bélyegkép|263px|Különböző kialakítású tranzisztorok – az egyes típusok feletti feliratok a tranzisztor tokozását (kialakítását) jelzik
A tranzisztor háromrétegű félvezető eszköz, amelyet túlnyomórészt gyenge villamos jelek erősítésére, továbbá jelek kapcsolására vagy feszültségstabilizálás céljára alkalmaznak. A három réteg kémiailag eltérő adalékolású, amely két p-n átmenetet tartalmaz. A tranzisztor a modern elektronika alapeleme, gyártják önálló alkatrészként és integrált áramkörök alkotóelemeiként is.
Az első tranzisztor létrehozása bélyegkép|Az első tranzisztor rekonstrukciója
Számos amatőr kísérletezett azzal, hogy a kristálydetektort (korabeli félvezetődiódát) az elektroncsövekhez hasonlóan vezérlőelektródával lássa el, amelyet azután a rádióvételben kívántak hasznosítani. Megfelelő technológiai kapacitás és publikáció hiányában azonban ezen kísérletek többsége rejtve maradt. Vezérlő elektródával ellátott félvezető alkalmazási kísérletre mindössze két dokumentálható forrás ismert, Oleg Vlagyimirovics Loszev (1922, 1923) (oroszul) és Kemény Károly (1930) tollából.Kemény Károly: A kristály – Az antennára visszacsatolt kristálydetektoros készülék, h.n., Rádió- és Fotoamatőr, V. évf. 12. sz., 1930.Dr. Kutor Károly: Az áramkörök aktív elemei, az áramkörgyártás főbb technológiái, jegyzet
Más úton indult el Julius Edgar Lilienfeld fizikus, aki 1925. október 22-én szabadalmaztattaJulius Edgar Lilienfeld: Method and apparatus for controlling electric current, Szabadalmi szám: US 1745175, Kanada, 1925. 10. 22. eljárását, amely a mai térvezérlésű MES-FET-tranzisztornak felel meg.http://www.ufocom.eu/pages/v_fr/m_sciences/Transistors/Histoire_transistors.htm Le transistor à effet de champ Szabadalmát azonban nem követte megvalósítás, és bevezetését az ipar is mellőzte.
1934-ben Oskar Heil szabadalmaztatottOskar Heil: Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices,Szabadalmi szám: GB 439457, Németország, 1934. 03. 02. egy más kialakítású félvezetőt, amely szintén a mai térvezérlésű tranzisztorok elődjének tekinthető. Sajnos nincsenek dokumentálható adatok arra vonatkozóan, hogy valóban készült-e működőképes eszköze akár csak laboratóriumi szinten is.
A tranzisztor dokumentálható kifejlesztését a Lucent Technologies kutatóintézetében, a Bell Laboratóriumban végezték el. A laboratóriumban három kutató: Walter Brattain, John Bardeen, William Shockley – 1934 óta kísérletezett különféle anyagokkal. Kutatásaik során két olyan anyagot vizsgáltak, amelyek félvezető tulajdonságot mutattak. Ez a két anyag a germánium és a szilícium volt. A germánium olvadáspontja 938 °C, így gyártása egyszerűbb volt, mint a szilíciumé, amelynek olvadáspontja 1414 °C.
Az első megépített tranzisztort germánium és aranylemez összepréseléséből hozta létre Walter Brattain 1947. december 24-én.John Orton: The Story of Semiconductors, Oxford University Press, 2006, Ezt az első tranzisztort kísérletképpen egy korabeli erősítő egyik elektroncsövének helyébe építették be, amelyet elsőként a vezetőség öt tagja előtt mutattak be, akik megbizonyosodhattak az új alkatrész működőképességéről.
Az új eszközt 1948. június 17-én szabadalmaztatták. Az eszköz számára megfelelő megnevezést keresve több ötlet felmerült, a tranzisztor nevet a távközlési részleg vezetője, John Pierce adta az alkatrésznek. A tranzisztor létrehozása kezdetben nem vert fel nagy port, lassan ment át a köztudatba, de végül alapjaiban átalakította az elektronikai ipart. Walter Brattain, John Bardeen és William Shockley munkásságát később elismerték, és 1956-ban mindhárman Nobel-díjat kaptak találmányukért.
A tranzisztor elnevezés az angol transfer-resistor (kb. „átengedés-ellenállás”) szavakból képzett mozaikszó.
Tranzisztor és az elektronika fejlődése Az 1950-es évekig aktív erősítő alkatrészként csak az elektroncsövek (vákuumcső) használata volt lehetséges. A csövek hátránya volt a nagy méretük és a katódfűtés miatti nagy fogyasztásuk. A legrégebbi elektronikus számítógépek, amelyek szoba méretűek voltak, több ezer csövet tartalmaztak. A csöveket szinte folyamatosan cserélni kellett bennük, emiatt egy hosszadalmas számítást szinte lehetetlen volt velük elvégeztetni. A tranzisztor megjelenése gyorsan kiszorította az elektroncsöveket. Hatására a számítógépek megbízhatósága rohamosan javult, és az áramszükségletük is a töredéke lett a korábbiaknak. A tranzisztor a tömeges elterjedését a szórakoztató elektronikának köszönhette. A mindenki számára elérhető rádiót hatalmas mennyiségben gyártották. Ezek korábban a fakávába épített elektroncsöves elektronika méretei miatt kisebb bútor nagyságúak voltak (bár már elektroncsővel is építettek kisebb nagyobb táskarádiókat, ezek nem tudtak elterjedni). Amikor a tranzisztor felváltotta az elektroncsöveket, a méretek kezdetben egy női táska nagyságúra csökkentek,http://www.lalsace.fr/actualite/2015/03/30/les-transistors-font-l-histoire Les transistors font l’histoire és tovább zsugorodtak. Így jöttek létre a táska-, majd a zsebrádiók. A tranzisztorok által kiváltott méret- és súlycsökkentés több új iparág fejlődését is elősegítette, például az űrhajózásét. Eleinte a híradástechnikában a nagy újítás nem a kis méret (hiszen léteztek szubminiatűr elektroncsövek is) hanem az, hogy nem kellett a csöveknél megszokott, percekig tartó bemelegedési időt kivárni.
A tranzisztorok elterjedését eleinte nehezítette, hogy azonos feladat ellátására általában több tranzisztor volt szükséges, mint elektroncső. Például egy néprádió 4 elektroncsővel (3+1) épült fel, míg egy zsebrádió 7 vagy 9 tranzisztorból állt. bélyegkép|jobbra|Germánium tranzisztor az 1960-as évekből. (Az üveg tokozatról a fekete fedőfestés részben eltávolítva.) Az első germánium tranzisztorok műgyanta tokozását felváltotta a légmentesen lezárt üveg-, majd fémtok, mert a germánium felülete érzékeny a hosszútávú légköri behatásokra. A szilícium – bár néhány tulajdonságában hátrányban van a germániumból készült félvezetőkkel szemben – felületén gyártáskor létrejövő oxidréteg megvédi a félvezető eszközt, így olcsóbb műgyanta tokozás is elegendő. Szilíciumból készült tranzisztorok esetén is alkalmaznak fémtokozást, ha a tranzisztor működése közben keletkezett hőt el kell vezetni. A szilícium nagy tömegben fordul elő a természetben, így a félvezetőiparban gyorsan kiszorította a ritka és költséges germániumot. Germániumból tranzisztorokat az 1980-as évek végétől már csak pótlás céllal (pótalkatrész) gyártanak. A germánium tranzisztor érzékenyebben reagál a környezeti hőmérséklet változására, mint a szilícium alapanyagú. Szilícium tranzisztorokat gyártanak nagyfeszültségre és nagy áramerősségre is, főként az ipari hajtástechnikában.
Működési elve A tranzisztorban a vezérlő elektródájába (bázis) juttatott áram hatására a másik két elektróda (emitter és kollektor) közötti p-n átmenet kinyit, azaz az emitter és kollektor között áram folyik. A p-n átmenet nyitása függ az adott típusú tranzisztortól és a vezérlő elektródára vezetett áram nagyságától, így egy elzárószelep (vízcsap) elektromos analógiájának is tekinthető. Lényeges, hogy a vezérlő elektródára kapcsolt energiaszint töredéke a kapcsolt energiáknak.
Adalékolás Sorozatban gyártott félvezető eszközök minden egyes darabjának azonos tulajdonságot kell mutatnia, ezért gyártásukhoz laboratóriumi tisztaságú félvezetőket, egykristályt használnak. Ahhoz, hogy az eszköz megfelelően működjön, egyes rétegeinek eltérő összetételűeknek kell lennie, amelyet egyéb anyagok adalékolásával biztosítanak.
Összehasonlítás az elektroncsővel A tranzisztor nemcsak méreteiben, hanem egyéb elektromos jellemzőiben is más, mint az elektroncső, amivel szemben számos előnye és hátránya van.
Előnyei A tranzisztor alkalmazásának legfontosabb előnyei: kis méret; katódfűtés elmaradása; kisebb működési feszültség; a tranzisztoros készülék bekapcsolás után azonnal üzemkész, nincs szükség bemelegedési időre; kisebb teljesítmények miatt telepes (elemes) táplálás is megoldható a méretek miniatürizálásával; hosszú élettartam; komplementer eszközök gyártásával az áramkörök egyszerűsíthetőek, míg elektroncsőből nem gyártható komplementer elem; nagyobb mechanikai stabilitás.
Hátrányai A tranzisztor néhány tulajdonságában hátrányban van az elektroncsővel szemben. Így például: nagyfeszültségű vagy nagyteljesítményű alkalmazásokra az elektroncsövek alkalmazása előnyösebb (például mikrosütő klisztron, földi TV-adó nagyteljesítményű egysége stb.); a kommersz félvezetők egyes típusai nagyon érzékenyek az elektrosztatikus feltöltődésre, meghibásodhatnak akár egy műszálas ruha feltöltődésétől is; a pillanatnyi túlterheléseket az elektroncső jobban elviseli; érzékeny a radioaktív és kozmikus sugárzásra; nagy torzítása és nemlineáris karakterisztikája miatt nemkívánatos rádióvételi jelenségek, gerjedések keletkez(het)nek, amelyeket külön áramkörrel kell megszüntetni; elektroncsöves erősítők hangzása kellemesebb a kevesebb belső torzítás miatt.
Bipoláris tranzisztor Adalékolt félvezetőből, többnyire szilíciumból készített 3 kivezetésű elektronikai alkatrész. A bipoláris név onnan ered, hogy két, elektromosan szétválasztott (vagyis polarizált) rétegből áll (P-N és N-P). Működése során mindkét típusú töltéshordozó, az elektronok és lyukak is szerepet játszanak. Erősítőkben, szabályzó és kapcsoló áramkörökben használják.
Felépítése jobbra|bélyegkép|300px|Tranzisztor kristályának felépítése
Egy félvezető egykristályban kialakított három, eltérően adalékolt tartományból áll. Az NPN-tranzisztor esetén két n típusú tartomány között egy vékony p típusú réteg van, PNP-tranzisztor esetén pedig két p típusú réteg közé kerül egy vékony n típusú tartomány. A két szélső réteget kollektornak (C), illetve emitternek (E) nevezik, a középső réteget bázisnak (B) hívják. A félvezető rétegek két (egymással szembefordított) p-n átmenetet alkotnak, ezeket emitter-, illetve kollektordiódának nevezik. Minden réteg kivezetéssel van ellátva. A bázis jóval vékonyabb, mint a másik két réteg. A tranzisztor három rétege sokszor a félvezető kristálynak csak a felső vékony rétegét foglalja el. A kristály alsó része mechanikusan tartja a rétegeket.
Az egyes elektródák szerepe a tranzisztor működésében:
emitter (E): a töltéshordozókat kibocsátó elektróda, bázis (B): vezérlésre szolgáló elektróda, kollektor (C): a töltéshordozókat gyűjtő elektróda.
A félvezető kristály kialakítása nem szimmetrikus, ezért a kollektor és az emitter kivezetés nem cserélhető fel. Áramköri egyszerűsítés céljából azonban szimmetrikus kiegészítő (komplementer) tranzisztorokat is gyártanak, amelyeket igényesebb kivitel esetén párba válogatnak. Szimmetrikus komplementer tranzisztorpár esetén a két tranzisztor jellemzői egyformák, de bennük az áramok iránya ellentétes.
Működése A működő (nyitott) tranzisztor emitterdiódája nyitóirányban (azaz a "P" réteg pozitívabb az "N" rétegnél), kollektordiódája záróirányban (azaz a "P" réteg negatívabb az "N" rétegnél) van előfeszítve. Ez azt jelenti, hogy a PNP tranzisztor emittere mindig pozitív, az NPN tranzisztor emittere mindig negatív feszültséget kap a kollektorhoz képest (a bázis feszültsége pedig e két feszültség közötti értékű; a nyitott emitterdiódán germániumtranzisztornál kb. , szilíciumtranzisztor esetén kb. feszültség esik).
balra|bélyegkép|250px|Tranzisztor kristályában működő diffúziós folyamatok
A nyitott emitterdiódán az emitter és bázis közé kapcsolt feszültségtől függő áram folyik, az emitterből a bázisba kerülő töltések zöme azonban (a kialakuló töltésviszonyok miatt) a kollektoron át távozik, a bázisáram csekély. A kollektoráram és a bázis egyenáram viszonyát B-vel (h21E) jelölik, ez a tranzisztor áramerősítése (szokásos értéke 10-1000). (A kisjelű áramerősítési tényező, ß (h21e) pedig a kollektor- és bázis váltakozó áram hányadosa.)
A tranzisztor két működési módja: analóg (erősítő) vagy kapcsoló.