טרנזיסטור

הטרנזיסטור הינו התקן אלקטרוני הנחשב לאחת ההמצאות הגדולות של המאה ה-20. על גילויו קבלו שלושת המפתחים וילאם שוקלי, ג'ון ברדין ווולטר ברטיין פרס נובל לפיזיקה בשנת 1956. הטרנזיסטור מתפקד כמתג כאשר זרם או מתח חשמלי שולט על מעבר זרם דרך הרכיב. בתעשיית האלקטרוניקה המודרנית הוא משמש כרכיב מפתח כמתג חשמלי, כבסיס לשערים לוגיים, כמגבר ועוד. הטרנזיסטור החליף כמעט לחלוטין את שפורפרות הריק אשר גודלן היה אחד החסרונות הבולטים שלהן, כיום מעבד מחשב אחד מכיל כמליארד טרנזיסטורים. בניסוי זה נכיר את אופן פעולתו של הטרנזיסטור, ונלמד את תכונותיהם של שני סוגי טרנזיסטורים: הטרנזיסטור הביפולרי (Bipolar junction transistor-BJT) וטרנזיסטור תוצא שדה (Field effect transistor-FET).

רקע תיאורטי

מוליכים למחצה

הטרנזיסטור עשוי מחומר מוליך למחצה. מוליך למחצה הינו חומר בעל מוליכות המשתנה כפונקציה של טמפרטורה, אור וכד'. המוליכות בחומרים אלו טובה יותר ממבודדים אך נמוכה יחסית לחומרים מוליכים. ניתן לשפר מוליכות של חצי מוליך באמצעות זיהום שמשמעותו השתלת אטום זר לגביש. באופן זה ניתן לייצר חומר שניתן לשלוט לא רק בכמות נושאי המטען שלו אלא גם בסימנם. ניתן ליצור חומרים בעלי רוב של נושאי מטען שלילים (אלקטרונים), מוליכים אלו המכונים n-type. כמו כן, ניתן ליצור חומרים בעלי רוב נושאי מטען חיוביים (חורים) המכונים p-type.

איור 1 - סכמת מצב אופייני של צומת p-n

איור 2 - ממתח קדמי (1), ממתח אחורי (2).

כאשר מחברים חומר מסוג n עם חומר מסוג p מקבלים צומת p-n. צומת זו מאופיין ברוב נושאי מטען שליליים בצד אחד וברוב נושאי מטען חיוביים בצד שני, ראו איור 1. כאשר מצמידים את שני החומרים, מתבצעת דיפוזיה של אלקטרונים לחומר מסוג p ונושאי המטען החיוביים (החורים) יבצעו דיפוזיה לחומר מסוג n. תהליך זה ייָנן את האטומים בגבול שבין שני החומרים, ויגיע לשיווי משקל כתוצאה מאיזון של הדיפוזיה על ידי השדה החשמלי הנוצר בעקבות היינון, אזור זה נקרא אזור המחסור (depletion zone).

כאשר מחברים אל הצומת מקור מתח חיצוני, נקבל כי הצומת משמש כדיודה המעבירה זרם רק בכיוון אחד. במקרה של ממתח קדמי (איור 2-1) נושאי המטען משני הסוגים ידחפו לצומת ויחצו אותו, ונקבל מעבר זרם. במקרה של ממתח אחורי (איור 2-2) המתח יעצור את נושאי המטען מלעבור את הצומת ולא יהיה מעבר זרם בכיוון זה.

הטרנזיסטור הביפולרי (Bipolar junction transistor-BJT)

הטרנזיסטור הביפולרי מורכב משני צמתי P-N המחוברים יחד. בטרנזיסטור N-P-N ישנו חומר p-type ומשני צידיו n-type, ובטרנזיסטור P-N-P ההיפך. איור 3 מציג טנזיסטור N-P-N, ברכיב זה ריכוז הזיהום בכל אחד מצידי ה-N שונה, כאשר צד אחד מזוהם יותר ובו ריכוז מטען שלילי גדול יותר. צד זה נקרא הפולט (emitter) והצד השני המזוהם פחות נקרא הקולט (collector). האיזור האמצעי עם ריכוז נושאי מטען חיוביים נקרא הבסיס (base).

איור 3 - סכמת טרנזיסטור ביפולרי NPN.

כאשר ממתחים את הצומת פולט-בסיס בממתח קדמי מאפשרים לאלקטרונים, שהם רוב נושאי המטען בפולט לעבור את הצומת לכיוון הבסיס. הטרנזיסטור בנוי כך שרוחבו של הבסיס קטן משמעותית מאיזור הדיפוזיה של נושאי המטען, לכן רוב האלקטרונים החוצים את הצומת ממשיכים ישירות לקולט. השאר יעזבו את הבסיס לכיוון הפולט בעקבות המתח בין הבסיס לפולט. לפי חוק הזרמים של קירכהוף יתקיים ש- $I_E=I_B+I_C$. החלוקה בין הזרם שיעבור לקולט לזה שיחזור לפולט תלוי היחסים בין הפוטנציאלים בחלקים השונים של הטרנזיסטור. במצב בו פוטנציאל בבסיס גבוה מזה שבפולט (ממתח קדמי), מגדירים פעיל קדמי להיות מצב בו הפוטנציאל בקולט גבוה מזה שבבסיס, האלקטרונים יסחפו לכיוון הקולט. מיעוט קטן של אלקטרונים יחזור לבסיס, כאשר היחס בין זרם הקולט, $I_C$ לזרם הבסיס $I_B$ הוא $\beta=I_C/I_B$ , יחס זה הוא בסדר גודל של 100. היחס בין זרם הקולט לזרם הפולט הינו $\alpha=I_C/I_E$ . כיוון שרובו המוחלט של הזרם עובר לקולט יחס זה הוא קטן במעט מ-1. אם הפוטנציאל בקולט נמוך מזה שבסיס, אזי לא כל האלקטרונים יעברו לקולט, והזרם שיעבור תלוי לינארית בקירוב במתח בין הקולט לבסיס, מצב זה נקרא מצב רוויה. מצב קטעון הינו מצב בו הפוטנציאל בבסיס קטן מזה שבפולט (ממתח אחורי) במצב זה אלקטרונים לא יכולים לעבור ברכיב, והוא מהווה נתק.

טרנזיסטור תוצא שדה (Field effect transistor-FET)

טרנזיסטור זה מורכב גם הוא משני סוגי מוליכים למחצה בזיהומים שונים. שדה חשמלי משנה את תכונתו של חומר חצי מוליך ובכך שולט על מעבר הזרם בהתקן.

ההתקן מורכב ממצע המזוהם בסוג אחד של נושאי מטען (באיור 4 p-type) כשעליו מושתלים שני מגעים בעלי זיהום הפוך (באיור 4 n-type). עליהם קיים שער עשוי מתכת המופרד מהמצע בשכבה דקה מבודדת. במצב זה, גם כאשר ה-source וה-drain מחוברים למקור מתח חיצוני, לא יזרום זרם בהתקן כיוון שקיימים כאן שני צמתי p-n המהוים נתק, מצב זה הוא מצב סגור.

איור 4 - סכמת טרנזיסטור תוצא שדה (FET).

כאשר מפעילים מתח gate חיובי, קיים שדה חשמלי המושך אלקטרונים מתוך המצע לכיוון החומר המבודד. באיזור זה שבין ה-source וה-drain תווצר שכבה דקה של חומר עם כמות נושאי מטען רוב של אלקטרונים, תהליך זה נקרא אינוורסיה שמשמעותו היפוך, כיוון שבאיזור זה המצע יהפוך מ-p-type ל-n-type. כעת יוכלו אלקטרונים לזרום מה-source ל-drain דרך שכבת האינוורסיה. גודלו של הזרם תלוי במתח שבין ה-source ל-drain. מצב קטעון הוא מצב בו מתח ה-gate קטן ולא מספיק כדי לייצר אינוורסיה, הזרמים שיכולים לזרום הם זרמים נמוכים הנובעים כתוצאה של תהליכי דיפוזיה.

איור 5

כאשר מגדילים את מתח ה-gate מעל למתח הסף בו מתחילה להיווצר שכבת אינוורסיה, נקבל כי הזרם עולה לינארית בקירוב כפונקציה של מתח source-drain. גודל הזרם תלוי גם בגודלה של שכבת האינוורסיה, כלומר כדי לקבל זרם גדול יותר באותו מתח source-drain , יש להגדיל את שכבת האינורסיה על ידי הגדלת מתח ה-gate. התהליך מגיע לרוויה כאשר האלקטרונים מגיעים למהירותם המקסימאלית, כך שהגדלת מתח source-drain משאירה את הזרם ללא שינוי.

ישנם טרנזיסטורים ששכבת האינוורסיה קיימת עוד בתהליך ייצור ההתקן, כמו בטרנזיסטור במערכת שלנו. בטרנזיסטורים אלו יהיה זרם גם כאשר מתח ה-gate יהיה 0. למשל בטרנזיסטור PNP כמו שמוצג באיור 4 שכבת האינוורסיה תהיה של נושאי מטען חיוביים גם ללא מתח gate, אם נפעיל מתח ה-gate שלילי יגדל גם הזרם המתקבל. אולם אם נפעיל מתח gate חיובי שכבת האינוורסיה תדחה ואיזור המיחסור שבשני הצמתים יגדל. ככל שמתח ה-gate יגדל כך תהרס יותר שכבת האינוורסיה, עד למצב בו לא יהיה זרם כלל.

מערכת הניסוי

במעבדה זו יש למדוד אופיינים של טרנזיסטורים מכל אחד מהסוגים: טרנזיסטור ביפולרי מסוג 2N1711 וטרנזיסטור FET מסוג 2N5458 (איור 5). את המעגלים עליכם לבנות במטריצה לרכיבים אלקטרונים כאשר חיישני המתח יחוברו למחשב, ראו איור 6, לבניית המעגלים (1) לטרנזיסטור ביפולרי ו- (2) לטרנזיסטור FET.

איור 6 - מערכת המדידה

מהלך הניסוי

טרנזיסטור ביפולרי

חברו את מעגל המדידה שבאיור 6-1. המתח בין הבסיס לפולט יסופק על ידי ספק DC חיצוני. המתח המשתנה בין הפולט לקולט יסופק על ידי הממשק (בין $0-5 V$) בצורת positive ramp up.

שימו לב שצומת הבסיס-פולט מחובר בממתח קדמי.

עבור 6 מתחים של בין $2-4 V$ בצומת הפולט-בסיס, מדדו את הזרם בקולט ובבסיס כפונקציה של המתח בין הקולט לפולט. הסבירו את התוצאות.

בנו גרף של הגברת הטרנזיסטור כפונקציה של המתח בין הקולט לפולט. הגברת הטרנזיסטור היא היחס $\beta$ בין הזרם בקולט לזה של הבסיס. הסבירו.

טרנזיסטור תוצא שדה - FET

חברו את המעגל שבאיור 6-2. חברו את המעגל כך שמתח הgate יהיה שלילי (מה משמעותו של חיבור כזה?). בחלק זה מתח ה-gate יסופק על ידי מקור מתח DC חיצוני. המתח המשתנה בין ה-source ל-drain יסופק על ידי הממשק (בין $0-5 V$) בצורת positive ramp up.

עבור 5 מתחי gate שלילי של בין $0-2 V$, מדדו את הזרם בטרנזיסטור כפונקציה של המתח source-drain.

כעת הפעילו על ה-gate מתח חיובי של 0.5V, ומדדו את הזרם בטרנזיסטור כפונקציה של המתח source-drain.

הסבירו את התוצאות המתקבלות.