UVODTranzistor(od eng.transfer resistor-prijenosni otpornik) je poluvodiki elektroniki element sa tri elektrode koji posjeduje pojaavako djelovanje[5].Koristi se za pojaavanje, kao sklopka, za stabilizaciju napona, modulaciju signala i mnoge druge primjene. Osnovni je element mnogih elektronikih sklopova, integriranih krugova i elektronikih raunala.Tranzistori se prema nainu rada dijele na bipolarne i unipolarne[1].Bipolarni tranzistor (engl. BJT - Bipolar Junction Transistor) je aktivni poluvodiki elektroniki element dobiven kombinacijom poluvodia p i n tipa. Sastoji se od tri podruja (elektrode) emitera (E), baze (B) i kolektora (C) .Emiter i kolektor bipolarnog tranzistora su istog tipa vodljivosti,dok je baza suprotnog tipa i smjetena je izmeu emitera i kolektora. Po tome razlikujemo dva tipa bipolarnih tranzistora:- npn tranzistor, kod kojeg su emiter i kolektor n-tipa, a baza p-tipa,- pnp tranzistor, kod kojeg su emiter i kolektor p-tipa, a baza n-tipa. Bilo da se radi o pnp ili npn tipu tranzistora oba obavljaju istu funkciju. Razlika je u polaritetima vanjskih napona i struja, te u vrsti nosilaca elektrine struje. U pnp tipu tranzistora glavni su nosioci elektrine struje upljine, a u npn tipu tranzistora su to elektroni. Slika 1.0 : a) npn i pnp tip bipolarnog tranzistora, b) praktina izvedba, c) elektrini simboli[2]1Princip rada bipolarnih tranzistora zasniva se na injekciji slobodnih nosilaca iz emitera u bazu, transportu tih nosilaca kroz vrlo usko podruje baze, te njihovom sakupljanju na kolektoru. U radu bipolarnih tranzistora bitno je prisustvo obaju tipova nosilaca, veinskih i manjinskih. Upotrebljavaju se na dva osnovna naina: kao linearni pojaavaki element napona ili struje ili kao nelinearni prekidaki element u funkciji sklopke.U tranzistoru postoje dva pn spoja: emiter-baza (emiterski spoj) i baza-kolektor (kolektorski spoj). Svaki od tih spojeva moe biti propusno ili nepropusno polariziran, pa po tome razlikujemo etiri naponska podruja rada tranzistoraTablica 1 : Naini polarizacije pn spojeva bipolarnog tranzistoraPolarizacijepn-spojevaemiter-bazapropusno nepropusnokolektor-bazapropusno zasienje inverzno aktivnonepropusno normalno aktivno zapiranjeStruju kroz bipolarni tranzistor ine manjinski nosioci koji su uslijed napona izmeu baze i emitera ubaeni u vodljivu bazu p ili n tipa. Gustoa manjinskih nosilaca na podruju baze uz kolektor mnogo je manja nego na podruju baze uz emiter pa oni difundiraju kroz bazu i lako prelaze u kolektor uzrokujui tok kolektorske struje. Mali dio manjinskih nosilaca koji se rekombinira u bazi ini struju baze. Na taj nain se malom promjenom struje u krugu baze postie velika promjena struje u krugu kolektora i dolazi do pojaavakog djelovanja.Napon na spoju baza-emiter manji je od napona na spoju kolektor-baza, a takoer je i struja koja tee u bazu manja od struja emitera i kolektora, to znai da tranzistor omoguuje upravljanje potronjom u krugu vee snage pomou kruga u kojem se troi manja snaga. Ovisno o tome koja je elektroda za oba kruga zajednika tranzistor se moe koristiti u tri razliita spoja. U spoju sa zajednikom bazom ostvaruje se samo pojaanje napona, u spoju sa zajednikim kolektorom samo pojaanje struje, a spoju sa zajednikim emiterom pojaava se i napon i struja, pa je pojaanje snage najvee.Tehnoloka izvedba bipolarnih spojnih tranzistora moe biti u diskretnom (jedan tranzistor) ili u integriranom obliku (vie tranzistora ili jedan i vie tranzistora s drugim elementima na istoj silicijskoj ploici).Prije tono 60 godina(1948.godine) trojica amerikih znanstvenika su konstruirali prvi tranzistor. John Bardeen, Walter Brattain i William Bradford Shockley su u Bellovim laboratorijima zapoeli evoluciju elektronike kakvu danas poznajemo. Prvi bipolarni tranzistor proizveden je 1951.godine, a za svoja otkria trojica navedenih znanstvenika su 1956. godine dobili Nobelovu nagradu[4]. Prvi unipolarni tranzistori pojavili su se dosta kasnije. Prva praktina primjena tranzistora bila je u slunom aparatu , nakon ega je slijedio prijenosni radio aparat, koji se kod nas i sam nazivao tranzistor.2U 60-im godinama prolog stoljea poinje primjena tranzistora u prvim raunalima, a 1965. godine Gordon Moore dolazi do zakljuka da e se u budunosti svake dvije godine broj tranzistora u mikroipovima udvostuavati (Mooreov zakon). Veliina tranzistora se smanjivala reciprono s njihovim brojem, pa je tako 1961. godine veliina tranzistora bila 0,125 milimetara, 1971. godine 0,02 milimetra, dok se danas poinju proizvoditi mikroipovi s veliinom tranzistora od 45 nanometara.Danas su milijuni tranzistori osnovni elementi mikroipova koji se nalaze u svim elektronikim ureajima od raunala, pa do mobitela i mp3 playera. Unipolarni tranzistor (Tranzistor s djelovanjem elektrinog polja) je aktivni poluvodiki elektroniki element s tri elektrode kod kojeg u voenju struje sudjeluju samo veinski nosioci naboja (ili samo elektroni ili samo upljine), a protjecanjem te struje upravlja se promjenom vanjskog napona. Posljedica prikljuivanja tog napona na poluvodi je postojanje poprenog elektrinog polja koje utjee na vodljivost poluvodia pa se uz naziv unipolarni tranzistor obino upotrebljava i naziv tranzistor s efektom polja ili krae FET (Field Effect Transistor). Za razliku od bipolarnog tranzistora kod FET-a nosioci naboja koji ine struju ne prelaze preko odgovarajue polariziranih pn spojeva meu odgovarajuim elektrodama ve teku kroz dio poluvodia koji se naziva kanal. Ovisno o tome koji se tip nosilaca naboja nalazi u kanalu,unipolarni tranzistori mogu biti p-kanalni ili n-kanalni.Iako je bipolarnim tranzistorom mogue ostvariti vee naponsko pojaanje nego unipolarnim, postoje karakteristike koje daju FET-u prednost u praktinoj primjeni,a to su:FET je naponski upravljan elektroniki element, posjeduje vrlo veliku ulaznu, a nisku izlaznu impedanciju, ima malu potronju, generira relativno mali um i temperaturno je stabilniji od bipolarnog tranzistora. Neki nedostaci FET tranzistora su sporost kada rade kao sklopke, te ui propusni pojas kada se koriste u sklopu pojaala.Postoje dva tipa FET-a:- JFET (engl. Junction FET), spojni tranzistor s efektom polja- MOSFET (engl. Metal-Oxide-Semiconductor FET), tranzistor s efektom polja s izoliranim vratima31.SPOJNI TRANZISTOR S EFEKTOM POLJA(JFET)Elektrode FET-a nazivaju se: uvod S(eng.Source), odvod D(eng.Drain) i vrata ili upravljaka elektroda G (eng.Gate).JFET prikazan na slici 1.1 a) dobiven je tako da je na podlogu od n-tipa poluvodia difuzijom na dvije suprotne plohe umetnut p-tip poluvodi s izrazito velikom koncentracijom upljina (p+ podruje). Na taj nain ostvarena su dva pn spoja i oni se nepropusno polariziraju naponom GSU. Na krajevima podloge n-tipa nanesene su dvije metalne elektrode oznaene sa S i D,a izmeu njih je prikljuen napon DSU. Slika 1.1 : a) Izvedba JFET-a , b) simboli n-kanalnog i p-kanalnog JFET-aBudui da je n-podruje slabije vodljivo od p+ podruja,barijere e se na tim podrujima iriti na n-stranu, to je prikazano na slici 1.2 b). Kroz preostali elektriki neutralni dio poluvodia n-tipa, nazvan kanal, tei e struja ID od uvoda prema odvodu,a njen iznos ovisi o naponima napajanja UDS i UGS. Za odreeni napon UDS struja e biti to manja to je napon nepropusne polarizacije iznosom vii. Uz vei napon UGS kanal e biti ui,odnosno njegov presjek manji, a otpor vei, tj.kako se barijera iri na slabije oneienu stranu pn spoja, porastom apsolutne vrijednosti napona UGS irina kanala se smanjuje, a time i njegova vodljivost. Pri naponu UDS=0 i UGS=0 kanal FET-a ima najveu irinu iznosa 2a (irina potpuno otvorenog kanala), to je prikazano na slici 1.2 a). Pri nekom naponu UGS i naponu UDS=0 irina kanala jednako se smanji po itavoj njegovoj duini na stalnu vrijednost 2b. Poveanjem napona nepropusne polarizacije UGS barijere postaju sve ire tako da kod nekog odreenog napona dolazi do dodira donje i gornje barijere, to je prikazano na slici 1.2 c). Napon UGS pri kojem irina kanala postaje jednaka nuli (b=0) naziva se napon dodira i oznaava se sa UGS0.Naponima prikljuenim izmeu odgovarajuih elektroda odreena je radna toka FET-a,a smjer struje odvoda ID odgovara smjeru gibanja pozitivnog naboja.4Slika 1.2 : Modeli prikladni za opis naina rada n-kanalnog FET tranzistoraMoemo napisati izraz za irinu barijere: ( )DGS kN q U Ub a 2. (1.1)Izraz za napon UGS0 pri kojem vrijedi b=0 je: 220 Dk GS N q aU U , (1.2)52a 2bpa moemo izraziti poluirinu kanala u ovisnosti o naponima UGS i UGSO:

,`

.| 01GS kGS kU U U Ua b. (1.3)Pri nekim naponima UDS i UGS kroz kanal tee struja odvoda stvarajui pad napona du kanala. Tada irina kanala vie nije stalna nego se mijenja. Kako presjek kanala od uvoda prema odvodu postaje sve manji, elektrino polje treba rasti da bi struja odvoda imala stalnu vrijednost ID:( ) ( )]]]]

+ 0232332GS kGS k DS GS kDS O DU U U U U U UU G I (1.4)Gdje je G0 vodljivost potpuno otvorenog kanala:LN q w aG n Do 2. (1.5)Funkcija (1.4) poprima maksimalnu vrijednost u toki UDS = UGS UGS0, a nakon toga opada s porastom napona UDS. Meutim, takav tok funkcije ne odgovara izmjerenoj karakteristici na kojoj je utvreno da nakon vrijednosti UDS = UGS UGS0 struja blago raste s porastom napona UDS (praktiki ima stalnu vrijednost).Smanjenje irine kanala i dodir barijera na strani odvoda nastaju zbog pada napona du kanala, koji je posljedica protjecanja struje kroz kanal. Pri dodiru barijera prestala bi tei i struja, odnosno nestao bi uzrok dodira barijera, to nema smisla. Zakljuak je, dakle, da irina kanala na mjestu dodira barijera nije jednaka nuli, ve ima mali iznos koji se pri prekoraenju napona dodira protee prema uvodu.Na slici 1.3 prikazane su izlazne karakteristike FET-a, koje prikazuju ovisnost struje ID o naponu UDS za konstantni napon UGS, ID=f(UDS). Geometrijsko mjesto toaka UDS = UGS UGS0 na izlaznim karakteristikama za pojedini napon UGS predstavlja granicu izmeu dva podruja rada FET-a triodnog podruja i podruja zasienja.U triodnom podruju napon UDS je nizak i spojni FET se ponaa kao linearni otpor ijim se iznosom moe upravljati pomou napona upravljake elektrode UGS.U podruju zasienja struja ID je konstantna i u tom dijelu karakteristike praktiki ne ovisi o naponu UDS. Kada se pomou FET-a eli realizirati pojaalo,radnu toku treba postaviti u podruje zasienja.Slika 1.3 : Izlazne karakteristike FET-a620ID-UGS1=0-UGS2-UGS3-UGS4UDSPodruje zasienjaTriodnopodrujeUvrtavanjem uvjeta UDS = UGS UGS0 u izraz (1.4) Dobiva se jednadba koja vrijedi za podruje zasienja:( ) ( )]]]]

0232300 032GS kGS k GS kGS GS DzasU U U U U UU U G I (1.6)Dio karakteristika opisan jednadbom (1.4) pripada triodnom podruju.Dinamiki parametri FET-aStrmina - derivacija struje ID po naponu UGS pri nekoj stalnoj vrijednosti napona UDS:GSDmUIg (1.7)0 GS kGS k DS GS kO mU U U U U U UG g + - strmina u triodnom podruju (1.8)

,`

.| 001GS kGS kmU U U UG g - strmina u podruju zasienja (1.9)Izlazna dinamika vodljivost - derivacija struje ID po naponu UDS pri nekoj stalnoj vrijednosti napona UGS:DSDdUIg (1.10)]]]]

+ 001GS kDS GS kdU U U U UG g (1.11) Faktor pojaanja - derivacija napona UDS pri nekoj stalnoj vrijednosti struje ID:m ddmGSDDDSGSDSg rggUIIUUU , (1.12)gdje je rd izlazni dinamiki otpor FET-a.Kod p-kanalnog JFET-a kanal je p tipa,a podruje vrata n+ tipa.Naponi napajanja UGS i UDS,te struja ID,imaju suprotan predznak od onog za n-kanalni JFET:7( )AGS kN q U Ub a+ 2 (1.13)kAGS UN q aU 220 (1.14)

,`

.|++ 01GS kGS kU U U Ua b (1.15)- ( ) ( )]]]]

++ + 0232332GS kGS k DS GS kDS O DU U U U U U UU G I - triodno podruje (1.16)- ( ) ( )]]]]

++ + + 0232300 032GS kGS k GS kGS GS DzasU U U U U UU U G I - podruje zasienja (1.17)Statike karakteristike JFET-aIzlazne karakteristike spojnog FET-a dane su za triodno podruje jednadbom (1.4), a za podruje zasienja jednadbom (1.6). U podruju zasienja funkcija ID=(UGS) je ujedno i prijenosna karakteristika koja se moe priblino pokazati parabolinom funkcijom:201

,`

.| GSGSDSS DUUI I (1.19)U odsjeku odreenom tokama UGS0 i IDSS,gdje je IDSS struja ID pri naponu UGS.Slika 1.4 : Statike karakteristike FET-a82.TRANZISTOR S EFEKTOM POLJA S IZOLIRANOM UPRAVLJAKOM ELEKTRODOM (MOSFET)Za razliku od spojnog FET-a kod kojeg je upravljaka elektroda nanesena direktno na podlogu, kod MOSFET-a je upravljaka elektroda izolirana od podloge tankim slojem silicijevog dioksida (SiO2) debljine 1 . 0 OXtm. Rad MOSFET-a ovisi o nastajanju tzv. inverzijskog sloja na podlozi. MOS unipolarni tranzistor moe biti izveden kao n-kanalni na p-podlozi ili kao p-kanalni na n-podlozi, obogaenog ili osiromaenog tipa. Podloga je silicij s relativno malom gustoom primjesa. Nakon toga se odreenim planarnim postupcima (fotolitografskim postupkom) otvaraju difuzijski prozori u oksidnom sloju kroz koje se difuzijom nanosi primjesa, oblikujui na taj nain podruje uvoda i odvoda u podlozi. Gustoa primjese u podruju uvoda i odvoda je relativno velika. Dio poluvodia izmeu uvoda i odvoda oznaen je kao kanal kroz koji struja moe tei jedino ako su u njemu nosioci naboja istog tipa kao i veinski nosioci podruja uvoda i odvoda.To znai da je za n-kanalni MOSFET nuno stvoriti viak elektrona uz povrinu izmeu p-podloge i izolatora (u kanalu), odnosno uspostaviti inverzijski sloj izmeu uvoda i odvoda. To je temeljni preduvjet za voenje MOSFET-a. Inverzijski sloj moe nastati pod utjecajem prikljuenog napona odgovarajueg polariteta izmeu vrata i uvoda,UGS.Slika 2.1 : Simbol i presjek n-kanalnog MOSFET-a[3]Kod n-kanalnog MOSFET-a obogaenog tipa struja ID moe tei uz prikljueni napon UDS samo ako je napon UGS pozitivan i vei od odreene vrijednosti koja se naziva napon praga UGS0.Drugi tip n-kanalnog MOSFET-a moe se oblikovati tako de se izmeu uvoda i odvoda posebnim tehnolokim postupkom unese uzak kanal n-tipa s relativno malom gustoom primjesa. Kod takvog n-kanalnog MOSFET-a struja ID moe tei i pri naponu UGS=0. Uz negativan napon UGS u izolacijskom sloju dolazi do gomilanja pozitivnog naboja uz metalni spoj upravljake elektrode i izolatora, a negativni naboj se gomila uz spoj izolatora i kanala i odbija slobodne elektrone u blizini izolacijskog sloja, te se u kanalu stvara sloj osiromaen slobodnim nosiocima naboja, to znai da je vodljivost kanala smanjena i ovaj tranzistor spada u skupinu tranzistora osiromaenog tipa.Pozitivnim naponom UGS elektroni se izvlae iz dubine podloge i gomilaju se u kanalu poveavajui tako njegovu vodljivost.9Napon UGS pri kojem kanal praktiki prestaje biti vodljiv naziva se napon praga UGS0. Za n-kanalni MOSFET osiromaenog tipa taj napon je negativan, a za obogaeni tip je pozitivan. Kod n-kanalnog MOSFET-a osiromaenog tipa struja ID moe tei pri pozitivnim vrijednostima napona UGS, kada tranzistor radi u obogaenom modu i pri negativnim vrijednostima napona UGS ako vrijedi UGS0< UGS< 0, pa kaemo da tranzistor radi u osiromaenom modu. Kroz kanal n-kanalnog MOSFET-a obogaenog tipa struja moe tei samo uz pozitivne napone UGS kada vrijedi UGS>UGS0, tj.ovaj tranzistor moe raditi samo u obogaenom modu.Za p-kanalni MOSFET podloga je silicijski poluvodi n-tipa,a podruje uvoda i odvoda p+-tipa. Napon praga p-kanalnog MOSFET-a obogaenog tipa je negativan, a tranzistor moe raditi jedino u obogaenom modu uz negativan napon UGS. Za osiromaeni tip napon praga je pozitivan, a tranzistor moe raditi u osiromaenom modu pri UGS>0 i obogaenom modu pri UGS