Nie ulega wątpliwości, że tranzystor jest czymś, co zrewolucjonizowało świat. Ciężko wyobrazić sobie dzisiejszą elektronikę bez tego niewielkiego elementu. Jest on na tyle uniwersalny, że w dzisiejszym świecie możemy znaleźć go w praktycznie każdym obwodzie elektronicznym. Tranzystory występują jako pojedyncze elementy, ale są też głównym budulce układów scalonych, ciężko to sobie wyobrazić, ale współczesny układ taki jak na przykład procesor M1 Ultra od Apple składa się z około 114 miliardów tych elementów, jest to naprawdę zdumiewająca ilość. W dzisiejszym materiale opowiem wam trochę o historii, działaniu i budowie tego niezwykłego elementu elektronicznego.
Czym jest tranzystor?
Najczęstszą odpowiedzią na pytanie czym jest tranzystor, jest zdanie – Tranzystor to element półprzewodnikowy, który potrafi wzmacniać prąd elektryczny oraz sterować jego przepływem. Teoretycznie twierdzenie to mówi nam wszystko, ale według mnie jest ono zbyt naukowe, szczególnie dla osób, które dopiero zaczynają zabawę z elektroniką.
Mówiąc inaczej, tranzystor możemy wyobrazić sobie jako elektroniczną wersję fizycznego przycisku zbudowaną z półprzewodnika, czyli krzemu lub germanu, choć ten drugi jest dziś już rzadko spotykany. W takim półprzewodnikowym przycisku, zamiast fizycznie zmieniać położenia styków, tym samym zamykając obwód i zasilając docelowe urządzenie, dostarczamy do elementu odpowiednią ilość energii elektrycznej. Czym jest jednak magiczne wzmacnianie tranzystora? Wyobraźmy sobie, że do jakiegoś mikrokontrolera podłączamy diody LED. Po podłączeniu pierwszej sztuki nic szczególnego się nie dziej, dioda świeci. Ale załóżmy, że dokładamy coraz więcej i więcej diod podłączając je do tego samego wyprowadzenia. W pewnym momencie mikrokontroler nie wytrzyma, nie będzie w stanie sprostać zapotrzebowaniu prądowemu podłączonych diod. Niestety w ten sposób bezpowrotnie uszkodziliśmy mikrokontroler. Aby uniknąć takiej sytuacji, trzeba skorzystać z tranzystora, który z zasady jest w stanie dostarczyć znacznie więcej prądu niż wyprowadzenie mikrokontrolera. To właśnie jest wzmocnienie tranzystora, wzmacniamy sygnał z mikrokontrolera tak, aby go nie spalić. Trzeba pamiętać, że tranzystor nie bierze swojej mocy z powietrza, choć wizja takiego elementu jest dość ciekawa, aby element mógł wzmocnić sygnał, musimy do niego doprowadzić odpowiednio dużo energii, ale tym zagadnieniem zajmiemy się później.
Krótka historia tranzystorów
John Bardeen, William Shockley i Walter Brattain w Bell Labs rok 1948 (https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_transistor#)
Przed powstaniem tranzystorów dominującym elementem w elektronice była lampa elektronowa. Miała ona jednak wiele wad: rozmiary, prądożerność czy też wysokie napięcie, którym była sterowana. Istniała potrzeba zbudowania czegoś nowego czegoś, co będzie mogło zastąpić lampę elektronową i właśnie z tego powodu powstał tranzystor.
Pierwszy tranzystor opracowany został przez zespół z Bell Labs – Johna Bardeena, Williama Shockleya i Waltera Brattaina w 1947 roku. Choć pierwsze wzmianki o półprzewodnikowym elemencie mogącym sterować przepływem prądu pojawiają się już w latach 20 XX wieku. Tamte konstrukcje jednak nigdy nie wychodzą spoza fazy planów.
Po lewej germanowy tranzystor Bell Labs z 1950 roku, po prawej komercyjna konstrukcja Texas Instruments z 1954 roku. (https://spectrum.ieee.org/the-lost-history-of-the-transistor)
Pierwszy tranzystor, który dzisiaj określamy mianem tranzystora punktowego, zbudowany został z germanowej płytki, do której przymocowano złotą folię, którą następnie przecięto na dwie części. W ten sposób uzyskano działającą strukturę złoto-german-złoto.
Idąc za ciosem, naukowcy w 1951 roku pokazują światu konstrukcję nieco bardziej dopracowaną – tranzystor złączony. Zbudowany z trzech warstw półprzewodnika na bazie germanu. Pierwiastek ten miał jednak jedną wadę – temperaturę. Tranzystory germanowe po osiągnięciu około 75°C ulegały uszkodzeniu. Problem ten rozwiązał w 1954 roku pracujący w Texas Instruments Gordon Teala, opracował on tranzystor na bazie krzemu.
Po wynalezieniu tranzystora krzemowego historia przyśpiesza, powstają kolejne wariacje i typy elementów półprzewodnikowych prowadząc ostatecznie do kolejnej rewolucji, czyli powstania układu scalonego.
Podziały, typy, kategorie i budowa
Tranzystory możemy podzielić na dwie duże rodziny – tranzystory bipolarne oraz tranzystory unipolarne nazywane również polowymi. Dzisiaj zajmiemy się tylko pierwszą grupą, konstrukcją unipolarnym poświęcę osobny materiał.
Same tranzystory bipolarne również możemy podzielić na dwa typy – tranzystory NPN i PNP. Podział ten wywodzi się z ich budowy. Tranzystor jest swego rodzaju kanapką złożoną z trzech warstw półprzewodnika P i N. Do każdej z warstw podłączone jest jedno z trzech wyprowadzeń – kolektor (C), baza (B) lub emiter (E). Taki sposób budowy tranzystora jest oczywiście kwestią umowną, w rzeczywistości wygląda ona nieco inaczej, ale o tym później.
Zachodzi jednak pytanie, jak ta półprzewodnikowa kanapka działa? Gdy podamy na bazę niewielkie napięcie (mierzone względem emitera), elektrony uwięzione w obszarze emitera zaczną się przemieszczać w jej kierunku. Baza sama w sobie jest dość cienka, dlatego większość rozpędzonych elektronów nie będzie w stanie wyhamować i przedostanie się do obszaru kolektora. W idealnym świecie każdy elektron z emitera przedostałby się do kolektora, nie byłoby żadnych strat, ale niestety rzeczywistość jest inna i baza zawsze przechwytuje część ładunków. Efektem tego jest niepożądany, niewielki prąd bazy. Jednak znaczna większość elektronów przetrwa swoją wędrówkę, czego efektem będzie powstanie użytecznego, z naszego punktu widzenia prądu kolektora. Taki opis działania tranzystora może brzmieć dość tajemniczo, ale wytłumaczymy to sobie na praktycznym przykładzie w dalszej części artykułu.
Zatrzymajmy się jeszcze na moment nad fizycznością tranzystorów, która przybierać może najróżniejsze formy. Ilość rodzajów obudów, w których umieszczane są tranzystory jest naprawdę ogromna. Większe, mniejsze, owalne, prostokątne – kombinacji jest mnóstwo. Od rodzaju obudowy zależą też pewne cechy tranzystora. Można powiedzieć, że im większa obudowa, tym większy prąd lub napięcie jest w stanie wytrzymać tranzystor. Oczywiście jest to spore uproszczenie, w rzeczywistości bywa różnie, i aby dowiedzieć się więcej o parametrach tranzystora, należy zajrzeć do jego noty katalogowej.
Nota katalogowa BC337 (https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/bc337-d.pdf)
Każdy tranzystor ma własne, unikatowe oznaczenie umieszczane na obudowie. Na jego podstawie jesteśmy w stanie odszukać odpowiednią notę katalogową. Zazwyczaj na obudowach umieszcza się po prostu oznaczenie konkretnego modelu na przykład: BC337 lub KU608. Wyszukując w Google model tranzystora z dopiskiem datasheet, można znaleźć opisującą do notę katalogową. Może się też zdarzyć, że na obudowie tranzystora pojawi się tylko numer na przykład 103. Jest to spotykane przede wszystkim w konstrukcjach typu SMD. Jak w takim przypadku odczytać model tranzystora? Bardzo prosto wpisując w Google: 103 transistor.
Jak w praktyce działa tranzystor?
Teoria teorią, ale sprawdźmy jak działa tranzystor, na praktycznych przykładach. Do testów wykorzystałem jedną z popularniejszych konstrukcji, czyli BC547 w obudowie typu TO92. Jest to tranzystor NPN małej mocy, zerkając do noty katalogowej, możemy odczytać jego najważniejsze parametry. Na początek warto zapamiętać dwie wartości maksymalny prąd kolektora (IC) =100mA oraz maksymalne napięcie kolektor-emiter (UCE) =45V. Dodatkowo w nocie znajdziemy też coś takiego jak hFE, nazywane również β tranzystora. Jest to parametr określający wzmocnienie wyznaczany ze stosunku prądu kolektora (IC) do prądu bazy (IB). Dla tranzystora BC547 z oznaczeniem B na obudowie wynosi on od 200 do 450.
Na pierwszy ogień weźmy klasyczny układ z tranzystorem działającym jako klucz, przełącznik. Jak widać, składa się on z niewielu elementów, do kolektora podłączyłem diodę LED wraz z rezystorem ograniczającym prąd. Dzięki niej można obserwować zmiany stanu pracy tranzystora. Przycisk sterujący półprzewodnikową konstrukcją wraz z rezystorem połączony został z bazą. Całość zasilana jest napięciem 12V.
Po uruchomieniu układu można zaobserwować następujący efekt – przycisk wciśnięty dioda świeci, przycisk zwolniony dioda nie świeci. Ktoś mógłby powiedzieć, że nic w tym dziwnego, wciskamy przycisk dioda dostaje zasilanie, puszczamy nie ma go, ale nie działa to w taki sposób. W rzeczywistości nasz przycisk steruje tranzystorem, przełączając go ze stanu nasycenia (dioda świeci) na stan zatkania (dioda nie świeci).
Więcej o działaniu układu można powiedzieć po dokonaniu
kilku pomiarów. Na początek zajmijmy się sytuacją, w której przycisk jest
wciśnięty, a dioda świeci. Jak już wspomniałem, tranzystor znajduje się wówczas
w stanie nasycenia, oznacza to, że płynie przez niego niewielki prąd kolektora
(IC) znacznie mniejszy niż wynikałoby to z parametru hFE. W rzeczywistości tak
jest: 8,6mA to dość niewiele. Poza tym napięcie kolektor-emiter (UCE) ma
niewielką wartość rzędu mV. Możemy sprawdzić, jaki powinien płynąć prąd według
parametrów, znamy przecież prąd bazy tranzystora, który wynosi 1,05mA.
Prąd kolektora (IC) można wyznaczyć ze wzoru na wzmocnienie hFE = IC / IB po przekształceniu otrzymujemy IC = hFE * IB. Zachodzi jednak pytanie, jaki parametr β powinniśmy przyjąć do obliczeń? Jak pamiętacie, nie jest on stały i wynosi 200 – 450, wartość, z jaką tranzystor wzmocni nam prąd bazy zależy wielu czynników, możemy przyjąć, że wzmocnienie wynosi 400, trochę powyżej połowy z podanego przez producenta zakresu wzmocnienia.
400 * 1,05mA = 420mA
Według obliczeń prąd kolektora (IC) powinien wynosić około 420mA, a w rzeczywistości jest to 8,6mA, dlaczego? Dzieje się tak, ponieważ w gałęzi kolektora poza diodą znajduje się rezystor, którego zadaniem jest właśnie ograniczyć prąd. 420mA to wartość, która mogłaby popłynąć przez kolektor, ale tego nie chcemy, ponieważ jak wynika z specyfikacji BC547, maksymalny IC wynosi 100mA, przy wyższych wartościach tranzystor ulegnie uszkodzeniu.
Ostatnią wartością, której jeszcze nie przeanalizowaliśmy to napięcie baza-emiter (UBE) wynosi ono 735mV i jest to typowa wartość dla złącza PN spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. Obszar między bazą a emiterem możemy wyobrazić sobie właśnie jako zwyczajną diodę prostowniczą opartą na złączu PN. Gdy podamy na bazę dodatnie napięcie względem emitera, zaczyna płynąć prąd i wówczas między tymi wyprowadzeniami mamy standardowy spadek napięcia około 0,7V.
Gdy przycisk jest puszczony, dioda nie świeci, a tranzystor znajduje się w stanie zatkania. W takim przypadku zachodzące zjawiska fizyczne można opisać znacznie krócej.
Puszczony przycisk to brak napięcia na bazie (UBE) efektem tego jest brak prądu IB. Prądu kolektora (IC) też nie ma, ponieważ jak pamiętamy, to właśnie baza nim steruje. Jedyna wartość, jaka się pojawia to 9,61V między kolektorem a emiterem (UCE). Jest to napięcie, które odłożyło się na tranzystorze, reszta do brakujących 12V odłożyła się na diodzie i rezystorze.
Oczywiście układ, który zbudowałem, jest bardzo prosty i tylko w niewielkim stopniu wykorzystuje możliwości tranzystora. Jest jeszcze wiele parametrów i konfiguracji, które wypadałoby przedstawić, ale nie chcę, aby ten materiał była aż tak ogromny dlatego bardziej zaawansowane układy zostawimy sobie na inny artykuł.
Jak sprawdzić czy tranzystor jest sprawny?
Najłatwiejszym sposobem na sprawdzenie stanu tranzystora jest jego pomiar multimetrem z funkcją testu diody, trzeba jednak pamiętać, że tranzystor musi być wylutowany, ponieważ inne elementy mogłyby wpłynąć na pomiar. Mając uruchomiony multimetr z podłączonymi odpowiednio przewodami, mierzymy spadki napięcia, między poszczególnymi wyprowadzeniami, jeśli są zgodne z tymi opisanymi poniżej, to tranzystor jest prawdopodobnie sprawny.
Baza – emiter
- Tranzystor NPN – od 0,45V do 0,9V
- Tranzystor PNP – OL (over limit)
Baza – kolektor
- Tranzystor NPN – od 0,45V do 0,9V
- Tranzystor PNP – OL (over limit)
Emiter – baza
- Tranzystor NPN – OL (over limit)
- Tranzystor PNP – od 0,45V do 0,9V
Kolektor – baza
- Tranzystor NPN – OL (over limit)
- Tranzystor PNP – od 0,45V do 0,9V
Kolektor – emiter
- Tranzystor NPN – OL (over limit)
- Tranzystor PNP – OL (over limit)
Tranzystor na poziomie krzemu
Początkowo przedstawiłem tranzystor jako półprzewodnikową kanapkę złożoną z trzech warstw P-N-P lub N-P-N. Taki sposób budowy jest dobry do wyjaśnienia działania tranzystora, ale w rzeczywistości buduje się go nieco inaczej, co możecie zobaczyć na zdjęciu powyżej.
Na zrobionej przeze mnie fotografii widać wnętrze tranzystora PNP o oznaczeniu BC177. Wyprodukowany został on przez Polskie zakłady CEMI i umieszczony w obudowie TOB (CE22), dzięki czemu można było dość łatwo odciąć wierzch obudowy i dostać się do krzemowego rdzenia. Co jednak dokładnie widać na tym zdjęciu? Zacznijmy od początku, obudowa tranzystora wykonana została z metalu i połączona z kolektorem, większość podłoża w złotym kolorze to właśnie obudowa. Wykonano w niej dwa okrągłe otwory, w których umieszczono pozostałe dwa wyprowadzenie baza po lewej stronie i emiter po prawej. Łączą się one za pomocą niewielkich drucików z krzemowym rdzeniem tranzystora. Warto też zwrócić uwagę na drucik przy górnej krawędzi łączący dolną część obudowy z jej bokiem.
Sam rdzeń ma postać niewielkiego kwadratu z dwoma okręgami o wyraźnie innym kolorze to właśnie są obszary bazy i emitera. Cała reszta krzemu jest kolektorem.
Jeśli przecięlibyśmy rdzeń na pół, prawdopodobnie zobaczylibyśmy strukturę podobną do tej. Patrząc od dołu, rzeczywiście można zobaczyć strukturę nieco podobną do kanapkowego P-N-P. Rdzeń zbudowany jest tak naprawdę, z kilku warstw półprzewodnika typu N, P oraz P+. Główną różnicą między obszarami P i P+ jest ilość domieszki, N+ jest bogatszym, bardziej domieszkowanym półprzewodnikiem. Całość umieszczona została na podłożu typu P z prawdopodobnie bardziej domieszkowanym obszarem łączącym się z obudową będącą jednocześnie kolektorem. Dalej umieszczony został półprzewodnik typu N, jest to ten większy okrąg z podłączonym wyprowadzeniem bazy. Środkowy okrąg to emiter, będący obszarem typu P lub P+, ciężko to stwierdzić, chociaż bardziej skłaniam się do tego, że jest to obszar P+.
Krzemowe rdzenie mogą przybierać też nieco inne formy, tutaj możecie zobaczyć zdjęcie wnętrza Czechosłowackiego tranzystora mocy Tesla KU 608.
Tranzystor wewnątrz układu scalonego (https://www.righto.com/2016/02/555-timer-teardown-inside-worlds-most.html)
W jeszcze inny sposób budowane są tranzystory w większych strukturach krzemowych, jakimi są układy scalone. Na zdjęciu możecie zobaczyć pojedynczy tranzystor NPN wewnątrz układu NE555. Tutaj również mamy kilka warstw półprzewodnika z nowym jak dotąd N+. Różnica jest identyczna, jak w przypadku P i P+, N+ jest obszarem znacznie bardziej domieszkowanym niż zwyczajne N. W tranzystorze NPN umieszczony został na podłożu typu P i ma niewiele wspólnego z książkowym NPN, choć patrząc na pionowy wycinek pod emiterem, możemy się takiej budowy dopatrzyć. Pod emiterem umieszczony został półprzewodnik typu N+, łączy się on bezpośrednio z obszarem P, czyli obszarem połączonym z bazą. Ostatnim elementem jest kolektor, łączy się on z pozostałą strukturą pośrednio, czyli dwa obszary N+ rozdzielone są półprzewodnikiem typu N.
Czy tranzystor bez obudowy działa?
Dysponując tranzystorem z otwartą obudową, takim jak wspomniany BC177 można by zapytać, czy po naruszeniu do tej pory hermetycznie zamkniętej struktury element będzie nadal działać? Odpowiedź to tak i nie.
Owszem tranzystor będzie działać, ale nieco inaczej niż wcześniej. Budując prosty układ z przyciskiem i rezystorami tak jak w opisanym wcześniej przykładzie i zasłaniając rdzeń, na przykład taśmą można zauważyć, że tranzystor zachowuje się poprawnie, czyli prądem bazy możemy sterować przepływem elektronów przez kolektor. Ciekawiej zaczyna się robić, odsłonimy krzemowy rdzeń.
Przycisk jest niewciśnięty, a mimo tego dioda raz świeci, raz nie. Co się tutaj dokładnie dzieje? Odsłonięty rdzeń reaguje na światło, otwierając obudowę, udało się ze zwykłego tranzystora zrobić fototranzystor. Element tego typu działa jak klasyczny półprzewodnikowy tranzystor, ale funkcję bazy pełni tutaj światło, a dokładniej fotony padające na krzemową strukturę. To właśnie one sterują prądem kolektora, im jest ich więcej, tym będzie on większy. Ciekawostką jest, że w czasach PRLu pasjonaci elektroniki nie raz właśnie w taki sposób budowali fototranzystory, których ilość na rynku była ograniczona. Dodając przezroczystą soczewkę, można było jeszcze bardziej skupić wiązkę światła na rdzeniu, dodatkowo zabezpieczając go przed zewnętrznym uszkodzeniem.
Jak umiera tranzystor?
Wspomnieliśmy sobie już wcześniej jak sprawdzić, czy tranzystor jest sprawny. Chciałbym jeszcze na moment wrócić do tego tematu, aby w ramach ciekawostki sprawdzić, co dokładnie uszkadza się w tranzystorze bipolarnym. Na pierwszy ogień weźmy wspomniany już wcześniej BC177 od CEMI. Na fotografii możecie zobaczyć wnętrze tranzystora przez, które popłynął prąd znacznie większy niż max opisany w nocie katalogowej. Od razu widać, że coś niepokojącego stało się z drucikiem łączącym emiter z rdzeniem. Został on stopiony niemal przy samym krzemie i z jakiegoś powodu odczepił się od emitera i przyległ do bazy. Co ciekawe pomiar między bazą i kolektorem jest poprawny, może to oznaczać, że sam rdzeń jest sprawny, zaś uszkodzeniu uległo tylko jego połączenie z wyprowadzeniem emitera. Możliwe, że po jego odbudowaniu tranzystor wróciłby do świata żywych. Niestety, nie dysponuję technologią, żeby to sprawdzić.
Drugi tranzystor, który sprawdziłem to również wspomniany wcześniej BC547. On również zniszczony został przez zbyt duży prąd kolektora. Konstrukcja ta jest nowsza, dlatego umieszczona została w innej obudowie. Po jej delikatnym otwarciu można zobaczyć, że rdzeń wyparował, pozostawiając po sobie tylko ślad na metalowym wyprowadzeniu.
Układy ALU, czyli jednostki arytmetyczno-logiczne są dzisiaj częścią każdego procesora. Dawniej były one produkowane jako pojedyncze, fizyczne układy scalone lub zbiór wielu chipów logicznych. W dzisiejszym materiale opowiem wam o budowie, historii i działaniu jednego z pierwszych układów ALU.
Jakiś czas temu na mojej stronie pojawił się pierwszy materiał o tranzystorach bipolarnych. Opowiedziałem wam w nim trochę o ich historii, budowie, uruchomiliśmy wspólnie pierwszy układ, a także zajrzeliśmy do wnętrza tego niezwykłego elementu. Dzisiaj po raz kolejny bierzemy na warsztat ten element, ale przyjrzymy się bliżej jego działaniu. Opowiem wam o podstawowym układzie pracy tranzystora, sprawdzimy jego działanie, a na koniec go podpalimy.
Źródła:
- https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_transistor
- http://www.righto.com/2016/02/555-timer-teardown-inside-worlds-most.html
- https://www.allaboutcircuits.com/news/history-of-transistor-marches-on/
- https://www.thoughtco.com/the-history-of-the-transistor-1992547
- https://forbot.pl/blog/kurs-elektroniki-tranzystory-bipolarne-w-praktyce-id4315
- https://spectrum.ieee.org/the-lost-history-of-the-transistor
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Tranzystor
- https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/BC546.pdf
- http://www.elenota.pl/datasheet-pdf/60500/CEMI/BC177?sid=252642e5d6fad997e3af59f389cc29c9