгерского физика Юлия Эдгара Лилиенфельда^[1][2]. В 1934 году немецкий физик Оскар Хайл (англ.)русск. запатентовал полевой транзистор. Полевые транзисторы (в частности, МОП-транзисторы) основаны на простом электростатическом эффекте поля, по физике они существенно проще биполярных транзисторов, и поэтому они придуманы и запатентованы задолго до биполярных транзисторов. Тем не менее, первый МОП-транзистор, составляющий основу современной компьютерной индустрии, был изготовлен позже биполярного транзистора, в 1960 году. Только в 90-х годах XX века МОП-технология стала доминировать над биполярной.

В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, продемонстрированный 16 декабря. 23 декабря состоялось официальное представление изобретения и именно эта дата считается днём изобретения транзистора. По технологии изготовления он относился к классу точечных транзисторов. В 1956 году они были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Интересно, что Джон Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии во второй раз за создание теории сверхпроводимости.

Позднее транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, совершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров.

Bell нуждались в названии устройства. Предлагались названия «полупроводниковый триод» (semiconductor triode), «Solid Triode», «Surface States Triode», «кристаллический триод» (crystal triode) и «Iotatron», но слово «транзистор» (transistor, образовано от слов transfer — передача и resist — сопротивление), предложенное Джоном Пирсом (John R. Pierce), победило во внутреннем голосовании.

Первоначально название «транзистор» относилось к резисторам, управляемым напряжением. В самом деле, транзистор можно представить как некое сопротивление, регулируемое напряжением на одном электроде (в полевых транзисторах — напряжением между затвором и истоком, в биполярных транзисторах — напряжением между базой и эмиттером). — током базы.

Классификация транзисторов

Ниже приведена формальная классификация токовых транзисторов, где рабочее тело представляет собой поток носителей тока, а состояния, между которыми переключается прибор, определяются по величине сигнала: малый сигнал — большой сигнал, закрытое состояние — открытое состояние, на которых реализуется двоичная логика работы транзистора. Современная технология может оперировать не только электрическим зарядом, но и магнитными моментами, спином отдельного электрона, фононами и световыми квантами, квантовыми состояниями в общем случае.

По основному полупроводниковому материалу

Помимо основного полупроводникового материала, применяемого обычно в виде монокристалла, транзистор содержит в своей конструкции легирующие добавки к основному материалу, металлические выводы, изолирующие элементы, части корпуса (пластиковые или керамические). Иногда употребляются комбинированные наименования, частично описывающие материалы конкретной разновидности (например, «кремний на сапфире» или «металл-окисел-полупроводник»). Однако основными являются транзисторы на основе кремния, германия, арсенида галлия.

Другие материалы для транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов — полупроводниковые полимеры. Также имеются отдельные сообщения о транзисторах на основе углеродных нанотрубок^[3], о графеновых полевых транзисторах.

По структуре

Принцип действия и способы применения транзисторов существенно зависят от их типа и внутренней структуры, поэтому подробная информация об этом отнесена в соответствующие статьи.

• Биполярные
  • n-p-n структуры, «обратной проводимости».
  • p-n-p структуры, «прямой проводимости».

В биполярном транзисторе носители заряда движутся от эмиттера через тонкую базу к коллектору. База отделена от эмиттера и коллектора p–n переходами. Ток протекает через транзистор лишь тогда, когда носители заряда инжектируются из эмиттера в базу через p–n переход. В базе они являются неосновными носителями заряда и легко проникают через другой p–n переход между базой и коллектором, ускоряясь при этом. В самой базе носители заряда движутся за счет диффузионного механизма, поэтому база должна быть достаточно тонкой. Управления током между эмиттером и коллектором осуществляется изменением напряжения между базой и эмиттером, от которой зависят условия инжекции носителей заряда в базу.

• Полевые
  • с p-n переходом.
  • с изолированным затвором — МДП-транзистор.

В полевом транзисторе ток протекает от истока до стока через канал под затвором. Канал существует в легированном полупроводнике в промежутке между затвором и нелегированной подложкой, в которой нет носителей заряда, и она не может проводить ток. Преимущественно под затвором существует область обеднения, в которой тоже нет носителей заряда благодаря образованию между легированным полупроводником и металлическим затвором контакта Шоттки. Таким образом ширина канала ограничена пространством между подложкой и областью обеднения. Приложенное к затвору напряжение увеличивает или уменьшает ширину области обеднения и, тем самым, ширину канала, контролируя ток.

Другие разновидности транзисторов

• Однопереходные (Двухбазовый диод)
• Криогенные транзисторы (на эффекте Джозефсона)^{[источник не указан 2150 дней]}
• Многоэмиттерные транзисторы^[4]
• Баллистические транзисторы
• Одномолекулярный транзистор^[5]
• Фототранзисторы

Комбинированные транзисторы

• Транзисторы со встроенными резисторами (Resistor-equipped transistors (RETs)) — биполярные транзисторы со встроенными в один корпус резисторами.
• Транзистор Дарлингтона, пара Шиклаи — комбинация двух биполярных транзисторов, работающая как биполярный транзистор с высоким коэффициентом усиления по току.
  • на транзисторах одной структуры
  • на транзисторах разной структуры
• Лямбда-диод — двухполюсник, комбинация из двух полевых транзисторов, имеющая, как и туннельный диод, значительный участок с отрицательным сопротивлением.
• Биполярный транзистор, управляемый полевым транзистором с изолированным затвором (IGBT) — силовой электронный прибор, предназначенный в основном, для управления электрическими приводами

По мощности

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:

• маломощные транзисторы до 100 мВт
• транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт
• мощные транзисторы (больше 1 Вт).

По исполнению

• дискретные транзисторы
  • корпусные
    • Для свободного монтажа
    • Для установки на радиатор
    • Для автоматизированных систем пайки
  • бескорпусные
• транзисторы в составе интегральных схем.

По материалу и конструкции корпуса

• металлостеклянный
• металлокерамический
• пластмассовый

Прочие типы

• Одноэлектронные транзисторы содержат квантовую точку (т. н. «остров») между двумя туннельными переходами. Ток туннелирования управляется напряжением на затворе, связанном с ним ёмкостной связью^[6]
• Биотранзистор

Выделение по некоторым характеристикам

Транзисторы BISS (Breakthrough in Small Signal, дословно — «прорыв в малом сигнале») — биполярные транзисторы с улучшенными малосигнальными параметрами. Существенное улучшение параметров транзисторов BISS достигнуто за счёт изменения конструкции зоны эмиттера. Первые разработки этого класса устройств также носили наименование «микротоковые приборы».

Транзисторы со встроенными резисторами RET (Resistor-equipped transistors) — биполярные транзисторы со встроенными в один корпус резисторами. RET - это транзистор общего назначения со встроенным одним или двумя резисторами. Такая конструкция транзистора позволяет сократить количество навесных компонентов и минимизирует необходимую площадь монтажа. RET транзисторы применяются для непосредственного подключения к выходам микросхем без использования гасящих резисторов.

Применение гетероперехода позволяет создавать высокоскоростные и высокочастотные полевые транзисторы, такие как HEMT.

Схемы включения транзистора

Для включения в схему транзистор должен иметь четыре вывода — два входных и два выходных. Но транзисторы всех разновидностей имеют только три вывода. Для включения трёхвыводного прибора необходимо один из выводов объединить, и поскольку таких комбинаций может быть только три, то существуют три базовых схемы включения транзистора:

Схемы включения биполярного транзистора

• с общим эмиттером (ОЭ) — осуществляет усиление как по току, так и по напряжению — наиболее часто применяемая схема;
• с общим коллектором (ОК) — осуществляет усиление только по току — применяется для согласования высокоимпедансных источников сигнала с низкоомными сопротивлениями нагрузок;
• с общей базой (ОБ) — усиление только по напряжению, в силу своих недостатков в однотранзисторных каскадах усиления применяется редко (в основном в усилителях СВЧ), обычно в составных схемах (например, каскодных).

Схемы включения полевого транзистора

Полевые транзисторы, как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) имеют следующие схемы включения:

• с общим истоком (ОИ) — аналог ОЭ биполярного транзистора;
• с общим стоком (ОС) — аналог ОК биполярного транзистора;
• с общим затвором (ОЗ) — аналог ОБ биполярного транзистора.

Схемы с открытым коллектором (стоком)

«Открытым коллектором (стоком)» называют включение транзистора по схеме с общим эмиттером (истоком) в составе электронного модуля или микросхемы, когда коллекторный (стоковый) вывод не соединяется с другими элементами модуля (микросхемы), а непосредственно выводится наружу (на разъем модуля или вывод микросхемы). Выбор нагрузки транзистора и тока коллектора (стока) при этом оставляется за разработчиком конечной схемы, в составе которой применяются модуль или микросхема. В частности, нагрузка такого транзистора может быть подключена к источнику питания с более высоким или низким напряжением, чем напряжение питания модуля/микросхемы. Такой подход значительно расширяет рамки применимости модуля или микросхемы за счет небольшого усложнения конечной схемы. Транзисторы с открытым коллектором (стоком) применяются в логических элементах ТТЛ, микросхемах с мощными ключевыми выходными каскадами, преобразователях уровней, шинных формирователях (драйверах) и т. п.

Статья с подробным описанием принципа (в англоязычном разделе).

Реже применяется обратное включение - с открытым эмиттером (истоком). Оно также позволяет выбирать нагрузку транзистора после изготовления основной схемы, подавать на эмиттер/сток напряжение полярности, противоположной напряжению питания основной схемы (например, отрицательное напряжение для схем с биполярными транзисторами n-p-n или N-канальными полевыми), и т.п.

Применение транзисторов

Вне зависимости от типа транзистора, принцип применения его един:

• Источник питания питает электрической энергией нагрузку, которой может быть громкоговоритель, реле, лампа накаливания, вход другого, более мощного транзистора, электронной лампы и т. п. Именно источник питания даёт нужную мощность для «раскачки» нагрузки.
• Транзистор же используется для ограничения силы тока, поступающего в нагрузку, и включается в разрыв между источником питания и нагрузкой. То есть транзистор представляет собой некий вариант полупроводникового резистора, сопротивление которого можно очень быстро изменять.
• Выходное сопротивление транзистора меняется в зависимости от напряжения на управляющем электроде. Важно то, что это напряжение, а также сила тока, потребляемая входной цепью транзистора, гораздо меньше напряжения и силы тока в выходной цепи.

Надо заметить, что это положение не всегда верно: так в схеме с общим коллектором ( ОК ) ток на выходе в β раз больше, чем на входе, напряжение же на выходе несколько ниже входного; в схеме с общей базой увеличивается напряжение на выходе по сравнению с входом, но выходной ток меньше входного. Таким образом, в схеме ОК происходит усиление только по току, а в схеме ОБ - только по напряжению. За счёт контролируемого управления источником питания достигается усиление сигнала либо по току, либо по напряжению либо по мощности ( схемы с общим эмиттером - ОЭ ).

• Если мощности входного сигнала недостаточно для «раскачки» входной цепи применяемого транзистора, или конкретный транзистор не даёт нужного усиления, применяют каскадное включение транзисторов, когда более чувствительный и менее мощный транзистор управляет энергией источника питания на входе более мощного транзистора. Также подключение выхода одного транзистора ко входу другого может использоваться в генераторных схемах типа мультивибратора. В этом случае применяются одинаковые по мощности транзисторы.

Транзистор применяется в:

• Усилительных схемах. Работает, как правило, в усилительном режиме.^[7][8] Существуют экспериментальные разработки полностью цифровых усилителей, на основе ЦАП, состоящих из мощных транзисторов.^[9][10] Транзисторы в таких усилителях работают в ключевом режиме.
• Генераторах сигналов. В зависимости от типа генератора транзистор может использоваться либо в ключевом (генерация прямоугольных сигналов), либо в усилительном режиме (генерация сигналов произвольной формы).
• Электронных ключах. Транзисторы работают в ключевом режиме. Ключевые схемы можно условно назвать усилителями (регенераторами) цифровых сигналов. Иногда электронные ключи применяют и для управления силой тока в аналоговой нагрузке. Это делается, когда нагрузка обладает достаточно большой инерционностью, а напряжение и сила тока в ней регулируются не амплитудой, а шириной импульсов. На подобном принципе основаны бытовые диммеры для ламп накаливания и нагревательных приборов, а также импульсные источники питания.

Транзисторы применяются в качестве активных (усилительных) элементов в усилительных и переключательных каскадах.
Реле и тиристоры имеют больший коэффициент усиления мощности, чем транзисторы, но работают только в ключевом (переключательном) режиме.

Вся современная цифровая техника построена, в основном, на полевых МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторах (МОПТ), как более экономичных, по сравнению с БТ, элементах. Иногда их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)-транзисторы. Международный термин — MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 8 нм^{[источник не указан 1771 день]}. В настоящее время на одном современном кристалле площадью 1—2 см² могут разместиться несколько (пока единицы) миллиардов МОПТ. На протяжении 60 лет происходит уменьшение размеров (миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе (степень интеграции), в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе (см. Закон Мура). Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров, снижению энергопотребления и тепловыделения.

В настоящее время микропроцессоры Intel собираются на трёхмерных транзисторах (3d транзисторы) именуемых Tri-Gate. Эта революционная технология позволила существенно улучшить существующие характеристики процессоров. Отметим, что переход к 3D-транзисторам при технологическом процессе 22 нм позволил повысить производительность процессоров на 30 % (по оценкам Intel) и снизить энергопотребление ^{[источник не указан 1084 дня]}. Примечательно, что затраты на производство возрастут всего на 2—3 %, то есть в магазинах новые процессоры не будут значительно дороже старых^{[источник не указан 1084 дня]}. Суть технологии в том, что теперь сквозь затвор транзистора проходит особый High-K диэлектрик, который снижает токи утечки.

Сравнение с электронными лампами

До разработки транзисторов, вакуумные (электронные) лампы (или просто «лампы») были главными активными компонентами в электронном оборудовании. По принципу работы наиболее родственен электронной лампе полевой транзистор. Многие схемы, разработанные для ламп стали применяться и для транзисторов (эти схемы даже получили некоторые развитие, поскольку электронные лампы имеют фактически только один тип проводимости - электронный, транзисторы же могут иметь как электронный, так и дырочный тип проводимости (эквивалент виртуальной "позитронной лампы")), что привело к широкому использованию комплементарных схем (КМОП); некоторые формулы, описывающие работу ламп, применяются для описания работы полевых транзисторов.

Преимущества

Основные преимущества, которые позволили транзисторам заменить своих предшественников (вакуумные лампы) в большинстве электронных устройств:

• малые размеры и небольшой вес, что способствует развитию миниатюрных электронных устройств;
• высокая степень автоматизации производственных процессов, что ведёт к снижению удельной стоимости;
• низкие рабочие напряжения, что позволяет использовать транзисторы в небольших, с питанием от батареек, электронных устройствах;
• не требуется дополнительного времени на разогрев катода после включения устройства;
• уменьшение рассеиваемой мощности, что способствует повышению энергоэффективности прибора в целом;
• высокая надёжность и бо́льшая физическая прочность;
• очень продолжительный срок службы — некоторые транзисторные устройства находились в эксплуатации более 50 лет;
• возможность сочетания с дополнительными устройствами, что облегчает разработку дополнительных схем, что не представляется возможным с вакуумными лампами;
• стойкость к механическим ударам и вибрации, что позволяет избежать проблем при использовании в микрофонах и в аудио устройствах.

Недостатки (ограничения)

• Кремниевые транзисторы обычно не работают при напряжениях выше 1 000 вольт (вакуумные лампы могут работать с напряжениями на порядки больше одного киловольта). При коммутации цепей с напряжением свыше 1 кВ как правило используются IGBT транзисторы;
• высокая мощность, высокая частота, требующиеся для эфирного телевизионного вещания, лучше достигаются в вакуумных лампах в связи с большей подвижностью электронов в вакууме;
• кремниевые транзисторы гораздо более уязвимы, чем вакуумные лампы к действию электромагнитного импульса, в том числе и одного из поражающих факторов высотного ядерного взрыва;
• чувствительность к радиации и космическим лучам (созданы специальные радиационно-стойкие микросхемы для электронных устройств космических аппаратов);

См. также

Примечания