Transistori

elektroninen komponentti
Erilaisia transistoreita
Yksinkertaistettu poikkileikkauskuva NPN bipolaaritransistorista
Taulukko erilaisista vaihtoehdoista toteuttaa HBT-transistoreita piille (Si), galliumarsenidille (GaAs) tai indiumfosfidille (InP)

Transistori on kolminapainen puolijohdekomponentti, joka voi toimia kytkimenä, vahvistimena tai esim. muistin elementtinä.[1] Transistorit jaetaan yleensä kahteen päätyyppiin: bipolaaritransistoreihin (liitostransistori, engl. bipolar junction transistor, BJT) ja kanavatransistoreihin (FET). Yleisimmin transistorit valmistetaan piistä/piille, mutta muitakin puolijohdemateriaaleja voidaan käyttää.

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 esim. toimintataajuutta ja esim. virran/jännitteen kestoa. Tätä voidaan käyttää hyväksi esim. matkapuhelinten lähetintransistoreissa, kun pyritään mahdollisimman pieneen kokoon ja hyvään hyötysuhteeseen.

FET-tyyppisiä transistoreita on useita: liitos-FET (JFET, engl. junction field effect transistor), metalli-Schottky-FET (MESFET), metalli-eriste-FET(MISFET) ja eriste-FET (Metal oxide field effect transistor, MOSFET).[2] Riippuen vähemmistövarauksenkuljettajatyypistä kanava-alueella MOSFETteja on joko NMOS-(elektroni eli N) tai PMOS-(aukko eli P)FETteja. Kanava-alueen varauksenkuljettajien liikkeen ohjaamiseksi hallitusti FETeissä on useimmiten kanava-alueella ns. substraattikontakti (engl. body tai well), jonka jännitettä voidaan tarvittaessa säätää.[3] 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.

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.

FETissa 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.

Poikkileikkaus NFETistä: source, gate and drain terminaalit

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.

Transistorit ovat keskeisessä osassa elektroniikassa ja niitä löytyy käytännössä kaikista sähköisistä järjestelmistä. Transistorin keksiminen mahdollisti valmistettavien tuotteiden pienentymisen ja halventumisen. Transistorin keksiminen on listattuna IEEE:n elektroniikan saavutuksissa ja sen keksijöille luovutettiin Nobelin fysiikanpalkinto vuonna 1956.[4]

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.

HistoriaMuokkaa

 
Ensimmäisen toimivan transistorin kopio.

Transistorin keksivät 1947 yhdysvaltalaisen Bell Telephone Laboratoryn fyysikot Walter Brattain ja John Bardeen.[5][6] Ensimmäinen transistori oli kullasta ja germaniumista rakennettu kärkitransistori.

Vuotta myöhemmin samaan tutkijaryhmään kuulunut William Shockley kehitti bipolaarisen liitostransistorin[5], 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.

Keksinnölle on haettu patenttia numero 2524035 vuonna 1948.[7]

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.

Piihin perustuvat transistorit esiteltiin ensi kerran julkisesti 10. toukokuuta 1954.[8] Tämä tapahtui 130 vuotta piimateriaalin eristämisen jälkeen. Germaniumiin verrattuna näin saatiin muun muassa parempi korkeiden lämpötilojen sietokyky ja siten parempi luotettavuus.[8]

Ensimmäinen kaupallinen käyttökohde transistoreille oli IBM 608 (1955) laskin.[9][10]

Transistorien valmistusMuokkaa

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 meteriaalin hallintaan koko kiekon (halkaisija 200 mm - 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 huomattavsti 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 - 1100 ○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 yleisestiMuokkaa

 
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, joiden kontaktit on nimetty kannaksi B, kollektoriksi C ja emitteriksi E, sekä kanavatransistoreihin, joiden 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 kytkimenäMuokkaa

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 vahvistimenaMuokkaa

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.[11]

Bipolaaritransistorin toimintaMuokkaa

 
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 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.

Kanavatransistorin toimintaMuokkaa

Pääartikkeli: Kanavatransistori

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 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 myösMuokkaa

LähteetMuokkaa

  • Sähkötekniikan käsikirja 3

ViitteetMuokkaa

  1. Lhadi Merhari: Hybrid Nanocomposites for Nanotechnology: Electronic, Optical, Magnetic and Biomedical Application, s. 232. Springer, 2009. ISBN 9780387304281. (englanniksi)
  2. S. M. Sze: Semiconductor Devices: Physics and Technology, 582 s.. John Wiley & Sons, 2012. ISBN 9780470873670. (englanniksi)
  3. S. Kal: Basic Electronics: Devices, Circuits and it Fundamentals, s. 78 -135. Prentice Hall, 2006. (englanniksi)
  4. The Nobel Prize in Physics 1956 www.nobelprize.org. Viitattu 17.3.2016.
  5. a b Arto Lehto: Transistori 60 v. Maailma mullistui puolivahingossa, Tiede 2007
  6. 1947: Invention of the Point-Contact Transistor Computer History Museum. Viitattu 16.8.2017.
  7. Three-electrode circuit element utilizing semiconductive materials google.com. Viitattu 16.8.2017.
  8. a b Riordan, Michael: The Lost History of the Transistor spectrum.ieee.org. Viitattu 16.8.2017.
  9. 1955 IBM. Viitattu 27.8.2017.
  10. Dylan Tweney: Oct. 7, 1954: IBM Gets Transistorized 7.10.2010. Wired. Viitattu 4.6.2019. (englanniksi)
  11. Elektroniikan perusteet - Lappeenrannan teknillinen yliopisto, (C) Mikko Kuisma www.kuisma.eu. Viitattu 17.3.2016.

KirjallisuuttaMuokkaa

  • 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 muuallaMuokkaa

 
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta transistori.