Podstawy tranzystorów: NPN i PNP z wykorzystaniem 2N3904, 2N3906, 2N2222 i 2N2907

To niesamowite, że pojawienie się pierwszego działającego tranzystora ogłoszono 70 lat temu, 23 grudnia 1947 r.!¹ Tranzystor to przypuszczalnie jeden z najbardziej rewolucyjnych komponentów, jaki kiedykolwiek wynaleziono. Wynalazek ten przetarł szlak do stworzenia układów scalonych, mikroprocesorów i pamięci komputerowych.

W artykule zajmiemy się następującymi zagadnieniami:

(kliknij łącze, aby przejść do dowolnej części, którą chcesz przeczytać)

• Czym jest tranzystor?
• Jak działa tranzystor?
• Dobór tranzystora do własnego zastosowania
• Przykłady obwodów tranzystorowych
• Historia wynalezienia tranzystora
• Łącza do źródeł dodatkowych

Czym jest tranzystor?

Tranzystor, zwany również tranzystorem bipolarnym (BJT), jest urządzeniem półprzewodnikowym sterowanym prądem, które może służyć do sterowania przepływem prądu elektrycznego, przy czym niewielka ilość prądu w odprowadzeniu bazy steruje większym prądem między kolektorem i emiterem. Tranzystory mogą służyć do wzmacniania słabych sygnałów, jako oscylatory lub przełączniki.

Zazwyczaj wykonuje się je z kryształu krzemu, w którym nakłada się na siebie warstwy półprzewodnikowe N i P. Patrz ilustracja 1 poniżej.

Ilustracja 1: ilustracja 1a przedstawia przekrój tranzystora 2N3904 w obudowie TO-92 ukazujący odprowadzenia emitera (E), bazy (B) i kolektora (C) połączone z krzemem. Ilustracja 1b pochodzi z czasopisma Radio-Electronics Magazine², numer z maja 1958 r. Przedstawia ona warstwy N i P oraz ich układy (ówcześnie stosowano elementy germanowe).

Tranzystory są hermetycznie zamknięte w obudowie z tworzywa sztucznego bądź metalu z trzema odprowadzeniami (ilustracja 2).

Ilustracja 2: porównanie wielkości i różne popularne rodzaje obudów.

Jak działa tranzystor?

Jako przykład opiszemy działanie tranzystora NPN. Jego działanie w charakterze przełącznika można w uproszczeniu przyrównać do wody przepływającej przez rurę z zaworem regulacyjnym. Ciśnienie wody oznacza tutaj „napięcie”, a woda przepływająca przez rurę - „prąd” (ilustracja 3). Duże rury reprezentują połączenie kolektora z emiterem, a między nimi umieszczono zawór, przedstawiony na ilustracji jako szary owalny kształt, który przypomina ruchomą klapkę uruchamianą prądem z małej rurki reprezentującej bazę. Zawór zapobiega przepływowi wody pod ciśnieniem z kolektora do emitera. Gdy woda przepływa przez mniejszą rurkę (bazę), otwiera zawór między kolektorem a emiterem, co umożliwia przepływ wody do emitera i do uziemienia (uziemienie stanowi obwód powrotny całej wody lub napięcia/prądu).

Ilustracja 3: graficzne przedstawienie sposobu działania tranzystora. Gdy woda przepływa przez mniejszą rurkę (bazę), otwiera zawór między połączeniem kolektor-emiter, co umożliwia przepływ wody przez emiter do uziemienia.

Dobór tranzystora do własnego zastosowania

Chcąc po prostu włączać obwód lub załączać obciążenie, należy uwzględnić pewne aspekty. Ustalić, czy chcemy podać prąd polaryzacji czy zasilić przełącznik tranzystorowy prądem dodatnim czy ujemnym (tzn. zastosować odpowiednio typ NPN lub PNP). Tranzystor NPN jest sterowany (lub załączany) prądem o polaryzacji dodatniej podawanym na bazę w celu regulacji przepływu prądu z kolektora do emitera. Tranzystory typu PNP są sterowane prądem o polaryzacji ujemnej podawanym na bazę w celu regulacji przepływu z emitera do kolektora. (Uwaga: polaryzacja tranzystora PNP jest odwrócona względem NPN.) Więcej szczegółów ukazuje ilustracja 4 poniżej.

Ilustracja 4: symbole schematyczne poszczególnych typów tranzystora.

Po określeniu napięcia polaryzacji następna niezbędna zmienna to wielkość napięcia i prądu niezbędne do działania obciążenia. Będą one stanowić minimalne wartości napięcia i prądu znamionowego tranzystora. W tabelach 1 i 2 poniżej przedstawiono kilka popularnych tranzystorów wraz z najważniejszymi specyfikacjami, w tym wartościami granicznymi napięcia i prądu.

  Tranzystory, NPN i PNP, z odprowadzeniami i do montażu powierzchniowego

Tabela 1. Popularne tranzystory NPN i PNP z odprowadzeniami i do montażu powierzchniowego.

Tranzystory, NPN i PNP, w obudowach metalowych

Tabela 2. Popularne tranzystory NPN i PNP w obudowie metalowej.

Przykładowe obwody tranzystorowe

Ilustracja 5 poniżej przedstawia przykładowy obwód, który włącza złącze kolektor-emiter poprzez zasilenie bazy lub polaryzację tranzystora w celu jego włączenia, w wyniku podania napięcia 5V na bazę za pośrednictwem przełącznika suwakowego. Ten przykładowy obwód zapala diodę LED, która jest w tym przypadku obciążeniem. Do polaryzacji bazy wymagane jest odpowiednie zastosowanie rezystorów, aby zapobiec nadmiernemu poborowi prądu. Do testowania przykładowego obwodu użyto części z odprowadzeniami umieszczonymi na płytce prototypowej. W przypadku użycia tranzystorów w nowym projekcie produktu do wprowadzenia na rynek, większość inżynierów stosuje komponenty do montażu powierzchniowego (są znacznie mniejsze niż obudowa TO-92). Oto łącze, które przedstawia różne wielkości obudów do tranzystorów 3904.

Ponieważ tranzystor 2N3904 jest typu NPN, baza potrzebuje dodatniej polaryzacji (odpowiednich poziomów napięcia i rezystancji), aby włączyć złącze kolektor--emiter w celu uzyskania prawidłowego przepływu prądu. Ponadto istotne jest zastosowanie rezystora obciążenia (R1), aby przez diodę LED i tranzystor nie przepływał nadmierny prąd. Więcej informacji na temat tego tranzystora zawiera arkusz danych 2N3904.

Ilustracja 5: przykładowy obwód z tranzystorem 2N3904 do zapalania diody LED za pomocą przełącznika suwakowego EG1218, ukazuje wtyki C (kolektor), E (emiter) i B (baza) (rysunek wykonano przy użyciu narzędzia Scheme-it).

Ilustracja 6 przedstawia przykładowy obwód oświetlenia nocnego z zastosowaniem tranzystora PNP. Aby zapoznać się ze szczegółami tego obwodu, kliknij łącze do strony inżynieryjnej wiki DigiKey i wyszukaj oświetlenie nocne z tranzystorem PNP.

Ilustracja 6: przykładowy obwód oświetlenia nocnego z tranzystorem 2N3906 do zapalania diody LED fotokomórką PDV-P5003 (rysunek wykonano przy użyciu narzędzia Scheme-it)

Krótka historia wynalezienia tranzystora

Jak to się zaczęło? To długa i skomplikowana historia. Zacznę jednak od wynalezienia telefonu. Wiele osób nie ma pewności, kto tak naprawdę wynalazł pierwszy elektryczny prototyp. Wiadomo jednak, że pierwszy patent otrzymał Alexander Graham Bell dnia 7 marca 1876 r.³, który później założył firmę American Telephone and Telegraph (znaną jako AT&T). Patent Bella wygasł około 1894 r.¹. Choć firma AT&T była liderem rynku telefonicznego aż do początku XX w., stopniowo powstawały inne, które odbierały jej klientów. Dlatego zarząd pragnął dalszej dominacji i rozszerzenia rynku. W roku 1909 prezes AT&T Theodore Vail¹ dążył do obsługiwania transkontynentalnych połączeń telefonicznych (z Nowego Jorku do Kalifornii). Jednak w tym celu firma potrzebowała skutecznego wzmacniacza lub powtarzacza do wzmacniania sygnałów przesyłanych na duże odległości. Wcześniej, w roku 1906, Lee De Forest skorzystał z pomysłu Johna A. Fleminga (który z kolei przejął dzieło Thomasa Edisona, tworząc lampę próżniową zwaną „zaworem oscylacyjnym”, stosowaną do wykrywania fal radiowych) i zmodyfikował go, dzięki czemu wynalazł triodę - mało wydajną, 3-zaciskową lampę próżniową, którą można było stosować w charakterze wzmacniacza. W 1912 r. Harold Arnold z Western Electric Company (producenta AT&T) zaprosił Foresta do zaprezentowania wynalazku. Trioda Foresta działała przy niskich napięciach, ale Arnold pragnął, aby pracowała przy wyższych, by stworzyć działające i wydajne powtarzacze do przesyłania głosu na duże odległości. Arnold uważał, że może stworzyć lepszą triodę, dlatego zatrudnił naukowców, aby zrozumieć działanie tego urządzenia i opracować jego ulepszenia. Udało mu się to w październiku 1913 r. Wkrótce linie telefoniczne zaczęto montować wszędzie. Wieloletnie inwestycje AT&T polegające na zatrudnianiu przez lata najlepszych naukowców doprowadziły firmę do przekonania, że prowadzenie dogłębnych badań zapewni jej przewagę w branży. Stąd w roku 1925 utworzono „Bell Telephone Laboratories”.

Do ciągłego funkcjonowania linii telefonicznych potrzeba było tysiące lamp próżniowych i przekaźników. Jednak lampy próżniowe pobierały znaczną moc, były duże i często się przepalały. Na podstawie doświadczeń z okresu II wojny światowej, gdy rozwój technologii prostownika krystalicznego pozwolił na wprowadzenie radaru, Mervin Kelly, dyrektor ds. badań w firmie Bell, miał przeczucie, że tym razem półprzewodniki (urządzenia półprzewodnikowe) mogą stanowić odpowiedź na potrzebę stworzenia wydajnego następcy drogich i zawodnych lamp próżniowych. Zwrócił się więc do jednego z genialnych fizyków w firmie, Williama Shockley'a, aby naukowiec naświetlił mu swoją wizję ulepszenia komponentów stosowanych do przewodowego przesyłania głosu. Kelly stwierdził, że z radością powita moment, gdy w miejsce głośnych przekaźników mechanicznych i pochłaniających morze energii lamp próżniowych nastaną wreszcie półprzewodnikowe urządzenia elektroniczne. Stwierdzenie to wciąż pobrzmiewało Shockley'owi w głowie, a realizacja tej wizji stała się jego najważniejszym celem. Kelly powierzył Shockley'owi odpowiedzialne zadanie: miał znaleźć sposób, by powyższe marzenie stało się rzeczywistością.

Jednak Shockley był świetnym teoretykiem, ale urzeczywistnianie własnych pomysłów szło mu już gorzej. Poczynił kilka prób udowodnienia skuteczności swojego pomysłu dotyczącego efektu pola transferu elektronów. Umożliwiało ono połączenie dwóch stron półprzewodnika przez zasilenie płyty nad półprzewodnikami. Nie udało się. Przybity i sfrustrowany Shockley zwrócił się do dwóch innych fizyków w laboratoriach firmy Bell: Johna Bardeena (geniusz w dziedzinie teorii elektronów w półprzewodnikach) i Waltera Brattaina (świetny specjalista od prototypowania i użytkowania sprzętu laboratoryjnego). Dwójka uczonych przystąpiła do zespołu Shockley'a. Ten pozwolił im prowadzić samodzielne prace. Przez lata podejmowano liczne próby wywołania efektu pola, lecz bezskutecznie. Uczeni sprawdzili swoje obliczenia. Teoretycznie wszystko powinno było zadziałać. Bardeen i Brattain porzucili sprawdzone sposoby i zaczęli eksperymentować z cienkimi plasterkami krzemu i germanu, które miały sprawić, że efekt pola zadziała. Jesienią 1947 roku pojawił się pierwszy zwiastun postępu, gdy Brattain zmagał się ze skraplaniem się wody na powierzchni półprzewodnika. Zamiast ją osuszyć, umieścił kroplę wody na powierzchni krzemu, zasilił płytę powyżej i odnotował efekt wzmocnienia. Kropla wody pomogła w pokonaniu bariery powierzchniowej, co z kolei przyczyniło się do przepływu elektronów. Jednak przebiegał on powoli i nie mógł zapewnić czystego wzmocnienia sygnałów głosowych, a to było niezbędne do skutecznego przesyłania głosu.

W grudniu 1947 roku (zwanym „miesiącem cudu”) naukowcy wpadli na pomysł, aby wyeliminować upartą lukę w postaci efektu pola, usunąć wodę i stworzyć złoty styk, który będzie dotykać półprzewodnika. Zaczęli też stosować german, który w owych czasach ułatwiał prace, i odizolowali go, wykorzystując cienką warstwę tlenku, która naturalnie powstaje na tym półmetalu. Następnie przeprowadzili wiele nieudanych testów. Wreszcie w połowie grudnia, najprawdopodobniej przypadkowo, Walter Brattain zmył powłokę tlenkową, co doprowadziło do zetknięcia się złota z germanem! To było to!!! Brattain odkrył skuteczne wzmocnienie, a tranzystor działał. Zamiast przyciągania elektronów do powierzchni półprzewodnika zgodnie z teorią efektu pola Shockley'a, duet Brattain-Bardeen odkrył, że dotykając półprzewodnikiem do złotego styku, w istocie niejako „wstrzykiwali” w nim mikroskopijne dziury, umożliwiając tym samym przepływ prądu. Mniej więcej w połowie grudnia 1947 r. bez wiedzy Shockley'a rozpoczęli tworzenie działającego prototypu. Brattain zbudował aparat w kształcie plastikowego trójkąta ze złotą folią przytwierdzoną wzdłuż skośnych krawędzi, a następnie na jego wierzchołku zrobił cienkie jak włos nacięcie. Prototyp ten był nadzwyczaj prymitywny. Za pomocą spinacza do papieru zwiniętego w sprężynę naukowcy wcisnęli trójkąt w cienki półprzewodnik germanowy umieszczony na płytce miedzianej, gdzie dodali dwa odprowadzenia - po jednym na każdym końcu trójkąta. Płytka miedziana pod plasterkiem germanu pełniła funkcję trzeciego odprowadzenia (Ilustracja 7). Urządzenie stało się znane jako tranzystor ostrzowy.

Wreszcie Brattain i Bardeen zadzwonili do Shockley'a, aby przekazać radosną wieść. Jak udało mi się ustalić, Shockley żywił raczej mieszane uczucia: naturalnie cieszył się, że nowy wynalazek działa, ale był zawiedziony, że to nie on sam może się pod nim podpisać. Pokaz urządzenia dla szefów Shockley'a odbył się tydzień po odkryciu, czyli 23 grudnia 1947 r. (do wiadomości publicznej podano je 30 czerwca 1948 r.). Później zrobiono jeszcze pamiątkowe zdjęcie (Ilustracja 8). Shockley wiedział, że delikatny tranzystor ostrzowy będzie stanowić nie lada wyzwanie w produkcji i nie mógł przestać myśleć o jego ulepszeniu (tym razem samodzielnie). Pracował wręcz szaleńczo, aby rozwiązać problem po swojemu... Zapisywał swe przemyślenia o próbach lepszego zintegrowania tranzystora dzięki warstwowemu połączeniu materiałów półprzewodnikowych. Znacznie więcej badań poświęcono na uzupełnienie teorii niezbędnej do złożenia wniosku patentowego na tranzystor złączowy (data złożenia: 25 czerwca 1948 r.). Działający tranzystor złączowy typu n-p-n przedstawiono 20 kwietnia 1950 r. (dzięki pracy Gordona Teala i Morgana Sparksa). Szczegóły całej tej historii sięgają znacznie głębiej niż podpowiada wyobraźnia⁴.

10 grudnia 1956 r. Williamowi Shockley'owi, Johnowi Bardeenowi i Walterowi Brattainowi przyznano Nagrodę Nobla za odkrycie efektu tranzystorowego.

Ilustracja 7: tranzystor ostrzowy (wykorzystano za zgodą Nokia Corporation)

Ilustracja 8: John Bardeen (z lewej), William Shockley (w środku) i Walter Brattain (z prawej). (Wykorzystano za zgodą Nokia Corporation)

Źródła

1. Riordan, Michael i Lillian Hoddeson. 1997. Crystal Fire: The Invention of the Transistor and the Birth of the Information Age. New York, NY: W.W. Norton & Company, Inc.
2. Ryder, R.M. 1958. „Ten years of Transistors”, Radio-Electronics Magazine, maj, strona 35.
3. Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. 1991. „ALEXANDER GRAHAM BELL”. Dostęp z dnia 19 grudnia 2017 r.
4. Riordan, Michael, Lillian Hoddeson i Conyers Herring. 1999. „The Invention of the Transistor”, Modern Physics, tom 71, nr 2: Centenary.

Dodatkowe informacje dostępne na stronie: http://www.pbs.org/transistor/