Tranzystory:

•Pierwszy tranzystor

•Budowa i zasada działania

•Rodzaje tranzystorów

•Zastosowanie

•Wzmacniacze i falowniki

Historia Tranzystora

• W laboratoriach Bella w USA, kierowanych

przez Bardeena i Brattaina, w 1947 roku

wykonano pierwszy tranzystor z małego

kawałka metalopodobnego pierwiastka

chemicznego: germanu. Urządzenie

doświadczalne wyglądało prymitywnie, ale

mogło wzmacniać moc sygnału 100-krotnie.

Wynalezienie tranzystora uważa się za przełom

w elektronice, zastąpił on bowiem duże,

zawodne lampy elektronowe, dając początek

coraz większej miniaturyzacji przyrządów i

urządzeń elektronicznych. Dzisiaj wszystkie

komputery i urządzenia elektroniczne pracują

na tej samej zasadzie.

Pierwszy Tranzystor

• Tranzystor ostrzowy o małych możliwościach

zastosowań praktycznych) skonstruowali w 1948
roku J. Bardeen, W.H. Brattain (USA). A tranzystor
warstwowy (bipolarny) w 1949 roku - W.B. Shockley
(USA). Wynalezienie tranzystora uważane jest za
początek rewolucji elektronicznej XX w. Opracowanie
w latach 60. metody fotograficznego maskowania i
warstwowego trawienia, umożliwiającej
miniaturyzację tranzystora, spowodowało znaczne
potanienie produkcji i w konsekwencji masowe
wytwarzanie tranzystorów oraz, zawierających ich
setki, tysiące, a nawet miliony, układów scalonych

• W roku 2001 Holenderscy naukowcy z

Uniwersytetu w Delft stworzyli tranzystor

składający się z jednej cząsteczki!

Rozmiar tego cudu miniaturyzacji wynosi

zaledwie jeden nanometr (10 -9 m), a do

zmiany swojego stanu (włączony /

wyłączony) potrzebuje on tylko jednego

elektronu! Naukowcy przewidują, że ich

wynalazek pozwoli na konstruowanie

układów miliony razy szybszych od

obecnie stosowanych, przy czym ich

wielkość pozwoli na dalszą

miniaturyzację elektronicznych urządzeń

Obecny wygląd

tranzystora

Jak jest zbudowany

tranzystor i jak działa?

• Tranzystor (z ang. Transfer Resistor)

jest to element czynny układów
elektronicznych służący do
wzmacniania sygnałów elektrycznych
(trioda półprzewodnikowa, obecnie
głównie krzemowa). Ogólnie mówiąc,
tranzystor jest elementem
wzmacniającym sygnały elektryczne.

Rysunki tranzystora:

Rodzaje tranzystorów:

• tranzystory bipolarne

(iniekcyjne) - są to elementy
dwuzłączowe i jednozłączowe,
najczęściej wykonywane z
krzemu, rzadziej z germanu;

• tranzystory unipolarne (polowe)

to tranzystor, w którym
sterowanie prądem odbywa się
za pomocą pola elektrycznego
(stąd nazwa).

Tranzystor bipolarny

•

Tranzystor bipolarny jest

elementem

elektronicznym

składającym się z trzech

warstw

półprzewodnikowych

różniących się typem

przewodnictwa.

Rozróżnia się dwa typy

tranzystorów

bipolarnych p-n-p oraz

n-p-n. Oznaczamy je tak

jak przedstawiono to na

rysunku obok.

• Tranzystor jest trójnikiem (to

znaczy ze ma trzy wyprowadzenia)
o odpowiednich nazwach

• B- baza , C- kolektor , E-emiter.

Ogólnym zastosowaniem
tranzystora jest wzmacnianie
sygnały wpływającego do bazy
(rzędu mikro amper) do sygnałów
rzędu miliamper (emiter,
kolektor).

• Zasada działania tranzystora bipolarnego od

strony 'użytkowej' polega na sterowaniu

wartością prądu kolektora za pomocą prądu

bazy. (Prąd emitera jest zawsze sumą prądu

kolektora i prądu bazy). Prąd kolektora jest

wprost proporcjonalny do prądu bazy,

współczynnik proporcjonalności nazywamy

wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy

symbolem h21E lub grecką literą ß Napięcie

przyłożone do złącza baza-emiter przyłożone w

kierunku przewodzenia wymusza przepływ

prądu przez to złącze - nośniki większościowe

(elektrony w tranzystorach NPN lub dziury w

tranzystorach PNP) przechodzą do obszaru

bazy, (stąd nazwa elektrody: emiter, bo emituje

nośniki).

• Nośniki wprowadzone do obszaru bazy przechodzą

bezpośrednio do kolektora - jest to możliwe dzięki

niewielkiej grubości obszaru bazy - znacznie mniejszej

niż droga swobodnej dyfuzji nośników ładunku w tym

obszarze (ok. 0.01-0.1mm), co pozwala na łatwy

przepływ nośników przechodzących przez jedno ze

złącz do obszaru drugiego złącza - nośniki

wstrzyknięte do bazy niejako „siłą rozpędu” dochodzą

do złącza kolektor baza. Ponieważ złącze to jest

spolaryzowane w kierunku zaporowym to nośniki

mniejszościowe są „wsysane” do kolektora. Prąd bazy

składa się z dwóch głównych składników: prądu

rekombinacji i prądu wstrzykiwania.

• Prąd rekombinacji to prąd powstały z

rekombinowania wstrzykniętych do bazy nośników

mniejszościowych z nośnikami większościowymi w

bazie. Jest tym mniejszy im cieńsza jest baza.

• Prąd wstrzykiwania jest to prąd złożony z nośników

wstrzykniętych z bazy do emitera, jego wartość zależy

od stosunku koncentracji domieszek w obszarze bazy i

emitera.

Tranzystory polowe

• Tranzystor polowy (skrót FET, ang. Field Effect

Transistor) to tranzystor, w którym sterowanie

prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego

(stąd nazwa).

• Zasadniczą częścią tranzystora polowego jest

kryształ odpowiednio domieszkowanego

półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem

(symbol S od angielskiej nazwy source) i drenem (D,

drain). Pomiędzy nimi tworzy się tzw. kanał, którym

płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia

elektroda, zwana bramką (G, gate). Przyłożone do

bramki napięcie wywołuje w krysztale dodatkowe

pole elektryczne, które wpływa na rozkład nośników

prądu w kanale. Skutkiem tego jest zmiana

przekroju kanału, co objawia się jako zmiana oporu

źródło - dren. W tranzystorach epiplanarnych

(również w przypadku układów scalonych, w których

wytwarza się wiele tranzystorów na wspólnym

krysztale) wykorzystuje się jeszcze czwartą

elektrodę, tzw. podłoże (B, bulk albo body), służącą

do odpowiedniej polaryzacji podłoża.

Rysunki tranzystorów

polowych:

Odpowiednio do technologii wykonania rozróżnia się dwa

główne typy tranzystorów polowych:

• złączowe (JFET, Junction FET), w których bramka jest

połączona z obszarem kanału. Tranzystor unipolarny

JFET ma trzy elektrody:

a) Źródło, oznaczone literą S (ang. Sourse), jest elektrodą,

z której wpływają nośniki do kanału.

b) Dren, oznaczony literą D (ang. Drain), jest elektrodą,

do której dochodzą nośniki ładunku.

c) Bramka, oznaczona literą G (ang. Gate), jest elektrodą

sterującą przepływem ładunku z izolowaną bramką

(IGFET, Insulated Gate FET).

Wśród tranzystorów złączowych, stosownie do typu

połączenia bramki, rozróżnia się:

• tranzystory ze złączem p-n (PNFET),
• tranzystory ze złączem metal-półprzewodnik (MESFET,

MEtal-Semiconductor FET),zaś wśród tranzystorów z

bramką izolowaną najszerzej stosowane są tranzystory

MOSFET

• Ze względu na budowę i sposób działania (znikomy prąd

bramki) tranzystory polowe charakteryzują się bardzo

dużą rezystancją wejściową i dużą transkonduktancją.

Budowa tranzystora

polowego:

Zastosowanie

Tranzystorów:

1. Wzmacniacze:
• Wyłączniki analogowe
• Tłumiki sterowane napięciowo.
• Mostki z automatycznym równoważeniem.
• Sterowaniem częstotliwością rezonansową

oraz dobrocią filtrów aktywnych i
pasywnych.

• Mnożenie i dzielenie sygnałów analogowych.
• Regulacja współczynnika sprzężenia

zwrotnego we wzmacniaczu lub generatorze.

• Sterownie napięciowe przesuwników

fazowych.

Część II

Falowniki

• Falownik – urządzenie elektryczne

zamieniające prąd stały, którym jest
zasilane, na prąd przemienny o
regulowanej częstotliwości wyjściowej.
Jeśli w falowniku zastosuje się
modulację szerokości impulsów
oznaczaną w języku polskim skrótem
MSI a w języku angielskim PWM
(Pulse Width Modulation) to
równocześnie ze zmianą częstotliwości
można regulować wartość napięcia
wyjściowego.

Widok przykładowych

falowników:

• Falowniki służą głównie do regulacji

prędkości obrotowej silników

elektrycznych prądu przemiennego.

Mają obecnie bardzo szerokie

zastosowanie w budowie maszyn,

pozwalając m.in. na łagodny rozruch

ciężkich maszyn lub na dostosowywanie

wydajności maszyn do pozostałych

urządzeń w linii produkcyjnej. Także

chętnie stosowane w urządzeniach AGD

np. do zmiany prędkości obrotowej

bębna pralki podczas prania i

wirowania. Oprócz tego falowniki

stanowią element składowy niektórych

zasilaczy impulsowych.

W zależności od rodzaju

źródła zasilania falownika

wyróżnia się:

• falowniki napięcia - zasilane ze źródła

napięciowego - na wejściu falownika

jest kondensator ew. bateria

kondensatorów o dużej pojemności,

• falowniki prądu - zasilane ze źródła

prądowego - na wejściu falownika

prądu jest dławik.

• Falowniki zasilane są często z sieci

prądu przemiennego przez
niesterowany prostownik diodowy
lub sterowany prostownik
tyrystorowy ew. prostownik
tranzystorowy. Taki układ, czyli
prostownik + falownik + obwód
pośredniczący z kondensatorem
(dla falownika napięcia) lub
dławikiem (dla falownika prądu),
nazywany jest przetwornicą
częstotliwości, inwerterem
(inwertorem)

Część III

Wzmacniac

Rysunek dowolnego

wzmacniacza:

• Wzmacniacz elektryczny (wzmacniacz)

to układ elektroniczny, którego
zadaniem jest wytworzenie na wyjściu
sygnału o wartości większej,
proporcjonalnej do sygnału
wejściowego. Dzieje się to kosztem
energii pobieranej z zewnętrznego
źródła zasilania.

• Wzmacniacze są budowane przy użyciu

elementów aktywnych (niegdyś lamp
elektronowych, obecnie tranzystorów).