Jakub Jończyk

E.D.3.5

Tranzystory

Tranzystor bipolarny jest przyrządem półprzewodnikowym, będącym kombinacją dwóch złącz p-n, w konfiguracji p-n-p lub n-p-n. Obszary skrajne, zwane obszarami kolektora i emitera o jednakowym typie przewodnictwa, są rozdzielone bardzo cienkim obszarem bazy. Zasady działania obu typów tranzystorów są jednakowe, różnica występuje jedynie w polaryzacji źródeł zasilania i kierunkach przepływu prądu.

Jeżeli do elektrod emitera i kolektora zostanie doprowadzone napięcie, to niezależnie od jego polaryzacji oraz typu tranzystora (p-n-p lub n-p-n), zawsze jedno ze złącz będzie spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a drugie w zaporowym. W tej sytuacji przez tranzystor może płynąć jedynie prąd wsteczny złącza spolaryzowanego zaporowo. Sytuacja jednak się zmieni, jeśli do elektrody bazy doprowadzimy napięcie, powodując wprowadzenie złącza baza-emiter w stan przewodzenia. Zjawiska powstające w bardzo cienkim obszarze bazy powodują, ze możliwy staje się przepływ prądu przez spolaryzowane zaporowo złącze kolektor-baza. Mechanizm zjawiska sprawia, że strumień prądu wpływającego (lub wypływającego- zależy to od typu tranzystora) do emitera rozdziela się na niewielki prąd bazy i znacznie większy prąd kolektora.

Rys1. Rozpływ prądów w tranzystorze n-p-n, spolaryzowanym normalnie.

Przy braku polaryzacji bazy przez tranzystor płynie pewien niewielki prąd. Mechanizm jego powstawania jest analogiczny jak w przypadku prądu wstecznego złącz p-n. Prąd ten zwany jest prądem zerowym. Wartość jego jest różna, w zależności od tego w jaki sposób połączona jest baza, jest jednak w małym stopniu zależna od wartości napięcia U_CE, dla których następuje lawinowo przebicie.

Przekroczenie odpowiedniej wartości napięć może spowodować zniszczenie tranzystora. Wartości prądów zerowych zależą od temperatury i typu półprzewodnika, użytego do budowy tranzystora. Są one znaczne w tranzystorach germanowych, a w krzemowych można je w wielu przypadkach pominąć, ze względu na ich niewielką wartość.

Rys. 2 Trzy podstawowe rodzaje prądów zerowych tranzystora.

Tranzystor jest elementem czynnym, sterowanym i w zależności od układu pracy może wykazywać silniejsze, bądź słabsze własności wzmacniające. Wynikają one z różnic prądów płynących w poszczególnych obszarach, a ściśle mówiąc z różnic przyrostów prądów. Na przykład mała zmiana wartości prądu bazy może powodować duże zmiany prądu kolektora. W tranzystorze wyróżniamy obwód sterowania (wejściowy) i obwód wyjściowy, w którym obserwujemy efekty zmian wejściowych. Obwodem wejściowym może być obwód baza-emiter bądź baza-kolektor, wyjściowym kolektor-baza lub kolektor-emiter. Stąd istnieją trzy podstawowe układy pracy tranzystora: układ wspólnej bazy, układ wspólnego kolektora i układ wspólnego emitera.

Rys 3. Układ wspólnej bazy.

Rys 4. Układ wspólnego kolektora.

Rys 5. Układ wspólnego emitera.

Tranzystor może być opisany dwiema metodami. Pierwsza stosuje tzw. parametry podstawowe, określane dla małych, liniowych zmian sygnałów wejściowych i wyjściowych. Druga operuje charakterystykami, Przedstawiającymi wzajemne zależności między tymi sygnałami w całym obszarze pracy tranzystora.

Parametry przyrostowe są stosowane w tzw. opisie czwórnikowym. Tranzystor, w każdym z podstawowych układów pracy może być potraktowany jako czwórnik, tj. element o dwóch zaciskach wejściowych i dwóch wyjściowych. Napięcia i prądy na zaciskach czwórnika są powiązane między sobą w określony sposób. Powiązania te można uszeregować, w zależności od tego, które parametry będziemy traktować jako zmienne niezależne (przyczyny zmian). Dla tranzystorów istotne znaczenie mają równania:

równanie charakterystyki wejściowej:

1. U₁=f(I₁) dla U₂=const

-1. równanie charakterystyki oddziaływania wstecznego:

U₁=f(U₂) dla I₁=const

równanie charakterystyki przejściowej:

I₂=f(I₁) dla U₂=const

równanie charakterystyki wyjściowej:

I₂=f(U₂) dla I₁=const

Przez poszczególne wartości U₁, U₂, I₁ i I₂ rozumiemy napięcia i prądy odpowiednich elektrod. Przedstawienie graficzne równań dla poszczególnych układów pracy w całym zakresie zmienności tworzy rodzinę charakterystyk statycznych tranzystora. Można z nich odczytać, poprzez określenie przyrostów poszczególnych sygnałów, współczynniki charakterystyczne, takie jak np.: rezystancję wejściową h₁₁, wzmocnienie prądowe h₂₁, lub rezystancję wyjściową h₂₂.

Rys 6. Rodzina charakterystyk statycznych tranzystora bipolarnego.

Zależność	Układ
	wspólna baza	wspólny emiter	wspólny kolektor
ch-ka wejściowa impedancja wejściowa	UEB=f(IE)UCB=const h11B=	UBE=f(IB)UCE=const h11E=	UBC=f(UEC)IB=consth11C=
ch-ka oddziaływania wstecznego	UEB=f(UCB)IE=const h12B=	UBE=f(UCE)IB=const h12E=	UBC=f(UEC)IB=const h12C=
ch-ka przejściowa współcz. wzmocnienia prądowego	IC=f(IE)UCB=const h21B=	IC=f(IB)UCE=const h21E=	IE=f(IB)UEC=const h21C=
ch-ka wyjściowa impedancja wyjściowa	IC=f(UCB)IE=const h22B=	IC=f(UCE)IB=const h22E=	IE=f(UEC)IB=const h22C=

Tranzystor jest przeznaczony zarówno do pracy w układach stałoprądowych, jak i zmiennoprądowych. W układach zmiennoprądowych zaczynają odgrywać rolę składowe bierne parametrów tranzystora - głównie pojemności złącz. Istnienie tych składowych sprawia, że parametry czwórnika zastępczego składają się z części rzeczywistej (składowe czynne) i urojonej (składowe bierne). Dlatego też w zakresie wielkich częstotliwości jest korzystniejsze przyjęcie w opisie tranzystora innego zestawu równań, posługujących się np. współczynnikami admitancyjnymi y.

---