Jeśli wierzyć jednej z internetowych ciekawostek to najczęściej produkowaną rzeczą na świecie jest tranzystor. Być może jest to prawda, ale autorzy tej informacji musieli brać pod uwagę także te umieszczane we wnętrzu krzemowych rdzeni, choć nie są one pojedynczymi elementami. Mimo wszystko w obwodach dyskretnych na pojedynczy tranzystor przypadają co najmniej dwa rezystory, także internetowy fakt można dość łatwo poddać pod wątpliwość. Jednak co by nie mówić tranzystory w tej czy innej formie występują w elektronice dość powszechnie. To dzięki nim powstała cała gałąź obwodów cyfrowych i logicznych, które wraz z postępującą komputeryzacją stały się budulcem współczesnego świata.
Jeśli kojarzycie mój Instagramowy profil, to wiecie, że dość mocno fascynuje mnie temat szeroko pojętego krzemu. Fotografie zarówno te zwykłe, jak i mikroskopowe, na których uwiecznione zostały rdzenie układów scalonych są dość powszechnym typem treści, które opublikowałem. Wśród nich znalazło się też kilka materiałów poświęconych tranzystorom i to właśnie tym elementom chciałbym przyjrzeć się bliżej w tym artykule.
Tranzystory to elementy, których raczej nikomu nie trzeba przedstawiać. Te niewielkie półprzewodnikowe kanapki znane są ludzkości od mniej więcej lat 40. XX wieku. Z czasem stały się one podstawowym budulcem wszelkich cyfrowych układów scalonych. Tranzystory dostępne są w wielu rodzajach i typach, od klasycznych bipolarnych konstrukcji po polowe elementy sterowane napięciem. Elementy te wykonywane są przede wszystkim z krzemu, ale w początkowej fazie istnienia popularne były też konstrukcje germanowe, które do tej pory cenione są w niektórych kręgach dzięki niższemu progowi napięcia, którym można wysterować ten półprzewodnik. Jest to wartość około 300mV, gdzie dla krzemu wynosi ona mniej więcej 700mV. Poza materiałem, z jakiego wykonano tranzystor, różnią się one też typem obudowy. Może być ona większa lub mniejsza i z grubsza przyjmuje się, że im większa jest obudowa, tym większa moc może wydzielić się na tranzystorze i tym samym może on kontrolować większy prąd. Zazwyczaj tranzystory mają dla nas formę obudowy, w jakiej się znajdują, a jeśli ta zostanie naruszona, to najczęściej jest to efektem zmiany stanu skupienia rdzenia półprzewodnika, innymi słowy jego spalenia. Nikt raczej nie próbuje otwierać tranzystorowych obudów, zwłaszcza że przy najczęściej spotykanych monolitycznych konstrukcjach jest to dość trudne. Inaczej wygląda to w przypadku, starszych tranzystorów w metalowych obudowach, które otworzyć jest dość łatwo.
Rozszczelniające zamkniętą w czasie produkcji obudowę starszych tranzystorów możemy zobaczyć jego krzemowy rdzeń. Ten wykonany może być w różnoraki sposób, w konstrukcjach o małej mocy ma on zazwyczaj niewielkie wymiary i przypomina ten z wnętrza Radzieckiego МП15. Elementem łączącym elektrody z krzemem są niewielkie cieniutkie druciki, przytwierdzane do podłoża za pomocą ultradźwięków lub temperatury. Jak widać, brakuje tutaj trzeciego wyprowadzenia, ale jego rolę pełni sama obudowa, do której przyklejony jest rdzeń. Przyjęło się, że obudowa jest kolektorem półprzewodnikowego elementu, ale sam spotkałem konstrukcje, w których była ona bazą.
W tranzystorach mocy sytuacja wygląda nieco inaczej. Sam rdzeń jest nieco większy, podobnie jak druciki łączące go z wyprowadzeniami. Nie jest to niczym zaskakującym, bo jak wiadomo, zadaniem tranzystorów mocy jest sterowanie większymi prądami, które to wymagają większych powierzchni i przekrojów przewodników i półprzewodników. Warto też wspomnieć, że dość powszechną metodą zabezpieczania rdzeni we większych elementach jest pokrywanie ich specjalnym sylikonem, który w BDY24 usunąłem na potrzeby zdjęcia.
Wnętrze jeszcze starszych, germanowych konstrukcji różni się zdecydowanie od wszelkich klasycznych konstrukcji. W tego typu elementach pojedynczy kryształ germanu umieszczany jest na pionowej płytce, która też pełni rolę jednego z wyprowadzeń. Pozostałe połączone są z półprzewodnikiem niewielkimi blaszkami. Co ważne w przypadku otwierania germanowych konstrukcji należy zachować szczególną ostrożność. Bowiem zdarza się, że te wypełnione są tlenkiem berylu, który jest szkodliwy dla zwierząt i ludzi. Wypełnianie tranzystorów tym pierwiastkiem służyło przede wszystkim lepszemu odprowadzaniu ciepła i było domeną państw socjalistycznych. W zachodnich konstrukcjach dominował smar silikonowy, o znacznie gorszych parametrach, ale nieszkodliwy dla otoczenia.
Interesujesz się elektroniką, a moje artykuły wydają Ci się ciekawe?
Dołącz do newslettera i otrzymuj informację o projektach, nad którymi pracuję przed publikacją. Tam też, dowiesz się czym jest chip widoczny na fotografii.
Czy otwarty tranzystor działa?
Być może zastanawiacie się, czy tranzystor, którego obudowa została otwarta nadal działa. Odpowiedź jest oczywiście twierdząca, ale tylko jeśli któreś z połączeń, czy też sam rdzeń nie został przypadkowo uszkodzony. Starsze półprzewodnikowe konstrukcje otwiera się dość łatwo, wystarczy do tego trochę cierpliwości i miniszlifierka.
Trzeba jednak wspomnieć, że raz otwarty tranzystor nie będzie działał już tak, jak jego nienaruszeni bracia. Gdy element ten jest hermetycznie zamknięty, w jego wnętrzu panuje „prawie” całkowita ciemność i to właśnie ona jest kluczowa. Odsłonięty rdzeń narażony jest na działanie fotonów, które podobnie jak elektrony, dziury i jony są potencjalnymi nośnikami ładunków, przez co potrafią zaburzyć działanie całej konstrukcji.
Aby zobrazować działanie fotonów na otwarty tranzystor, pozwoliłem sobie przygotować prosty obwód z tym elementem, gdzie w obwodzie kolektor-emiter wpięty został dodatkowy rezystor ograniczający prąd oraz mikroamperomierz. Co ważne baza tranzystora została luźna, nigdzie niepodłączona. Nad otwartą obudową półprzewodnikowej konstrukcji umieściłem, krótki pasek z adresowalnymi diodami LED WS28B12, sterowanymi przez Arduino. Ich zadaniem jest właśnie emitowanie różnokolorowego światła, innymi słowy fotonów, które padać będą na rdzeń tranzystora.
Jak widać w pierwszym momencie przez tranzystor płynie znikomy prąd rzędu 5μA, ale już po chwili zaczyna dziać się naprawdę wiele. Gdy diody LED zostają uruchomione, rdzeń oświetlony zostaje ostrym białym światłem, a płynący w obwodzie prąd osiąga ponad 100μA. W dalszej części obserwować możecie stopniowo zmieniający się kolor świecenia diod z białego, na czerwony, zielony i niebieski. Wartość płynącego przez tranzystor prądu jest inna dla każdego z nich i zależy głównie od długości fali odpowiadającej konkretnemu światłu. Możemy przyjmować, ze w zakresie spektrum widzialnego prąd rósłby od wartości 400nm (barwa bliska fioletowej) do około 800nm (kolor żółty), po czym zacząłby gwałtownie spadać, aż do osiągnięcia 1100nm (podczerwień).
Zwyczajny tranzystor stał się fototranzystorem. Co ciekawe o podobnych zabiegach, w których otwierano obudowy tranzystorów, aby zrobić z nich fototranzystory, już kiedyś czytałem przy okazji, jakiś wspomnień. Wspominano tam, że w czasach PRLu, dostępność reagujących na światło półprzewodników była znikoma, dlatego w ten sposób budowano proste fototranzystory. Choć przyznać trzeba, że są one na swój sposób wyjątkowe, bo mają dodatkowe wyprowadzenie będące bazą.
Tajemnice ciemnego prądu
Fakt, że światło, a dokładniej fotony mogą oddziaływać na półprzewodniki, nie jest niczym zaskakującym, wszakże są to przecież nośniki energii. Ale czy zastanawialiście się kiedyś, co się dzieje w takim zwyczajnym tranzystorze lub fototranzystorze, a i w zasadzie każdym elemencie półprzewodnikowym, gdy ten nie działa. Innymi słowy nie jest częścią żadnego obwodu i leży sobie na dnie szuflady. Można by pomyśleć, że wówczas nic się nie dzieje, ale tak naprawdę wkraczamy tutaj na dość grząski grunt. Półprzewodniki to elementy domieszkowane, w których modyfikuje się konkretne obszary, tak aby uzyskać większościową ilość konkretnych typów nośników energii. Bez napięcia są one w zasadzie martwe, ale tylko pozornie. W grę wchodzi tutaj przede wszystkim temperatura, która potrafi ożywić nośniki ładunków. Jej wpływ na półprzewodnikowe konstrukcje opisywałem już w jednym z wcześniejszych artykułów „Jak pali się tranzystor w układzie wspólnego emitera?”, w którym tranzystor zapłonął żywym ogniem.
Poza tym w elektronice znane jest też pojęcie tak zwanego „ciemnego prądu”. Pojawia się ono najczęściej w kontekście fotoogniw, a dokładniej płynącego przez nie prądu przy braku oświetlenia. W tym stanie ogniwo jest dla źródła napięcia pewnym obciążeniem, dlatego w instalacjach fotowoltaicznych stosowane są pewne zabezpieczenia, które uniemożliwiają nocne rozładowywanie akumulatorów przez nieoświetlone ogniwa. Tę rolę pełnić może nawet najprostsza półprzewodnikowa dioda, ale lepszym rozwiązaniem są klucze tranzystorowe.
Na mojej stronie nie znajdziesz zwyczajnych, jak i automatycznie generowanych przez Google Ads reklam, innymi słowy nie mam żadnych profitów z prowadzenia tego serwisu. Ale jeśli chcesz wesprzeć moją pracę, to możesz postawić mi kawę. Dzięki😊
