Transistor

Transistor (ingl transfer üle kandma + resistor takisti) on kolme väljaviiguga pooljuhtseadis elektriahelate lülitamiseks ja elektrisignaalide võimendamiseks. Transistori abil saab ühe elektrisignaali ‒ sisendsignaali ‒ abil juhtida ehk tüürida teist elektrisignaali ‒ väljundsignaali.

Transistor on elektroonikalülituste tähtsaim koostisosa info- ja sidetehnikas ning samuti jõuelektroonikas. Peamiselt valmistatakse transistore integraallülitusena mikrokiipidel. Enamiku transistoride alusmaterjal on pooljuht räni. Kõrgsagedusseaqdiste jaoks on kasutusel ka galliumarseniid ja teised materjalid.

Transistorid

Ajalugu

Eelkäijad

Varasemal ajal kasutati transistoridega samal otstarbel releesid ja elektronlampe ehk raadiolampe. Releesid saab kasutada vaid signaali diskreetseks sisse- ja väljalülitamiseks, samas transistoril (ja elektronlambil) on pidev väljundkarakteristik. Tänapäeval kasutatakse elektronlampe väga vähe, sest transistoril on elektronlambi ees mitmeid eeliseid.

Esimesed transistorid

Maailma esimene transistor

Esimene transistori patent anti füüsik Julius Edgar Lilienfeldile 1925. aastal. Patendikirjeldus oli väga sarnane seadmele, mida tänapäeval tuntakse väljatransistori nime all. Ka 1934. aastal patenteeris saksa leiutaja Oskar Heil sarnase seadme.

1942. aastal eksperimenteeris järgmine sakslane Herbert Mataré radarisüsteemile anduri väljatöötamisel niinimetatud "topeltdioodidega". Tema loodud seadmel oli pooljuhtaluse peal kaks eraldiseisvat, kuid väga lähestikku asetsevat metallkontakti. Leiutisega töötades avastas ta nähtusi, mida ei olnud võimalik selgitada kahe iseseisvalt toimiva dioodi tööga. Nende nähtuste uurimisest kasvas välja algeline idee bipolaartransistori loomiseks.

1947. aastal avastasid Ameerika Ühendriikide teadlased John Bardeen ja Walter Brattain, et kui panna germaaniumikristalli külge elektrilised kontaktid, siis sellest väljuva elektrivoolu tugevus on oluliselt suurem esialgsest elektrivoolu tugevusest. William Shockley nägi selles avastuses suurt potentsiaali ning töötas paar kuud avastatud nähtuse mõistmiseks. Tema töö laiendas oluliselt teadmisi pooljuhtide olemusest ning nendega seotud nähtustest.

Esimene ränialuseline transistor töötati välja Texas Instruments'is Gordon Teali poolt aastal 1954. Esimese MOSFET transistori (metall-oksiid-pooljuht väljatransistori) valmistasid teadlased John Atalla ja Dawon Kahng 1960. aastal.

Transistori eelised ja puudused elektronlambiga võrreldes

Eelised:

• Palju väiksem – isegi kuni tuhandeid kordi.
• Ökonoomsem – eraldab vähem soojust (töötavad palju madalamal pingel ja puudub hõõgkütteahel).
• Mehaaniliselt vastupidavam – elektronlampi kattev klaas läheb kergesti katki ja sisemised detailid kardavad põrutusi.
• Pikema tööeaga – elektronlambid kaotavad töötades aja jooksul oma töövõime, peamiselt katoodi emissiooni võime vähenemise tõttu.
• Kiirema töövalmidusega – transistorit ei pea soojendama enne töörežiimi.

Puudusteks on tundlikkus tugeva elektromagnetvälja, ülepingete ja liigvoolude suhtes.

• Elektronlampe saab kergemini tööle panna suurema võimsusega, sest neid saab konstruktiivselt valmistada suuremana ja oma ehituse tõttu on neid lihtsam jahutada.

Transistoride tingmärgid

	npn-bipolaartransistor (lühend inglise k NPN-BJT) B ‒ baas, C ‒ kollektor, E ‒ emitter
	pnp-bipolaartransistor (PNP-BJT)
	n-kanaliga pn-väljatransistor (N-JFET) G (Gate) ‒ pais, D (Drain) ‒ neel, S (Source) ‒ läte
	p-kanaliga pn-väljatransistor (P-JFET)
	n-kanaliga vaegustüüpi MOS-transistor (depletion-mode N-MOSFET) (sisseehitatud n-kanaliga)
	p-kanaliga vaegustüüpi MOS-transistor (depletion-mode P-MOSFET) (sisseehitatud p-kanaliga)
	n-kanaliga küllustüüpi MOS-transistor (enhancement-mode N-MOSFET) (pingestamisel indutseeritava n-kanaliga)
	p-kanaliga küllustüüpi MOS-transistor (enhancement-mode P-MOSFET) (pingestamisel indutseeritava p-kanaliga)
	Isoleeritud paisuga bipolaartransistor (IGBT) G ‒ pais, C ‒ kollektor, E ‒ emitter

Põhiliigid

Transistoride põhirühmad on

• unipolaartransistorid (uni- < ladina k unus üks + polos kreeka k poolus) ehk väljatransistorid ja
• bipolaartransistorid (bi- < ladina k bis kahe-).

Väljatransistoride töös osalevad ainult üht liiki laengukandjad ‒ elektronid või augud, bipolaartransistorides aga nii elektronid kui ka augud, seega kaht liiki laengukandjad. Põhimõtteline erinevus on ka transistori väljundvoolu tüürimise (juhtimise) viisis: väljatransistoride korral tüüritakse väljundvoolu sisenppingega, bipolaartransistoridel sisendvooluga.

Väljatransistorid jagunevad struktuurilt

• pn-tõkkekihiga transistorideks, kus tüüriva elektrivälja mõjul muutub kanali tegevristlõige, ja
• isoleeritud tüürelektroodiga transistorideks, kus elektriväli muudab laengukandjate kontsentratsiooni kanalis, seega kanali takistust.

Esimesi nimetatakse lühemalt pn-väljatransistorideks, teisi isoleeritud paisuga transistorideks, rahvusvaheliselt kasutatav lühend MOSFET. Viimased ongi kõige laiemalt kasutusel, sest võimaldavad tüürida väljundvoolu praktiliselt võimsusvabalt (madalatel sagedustel).

Unipolaar- ja bipolaartransistoride tehniliselt kasulikud omadused on ühendatud isoleeritud paisuga bipolaartransistoris (IGBT), kus bipolaartransistori baasiahela voolu tüürib väljatransistor. Niisugune kombinatsioon võimaldab väikese tüürvõimsusega lülitada väljundahelas kõrget pinget ja tugevat voolu.

Kasutamine

Transistor kuulub peaaegu igasse elektroonikalülitusse ja seda enamasti integraallülituste koosseisus, kus nad töötavad elektrooniliste lülititena. Eraldi komponentidena on transistorid kasutusel mitmesugustes elektritoitelülitustes (suure võimsusega vaheldites, alaldites, impulsstoiteallikates), samuti analoogelektroonikas, näiteks helisagedusvõimendite võimsusvõimendites, kuid siingi on võimsustransistorid enamasti ühel kiibil teiste elementidega.

Arvuliselt kõige enam transistore on mitmesugustes digitaaltehnika komponentides, mille kiibi mõne ruutmillimeetri suurusel pinnal võib olla transistoristruktuure miljonites ja isegi miljardites. Nende väljatransistoride suurust väljendatakse kanali pikkusega, mida tänapäeval mõõdetakse kümnetes nanomeetrites (üks nanomeeter on üks miljondik millimeetrit).

Vaata ka

• Pooljuht
• Pn-siire
• Bipolaartransistor
• Väljatransistor
• Grafeentransistor