Το τρανζίστορ (transistor)

   

Το τρανζίστορ ανακαλύφθηκε το 1948 από τους J. Bardeen και W. Brattain στα εργαστήρια της αμερικάνικης εταιρείας τηλεπικοινωνιών Bell. To 1956 αυτοί μαζί με τον συνεργάτη τους W. Shockley που διατύπωσε την θεωρία του τρανζίστορ επαφής, τιμήθηκαν με το βραβείο Nobel. 
Πράγματι, το τρανζίστορ είναι μια επαναστατική εφεύρεση, που έχει αλλάξει τον τρόπο ζωής μας, αφού είναι το βασικό δομικό κομμάτι των ηλεκτρονικών συσκευών που κυκλοφορούν σήμερα, από τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, τα κινητά έως τους ραδιοτηλεοπτικούς δέκτες.




1) Γενική περιγραφή

 

Το τρανζίστορ επαφής είναι μία διάταξη η οποία αποτελείται από δύο ημιαγωγούς, έναν τύπου PN και έναν τύπου NP, όπου ο ένας πολώνεται κατά την ορθή φορά και ο άλλος κατά την ανάστροφη. Υπάρχουν δύο κατηγορίες τρανζίστορ επαφής:
Το τρανζίστορ PNP και το τρανζίστορ NPN.




Σε κάθε τύπο τα δύο ακραία τμήματα έχουν τον ίδιο τύπο ημιαγωγού. Στο σχήμα βλέπουμε τον συμβολισμό ενός τρανζίστορ PNP και ενός τρανζίστορ NPN. Ο ακροδέκτης που έχει το βελάκι είναι ο εκπομπός, ο μεσαίος ακροδέκτης είναι η βάση και ο τρίτος ακροδέκτης είναι ο συλλέκτης. Μπορούμε να αντιστοιχίσουμε ένα τρανζίστορ με μία τρίοδο λυχνία όπου ο οδηγός πλέγμα της λυχνίας αντιστοιχεί στην βάση του τρανζίστορ, η κάθοδος της λυχνίας αντιστοιχεί στον εκπομπό του τρανζίστορ και η άνοδος της λυχνίας αντιστοιχεί στον συλλέκτη του τρανζίστορ.

2) Μέθοδοι κατασκευής των τρανζίστορ
Μέθοδος ανάπτυξης

   

Ένα κομμάτι κρυστάλλου καθαρού ημιαγωγού πυριτίου, βυθίζεται σε τήγμα ημιαγωγού με προσμίξεις. Στη συνέχεια αυτό το κομμάτι περιστρέφεται ενώ ταυτόχρονα ανυψώνεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να ανυψώνει και υλικό του λιωμένου ημιαγωγού που στερεοποιείται καθώς ψύχεται. Στη συνέχεια αφού λειανθεί το κάτω μέρος ο κρύσταλλος βυθίζεται και πάλι σε τήγμα ημιαγωγού αντίθετου τύπου. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται συνεχώς ώσπου να δημιουργηθεί ένας κύλινδρος ημιαγωγού με διαδοχικές περιοχές P και Ν. Στο τέλος ο κρύσταλλος τεμαχίζεται σε κομμάτια NPN ή PNP. Έπειτα συγκολλούνται οι ακροδέκτες σε κάθε κομμάτι και τοποθετούνται σε θήκη όπου αναγράφονται τα στοιχεία του τρανζίστορ.

Μέθοδος κράματος

     

     Πάνω στις δυο απέναντι πλευρές μιας λεπτής πλάκας ημιαγωγού τύπου Ν, τοποθετείται μικρή ποσότητα από κράμα τρισθενούς στοιχείου. Η διάταξη αυτή θερμαίνεται στους 600^ο C. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το κράμα τρισθενούς στοιχείου να εισχωρήσει στη μάζα της λεπτής πλάκας σχηματίζοντας τμήμα ημιαγωγού τύπου Ρ. Στη συνέχεια η διάταξη ψύχεται ενώ ταυτόχρονα στερεώνονται οι ακροδέκτες.

Μέθοδος Plannar

Η μέθοδος Planar είναι η επικρατούσα μέθοδος για την παραγωγή τρανζίστορ καθώς και των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

      

Λεπτό στρώμα ημιαγωγού πυριτίου τύπου Ν τοποθετείται σε φούρνο θερμοκρασίας 1200^ο C ενώ ταυτόχρονα διαβιβάζεται οξυγόνο ή υδρατμοί. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να οξειδωθεί το πυρίτιο και να δημιουργηθεί στην επιφάνεια του διοξείδιο του πυριτίου SiO₂ που είναι άριστο μονωτικό (σχήμα 1).

Στη συνέχεια τοποθετείται με φωτοχημική μέθοδο μάσκα προστασίας πάνω στην επιφάνεια SiO₂ (σχήμα 2). Το τμήμα του οξειδίου SiO₂ που έχει μείνει ακάλυπτο από τη μάσκα αφαιρείται με ειδική χημική επεξεργασία με οξέα (σχήμα 3). Η αφαίρεση επιλεκτικών τμημάτων οξειδίου SiO₂ με τοποθέτηση μάσκας και χρήση οξέων ονομάζεται φωτολιθογραφική μέθοδος.

      

    

Στη συνέχεια, στο τμήμα που έχει αφαιρεθεί το SiO₂ διαχέονται προσμίξεις τρισθενών στοιχείων και έτσι δημιουργείται μια περιοχή τύπου Ρ (σχήμα 4).

     

Έπειτα η διάταξη τοποθετείται σε φούρνο ενώ ταυτόχρονα διαβιβάζεται ταυτόχρονα οξυγόνο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να καλυφθεί η περιοχή Ρ με ένα λεπτό στρώμα οξειδίου SiO₂ (σχήμα5). Αμέσως μετά αφαιρείται με τη βοήθεια καινούργια μάσκας τμήμα του οξειδίου SiO₂ και διαχέεται στο ακάλυπτο τμήμα πεντασθενείς προσμίξεις που σχηματίζουν μια περιοχή τύπου Ν (σχήμα 7).

    

Στην συνέχεια δημιουργούνται ανοίγματα στο οξείδιο SiO₂ που βρίσκονται πάνω από τα τμήματα του συλλέκτη, της βάσης και του εκπομπού και τοποθετούνται ακροδέκτες από αλουμίνιο (σχήμα 8).

Τα τρανζίστορ τα οποία κατασκευάζονται με αυτή την μέθοδο έχουν πάρα πολλά πλεονεκτήματα, όπως μικρό μέγεθος, μικρές ενδοχωρητικές συχνότητες και λειτουργούν σε πολύ υψηλές συχνότητες.

Η μέθοδος Epitaxial

   

Η παραγωγή τρανζίστορ με τη μέθοδο epitaxial είναι όμοια με τη μέθοδο plannar με τη διαφορά ότι τα τρανζίστορ κατασκευάζονται πάνω σε λεπτή πλάκα (υπόστρωμα) ημιαγωγού με μεγάλη πυκνότητα προσμίξεων τύπου Ν.

Τα επιταξιακά τρανζίστορ κατασκευάζονται για χρήση σε υψηλές συχνότητες και είναι κατάλληλα σε κυκλώματα τηλεοράσεων, κτλ.

β) Τρανζίστορ επιδράσεως πεδίου (FET)

Τα τρανζίστορ επιδράσεως πεδίου, παρουσιάζουν υψηλή αντίσταση εισόδου (>100ΜΩ), σε αντίθεση από τα απλά τρανζίστορ που έχουν χαμηλή αντίσταση εισόδου. Παρουσιάζουν πάρα πολλά πλεονεκτήματα όπως:
– Δίνουν ομοιόμορφη ενίσχυση χωρίς παραμορφώσεις.
– Παρουσιάζουν πολύ μικρό θόρυβο.
– Λειτουργούν για ένα πολύ μεγάλο εύρος συχνοτήτων.
– Δεν επιδρά η θερμοκρασία στην αλλοίωση των χαρακτηριστικών του τρανζίστορ.
– Έχουν πολύ μικρό μέγεθος.


β1) J-FET τρανζίστορ

Τα J-FET τρανζίστορ αποτελούνται από ένα λεπτό κομμάτι ημιαγωγού τύπου P ή N, που στα άκρα του προσαρμόζεται με ωμική επαφή δύο ηλεκτρόδια που είναι η πηγή (S) και η εκροή (D). Στις απέναντι έδρες του κατασκευάζεται με την μέθοδο της διάχυσης μια επαφή P-N που καταλήγει στο ηλεκτρόδιο της πύλης (G).
Όταν η πηγή (S) και η εκροή (D) συνδεθούν σε μια πηγή τάσης μέσα από τον ημιαγωγό τύπου N διέρχεται ρεύμα από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του ημιαγωγού τύπου N. Στην περιοχή S ή D λόγω της ανάστροφης πόλωσης πύλης-πηγής δεν υπάρχει ροή ρεύματος. Όσο μεγαλώνει η ανάστροφη τάση, τόσο μειώνεται το διερχόμενο ρεύμα μέσα από τον ημιαγωγό τύπου N μέχρι η τάση να πάρει τέτοια τιμή ώστε να έχουμε μηδενικό ρεύμα. Η τάση αυτή στην οποίο το διερχόμενο ρεύμα μηδενίζεται λέγεται τάση αποκοπής.


β2) MOS-FET τρανζίστορ

   

Τα τρανζίστορ MOS-FET αποτελούνται από ένα κομμάτι ημιαγωγού τύπου P πάνω στον οποίο έχουν κατασκευαστεί με διάχυση δύο επαφές P-N. Στις λωρίδες υλικού τύπου N κατασκευάζονται ωμικές επαφές που αποτελούν τους ακροδέκτες S και D. Την βάση (B) την αποτελεί μια ακόμα επαφή κατασκευασμένη στο υπόστρωμα του ημιαγωγού τύπου P.
Για την σύνδεση της επαφής της πύλης χρησιμοποιείται λεπτό στρώμα αλουμινίου. Η διάταξη αυτή αντιστοιχεί σε έναν πυκνωτή παράλληλων πλακών. Η αγωγιμότητα της επιφάνειας μεταξύ του υλικού τύπου P και τύπου N, εξαρτάται από την τάση μεταξύ των ακροδεκτών της πύλης (G) και της βάσης (B). Όσο αυξάνεται η τάση VGB, μεγαλώνει το ρεύμα ροής λόγω της δημιουργίας φορέων. Όταν η τάση VGB μηδενιστεί τότε μηδενίζεται και το ρεύμα στον ακροδέκτη D.

Τα MOS-FET τρανζίστορ χρησιμοποιούνται σε ψηφιακά κυκλώματα καθώς και στην κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.
Έχουν πάρα πολύ υψηλή αντίσταση εισόδου και υπάρχει κίνδυνος καταστροφής τους από στατικά φορτία. Γι” αυτό δεν πρέπει να τα αγγίζουμε ούτε με τα χέρια μας διότι μεταφέρουμε ηλεκτρικά φορτία. Τα MOS-FET τρανζίστορ μεταφέρονται με ειδικές συσκευασίες έτσι ώστε να προστατεύονται από στατικά ηλεκτρικά φορτία.
Επίσης κατά την συγκόλλησή τους θα πρέπει να χρησιμοποιείται κολλητήρι χαμηλής ισχύος και η συγκόλληση να γίνεται όσο το δυνατόν ταχύτερα για να μην αναπτύσσεται μεγάλη θερμοκρασία και καταστραφεί.


γ) Φωτοτρανζίστορ

Το φωτοτρανζίστορ είναι ένα τρανζίστορ επαφής στο οποίο η προσπίπτουσα ακτινοβολία συγκεντρώνεται με την βοήθεια μικρού φακού στην επαφή βάσης – συλλέκτη. Σε κατάσταση σκότους διαρρέει ένα πολύ μικρό ρεύμα που ονομάζεται ρεύμα σκότους. Όταν φωτίζεται η βάση δημιουργούνται θερμικά ζεύγη οπών και ηλεκτρονίων μέσα σε αυτή. Αν το φωτοτρανζίστορ είναι τύπου P-N-P, οι οπές που παράγονται στην βάση διαχέονται προς τον συλλέκτη και αυξάνουν το ρεύμα της ανάστροφης πόλωσης. Τα ηλεκτρόνια που παράγονται στην βάση δεν μπορούν να περάσουν προς τον εκπομπό, λόγω του δυναμικού φράγματος στην επαφή με αποτέλεσμα να δημιουργούν αρνητικό φορτίο στη βάση. Το αρνητικό φορτίο της βάσης υποβιβάζει το δυναμικό φραγμού με αποτέλεσμα να εκχύνονται οπές που προέρχονται από τον εκπομπό. Έτσι έχουμε ένα ρεύμα οπών προς τον συλλέκτη κάτω από την επίδραση του φωτός.



Με τον ίδιο τρόπο λειτουργεί και ένα φωτοτρανζίστορ τύπου N-P-N, μόνο που εκεί αντί για τις οπές έχουμε φορείς τα ηλεκτρόνια.
Τα φωτοτρανζίστορ χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα αυτοματισμών, σε οπτικούς απομονωτές και σε κυκλώματα οπτικής σύζευξης.

4) Έλεγχος τρανζίστορ

 

Μπορούμε εύκολα να ελέγχουμε ένα τρανζίστορ αν είναι καμμένο ή όχι χρησιμοποιώντας το ποιο απλό αλλά το ποιο απαραίτητο όργανο που πρέπει να έχει ένας ηλεκτρονικός, το πολύμετρο! Πολλά πολύμετρα έχουν έλεγχο των τρανζίστορ μετρώντας το hfe των τρανζίστορ, είτε είναι τύπου PNP, είτε NPN.
ο ωμόμετρο του πολυμέτρου είναι το όργανο που χρησιμοποιούμε συνήθως για τον έλεγχο του τρανζίστορ. Ένα τρανζίστορ όταν καταστρέφεται συνήθως είτε βραχυκυκλώνει στους ακροδέ-κτες του, είτε παρουσιάζει άπειρη αντίσταση, είτε αλλοιώνονται τα βασικά του χαρακτηριστικά. Για ένα τρανζίστορ PNP συνδέουμε τον θετικό ακροδέκτη του ωμομέτρου με τον εκπομπό και τον αρνητικό ακροδέκτη του ωμομέτρου με τον συλλέκτη. Τότε θα δούμε χαμηλή αντίσταση στο όργανο για ένα καλό τρανζίστορ φυσικά. Αντίστροφα αν συνδέσουμε τον αρνητικό ακρο-δέκτη του ωμομέτρου στον εκπομπό και τον θετικό στον συλλέκτη θα δούμε στο ωμόμετρο πάρα πολύ υψηλή αντίσταση. Συνδέοντας τον θετικό ακροδέκτη του ωμομέτρου στον εκπομπό και τον αρνητικό στην βάση θα έχουμε χαμηλή αντίσταση, ενώ συνδέοντάς τα αντίστροφα υψηλή. Τέλος συνδέοντας τον θετικό ακροδέκτη του ωμομέτρου με την βάση και τον αρνητικό ακροδέκτη με τον συλλέκτη θα έχουμε υψηλή αντίσταση στο ωμόμετρο, ενώ αναστρέφοντας την πολικότητα του ωμομέτρου θα πάρουμε ένδειξη χαμηλής αντίστασης.


Για ένα τρανζίστορ NPN κάνουμε την ίδια διαδικασία ως εξής. Συνδέουμε τον θετικό ακροδέκτη του ωμομέτρου με τον εκπομπό και τον αρνητικό με τον συλλέκτη. Για ένα καλό τρανζίστορ θα έχουμε υψηλή αντίσταση στο ωμόμετρο, ενώ αν αναστρέψουμε την πολικότητα του ωμομέτρου θα έχουμε ένδειξη χαμηλής αντίστασης. Συνδέοντας τον θετικό ακροδέκτη του ωμομέτρου με τον εκπομπό και τον αρνητικό ακροδέκτη με την βάση, θα πάρουμε επίσης ένδειξη υψηλής αντίστασης. Αν αντιστρέψουμε την πολικότητα του ωμομέτρου θα δείξει χαμηλή αντίσταση. Τέλος αν συνδέσουμε τον θετικό ακροδέκτη του ωμομέτρου με την βάση και τον αρνητικό ακροδέκτη με τον συλλέκτη, τότε θα έχουμε χαμηλή αντίσταση. Αντιστρέφοντας την πολικό-τητα θα έχουμε υψηλή αντίσταση.

component tester 

 Ένας άλλος τρόπος να ελέγχουμε τα τρανζίστορ είναι να χρησιμοποιήσουμε το component tester του παλμογράφου το οποίο μας δείχνει τις χαρακτηριστικές καμπύλες των ακροδεκτών του τρανζίστορ.

Η μέτρηση ενός τρανζίστορ με το ωμόμετρο είναι αξιόπιστη για τις περισσότερες περιπτώσεις των τρανζίστορ.
Υπάρχουν όμως και άλλα προβλήματα που μπορεί να παρουσιάσει ένα τρανζίστορ, όπως είναι διαρροή και δυσλειτουργία σε υψηλές συχνότητες.
 Επειδή ένα πολύμετρο χρησιμοποιείται για χαμηλές συχνότητες είναι δύσκολο με αυτόν τον τρόπο μέτρησης να διαπιστώσουμε την βλάβη σε ένα τρανζίστορ