Tranzystory są urządzeniami półprzewodnikowymi umożliwiającymi sterowanie przepływem dużego prądu, za pomocą prądu znacznie mniejszego. Wykorzystuje się je do wzmacniania małych sygnałów oraz przetwarzania informacji w postaci cyfrowej. Nazwa "tranzystor" pochodzi z połączenia słów transfer i rezystor.

    Nazwa bipolarne dotyczy tranzystorów, w których transport ładunków odbywa się za pośrednictwem obu rodzajów nośników jakie istnieją w półprzewodniku, tzn. elektronów i dziur. Półprzewodniki, w których na skutek nieregularności sieci krystalicznej przeważają nośniki typu dziurowego nazywa się półprzewodnikami typu p (niedomiarowymi), gdy przeważają nośniki elektronowe nazywa się je półprzewodnikami typu n (nadmiarowymi).

    Tranzystor bipolarny składa się z trzech obszarów półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa, co powoduje powstanie dwóch złączy: p-n i n-p.

    Istnieją dwie możliwe konfiguracje złączy p-n i n-p prowadzące do powstania dwóch rodzajów tranzystorów bipolarnych.

Symbole graficzne tranzystorów npn i pnp oraz ich diodowe modele zastępcze.

Zasada działania

    Zasada działania tranzystora bipolarnego omówiona zostanie na podstawie tranzystora NPN:

Przepływ prądu w tranzystorze npn

    Przez złącze BE tranzystora npn przepływają nośniki większościowe ładunku, w tym przede wszystkim elektrony swobodne z emitera (typ n) do bazy. Również dziury z obszaru bazy (typ p) przepływają przez złącze do emitera. Prąd dziurowy jest znacznie mniejszy ze względu na mniejszą liczbę dziur, wynikającą z mniejszej objętości emitera. Mniejsza część elektronów swobodnych po osiągnięciu obszaru bazy wypełnia istniejące tam dziury, czyli podlega procesowi rekombinacji. Znacznie większa część elektronów swobodnych po znalezieniu się w obszarze bazy jest przyciągana przez kolektor i przepływa przez złącze BC spolaryzowane zaporowo, tak jak własne nośniki mniejszościowe bazy. Wypływające z emitera elektrony swobodne tworzą prąd emitera I_E, który rozdziela się w obszarze bazy na mały prąd bazy I_B i duży prąd kolektora I_C.

Podstawowe parametry tranzystora

    Bardzo ważnym jest aby strata elektronów w bazie była jak najmniejsza. Miarą tego na ile prąd kolektora odpowiada prądowi emitera jest współczynnik α nazywany zwarciowym współczynnikiem wzmocnienia prądowego prądu emitera (współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WB), definiowany jako:

α = (I_C-I_C0)/I_E

    gdzie I_C0 jest prądem złącza kolektorowego spolaryzowanego zaporowo przy I_B=0.

    Konstrukcja tranzystora bipolarnego, a głównie małe rozmiary bazy sprawiają, że stosunek między prądem kolektora, a prądem bazy jest stały. Stosunek I_C/ I_B nazywa się współczynnikiem wzmocnienia prądowego prądu bazy (współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WE) i oznacza się symbolem β.

I_E = I_C + I_B
I_C = βI_B

    Zależność pomiędzy obydwoma współczynnikami opisuje równanie:

β = α / (1-α)

    Stały stosunek I_C/ I_B oznacza, ze pewnej wartości prądu bazy I_B odpowiada określona wartość prądu kolektora I_C. Można zatem zmieniać prąd bazy po to aby uzyskiwać β-krotnie większe zmiany prądu kolektora. Uzyskuje się zatem wzmocnienie przez tranzystor mocy sygnału sterującego. Większą moc sygnału w obwodzie kolektora otrzymuje się kosztem mocy czerpanej z zasilacza.

    Dla sygnałów zmiennoprądowych o małych amplitudach tranzystor jest czwórnikiem liniowym. Czwórnik opisywany jest za pomocą czterech wielkości wyrażających napięcia i prądy na jego wejściu i wyjściu. Aby móc opisać go za pomocą układu równań dwóch zmiennych należy dwie z czterech wielkości czwórnika opisać za pomocą dwóch pozostałych. W zależności od tego, które ze zmiennych uznane zostaną za zmienne zależne, a które za zmienne niezależne otrzymać można 6 różnych układów równań. Najczęściej wykorzystywane są jednak układy z parametrami:

a) impedancyjnymi:

U₁ = z₁₁I₁ + z₁₂I₂
U₂ = z₂₁I₁ + z₂₂I₂

b) admitancyjnymi:

I₁ = y₁₁U₁ + y₁₂U₂
I₂ = y₂₁U₁ + y₂₂U₂

c) mieszanymi h (układ z parametrami hybrydowymi):

U₁ = h₁₁I₁ + h₁₂U₂
I₂ = h₂₁I₁ + h₂₂U₂

    Wykorzystane w tych równaniach parametry h, mają następujący sens fizyczny:

- impedencja wejściowa przy zwartym wyjściu;
- współczynnik sprzężenia zwrotnego przy rozwartym wyjściu;
- współczynnik sprzężenia prądowego przy zwartym wyjściu;
- admitancja wyjściowa przy rozwartym wyjściu

    Tranzystory, tak zresztą jak inne elementy elektroniczne, mają charakterystyczne dla siebie parametry graniczne, tzn. takie których przekroczenie grozi uszkodzeniem tranzystora. Są to:

U_EBOmax - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
U_CBOmax - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
U_CEOmax - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
I_cmax - maksymalny prąd kolektora
I_Bmax - maksymalny prąd bazy
P_stmax - maksymalna dopuszczalna moc strat

    Parametry takie jak I_cmax, U_CEOmax, P_strmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy, który nosi również nazwę "dozwolonego obszaru pracy aktywnej" w skrócie SOA (Safe Operating Area).
    Na poniższym wykresie charakterystyki wyjściowej tranzystora pokazano przykład dozwolonego obszaru pracy tranzystora:

    Oprócz parametrów granicznych w katalogach podawane są również często i inne parametry. W poniższej tabelce podane zostały parametry dla przykładowych tranzystorów.

    Parametry tranzystorów bipolarnych w znacznym stopniu zależą również od temperatury. Prąd zerowy I_CBO jest w przybliżeniu wykładniczą funkcji temperatury i przy jej wzroście o 10K w przybliżeniu podwaja swoją wartość. Tranzystory krzemowe - ze względu na małą wartość I_CBO - mogą być stosowane aż do temperatury ok. 473 K (200 C). Współczynnik wzmocnienia prądowego wzrasta na ogół ze wzrostem temperatury. Wzrost ten jest rzędu kilku procent na stopień kelwina. Przy stałej wartości prądu bazy, napięcie baza-emiter U_BE za wzrostem temperatury maleje.

Sposoby polaryzacji tranzystora

    Tranzystor składa się z dwóch złączy PN, które mogą być spolaryzowane w kierunku zaporowym lub przewodzenia. W związku z tym można wyróżnić cztery stany pracy tranzystora.

Stan tranzystora	Kierunki polaryzacji złączy tranzystora
	Złącze emiter-baza
Zatkanie	Zaporowy
Przewodzenie aktywne	Przewodzenia
Nasycenie	Przewodzenia
Przewodzenie inwersyjne	Zaporowy

    Najważniejszym z tych nich jest obszar pracy aktywnej, gdyż to właśnie w tym obszarze tranzystor wykazuje swoje właściwości wzmacniające, które są wykorzystywane praktycznie.

    Tranzystor pracujący w układach analogowych musi być w stanie aktywnym, a w układach cyfrowych - w stanach zatkania lub nasycenia.

Układy pracy tranzystora

    Tranzystor jako element trójkońcówkowy, czyli trójnik może być połączony w układzie elektronicznym w rozmaity sposób. W matematycznym opisie tranzystora - trójnika - traktuje się go zwykle jako czwórnik, przyjmując jedną z końcówek jako wspólną dla wejścia i wyjścia. W zależności od tego, którą z końcówek wybieramy za wspólną, rozróżnia się konfiguracje:

1. Układ ze wspólnym emiterem OE (WE)

2. Układ ze wspólną bazą OB. (WB)

3. Układ ze wspólnym kolektorem OC (WC)

    Wybór układu pracy jest zależny od przeznaczenia i rodzaju zastosowanego tranzystora.

    Tranzystor pracujący w układzie OE jest najczęściej używany w układach elektronicznych ponieważ charakteryzuje się:

- dużym wzmocnieniem prądowym
- dużym wzmocnieniem napięciowym
- dużym wzmocnieniem mocy

    Napięcie wejściowe w OE jest odwrócone w fazie o 180 st. W stosunku do napięcia wejściowego. Rezystancja wejściowa jest rzędu kilkuset Ω, a wyjściowa wynosi kilkadziesiąt k Ω.

    Tranzystor pracujący w układzie OB. ma:

- małą rezystancję wejściową
- bardzo dużą rezystancje wyjściową
- wzmocnienie prądowe bliskie jedności

    Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo dużych częstotliwościach granicznych, niekiedy nawet rzędu GHz.

    Tranzystor pracujący w układzie OC charakteryzuje się:

- dużą rezystancją wejściową (co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej częstotliwości)
- wzmocnieniem napięciowym równym jedności (stąd jest nazywany również wtórnikiem emiterowym)
- dużym wzmocnieniem prądowym

Podstawowe charakterystyki

    Tranzystor pracujący w dowolnym układzie pracy charakteryzują prądy przez niego płynące i napięcia panujące na jego zaciskach. W związku z tym można określić cztery rodziny statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych. Które przedstawione zostały na poniższych rysunkach:

1) Charakterystyka wyjściowa tranzystora, przedstawiająca zależność prądu kolektora I_C od napięcia kolektor-emiter U_CE przy doprowadzonym napięciu wejściowym baza-emiter U_BE i stałym prądzie bazy I_B. Z charakterystyki tej można stwierdzić iż powyżej pewnego napięcia prąd kolektora prawie nie zależy od napięcia U_CE, oraz że do wywołania dużej zmiany prądu kolektora ΔI_C wystarczy mała zmiana napięcia baza-emiter ΔU_BE
2) Charakterystyka przejściowa przedstawia prąd kolektora I_C jako funkcję napięcia baza-emiter U_BE, oraz I_B =const. Charakterystyka ta ma charakter wykładniczy.
3) Charakterystyka wejściowa opisuje zależność prądu bazy I_B od napięcia baza-emiter U_BE, przy stałym napięciu kolektor-emiter U_CE. Charakterystyka ta, podobnie jak i następna jest wykorzystywana rzadziej od dwóch wcześniejszych.
4) Charakterystyka zwrotna przedstawia zależność prądu kolektora od prądu kolektora I_C od prądu bazy I_B, przy U_CE=const Widać na niej, że prąd kolektora jest w pewnym stopniu proporcjonalny do prądu bazy.

    Znając charakterystykę wejściową i wyjściową (podawane w katalogach), można wyznaczyć dwie pozostałe poprzez rzutowanie na oś odpowiednich punktów należących do znanych charakterystyk. Postać charakterystyki wejściowej i wyjściowej jest taka sama, jak charakterystyki złącza półprzewodnikowego polaryzowanego odpowiednio w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym.

Schematy zastępcze tranzystora bipolarnego w różnych układach pracy

    Schematy zastępcze tranzystora wykorzystuje się wówczas, gdy należy przeprowadzić analizę pracy danego układu elektronicznego. Wyboru właściwego schematu dokonuje się w zależności od wielkości występujących sygnałów. Poniżej przedstawione zostały schematy zastępcze tranzystorów dla parametrów małosygnałowych, w różnych układach pracy.

    W układzie WE (OE):

    W układzie WB (OB):

    W układzie WK (OC):