Tranzystor

trójkońcówkowy półprzewodnikowy element elektroniczny,
posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Nazwa
tranzystor pochodzi z angielskiego zwrotu "transfer resistor", który
oznacza element transformujący rezystancję.

Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów, różniące się zasadniczo
zasadą działania:

1.Tranzystory bipolarne, w których prąd wyjściowy jest funkcją prądu
wejściowego (sterowanie prądowe).
2.Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe), w których prąd
wyjściowy jest funkcją napięcia (sterowanie napięciowe).

Tranzystor ze względu na swoje właściwości wzmacniające znajduje bardzo
szerokie zastosowanie. Jest oczywiście wykorzystywany do budowy
wzmacniaczy różnego rodzaju: różnicowych, operacyjnych, mocy
(akustycznych), selektywnych, pasmowych. Jest kluczowym elementem w
konstrukcji wielu układów elektronicznych, takich jak źródła prądowe, lustra
prądowe, stabilizatory, przesuwniki napięcia, klucze elektroniczne,
przerzutniki, czy generatory.
Ponieważ tranzystor może pełnić rolę klucza elektronicznego, z tranzystorów
buduje się także bramki logiczne realizujące podstawowe funkcje
boolowskie, co stało się motorem do bardzo dynamicznego rozwoju techniki
cyfrowej w ostatnich kilkudziesięciu latach. Tranzystory są także
podstawowym budulcem wszelkiego rodzaju pamięci półprzewodnikowych

Tranzystor bipolarny – tranzystor, który zbudowany jest z trzech
warstw półprzewodników o różnym rodzaju przewodnictwa,
tworzących dwa złącza PN; sposób polaryzacji złącz determinuje
stan prac tranzystora.
Tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do warstw
półprzewodnika, nazywane:

•emiter (ozn. E),

•baza (ozn. B),

•kolektor (ozn. C).

Ze względu na kolejność warstw półprzewodnika rozróżnia się dwa
typy tranzystorów: pnp oraz npn; w tranzystorach npn nośnikiem
prądu są elektrony, w tranzystorach pnp dziury.

Stany pracy
Rozróżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego:

•stan zatkania (odcięcia): złącza BE i CB spolaryzowane są w
kierunku zaporowym,

•stan nasycenia: złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku
przewodzenia,

•stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku
przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo,

•stan aktywny inwersyjny (krócej: inwersyjny): BE zaporowo,
CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym).

Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy
wykorzystywanym we wzmacniaczach; w tym zakresie pracy
tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym
(kilkadziesiąt-kilkuset).
Stany nasycenia i zaporowy stosowane są w technice impulsowej, jak
również w układach cyfrowych.
Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowanych,
ponieważ ze względów konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje
się wówczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym
(normalnym), m.in. mniejszym wzmocnieniem prądowym.

można powiedzieć, że w tranzystorze złącze baza-emiter i kolektor-baza
zachowują się jak diody. Aby tranzystor znajdował się w stanie normalnej pracy to
muszą być spełnione następujące warunki:

•dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału
emitera,

•dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału
emitera,

•„dioda” baza-emiter musi być spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a
„dioda” kolektor-baza w kierunku zaporowym,
•nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości I

C

, I

B

, U

CE

, moc

wydzielana na kolektorze I

C

· U

CE

, temperatura pracy czy też napięcie U

BE

.

Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy czyli spełnia powyższe warunki
to z dobrym przybliżeniem prawdziwą jest zależność, którą warto zapamiętać:

gdzie h

FE

jest współczynnikiem wzmocnienia prądowego nazywanego również betą.

Współczynnik ten może przyjmować wartości od 50 do 300A/A dla tego samego typu tranzystora,
a więc nie jest parametrem na którym można opierać parametry projektowanego układu.

I

C

=h

FE

· I

B

=·I

B

npn

pnp

tranzystor pracujący w układzie wzmacniacza. Złącze kolektor-
baza jest spolaryzowane zaporowo (bateria E

C

), natomiast

złącze baza-emiter w kierunku przewodzenia (bateria E

B

)

rozpływ prądu w tranzystorze npn. Ponieważ złącze
baza-emiter jest spolaryzowane w kierunku
przewodzenia to istnieje przepływ dziur z obszaru p do
obszaru n oraz przepływ elektronów z obszaru n do
obszaru p.
   Elektrony wprowadzane z emitera do bazy stają się
tam nośnikami mniejszościowymi i drogą dyfuzji
oddalają się od złącza emiterowego. Część tych
elektronów łączy się z dziurami, których w bazie jest
bardzo dużo (obszar p). Wszystkie elektrony, które
dotrą w pobliże złącza kolektor-baza są unoszone do
obszaru kolektora. Dla niedużej szerokości obszaru p
(bazy) praktycznie wszystkie elektrony wstrzykiwane
przez emiter do bazy dotrą do kolektora. Bardzo
ważnym jest aby strata elektronów w bazie była jak
najmniejsza.

Miarą tego na ile prąd kolektora odpowiada
prądowi emitera jest współczynnik a
nazywany współczynnikiem wzmocnienia
prądowego, przy dużych sygnałach
definiowany jako:

=(I

C

-I

C0

)/I

E

gdzie I

C0

jest prądem złącza kolektorowego

spolaryzowanego zaporowo przy I

B

=0. W

tranzystorach krzemowych wartość prądu
I

C0

(zależąca od temperatury) jest rzędu 0,001pA

do 0,01pA i można go spokojnie pominąć. Dla
większości tranzystorów wartość a zawiera się w
granicach od 0,95 do 0,99 czyli praktycznie 1.

prąd bazy I

B

składa się z prądu dziurowego płynącego od bazy do emitera i z

prądu wynikającego z rekombinacji dziur w obszarze bazy.
   Tranzystory wykonywane są tak aby oba te prądy były jak najmniejsze.
Osiągane jest to w ten sposób, że obszar n emitera jest bardzo silnie
domieszkowany i prąd elektronowy złącza baza-emiter jest zdecydowanie
większy od prądu dziurowego. W celu zmniejszenia drugiego składnika prądu
bazy czyli prądu wywołanego rekombinacją, zmniejsza się obszar bazy.
W efekcie prąd bazy I

B

ma wartość bardzo małą w porównaniu z prądem

kolektora I

C

.

   W rezultacie można powiedzieć, że mały prąd wejściowy bazy I

B

steruje

znacznie większym prądem wyjściowym kolektora I

C

, a więc następuje efekt

wzmocnienia.

Charakterystyki tranzystora

charakterystyka wyjściowa tranzystora, która
przedstawia zależność prądu kolektora I

C

od

napięcia kolektor-emiter U

CE

przy doprowadzonym

napięciu wejściowym baza-emiter U

BE

.

Z charakterystyki tej można stwierdzić, że:

•powyżej pewnego napięcia prąd kolektora
prawie nie zależy od napięcia U

CE

,

•do wywołania dużej zmiany prądu kolektora
I

C

•wystarczy mała zmiana napięcia baza-emiter
U

BE

.

Punkt, w którym następuje zagięcie
charakterystyki wyjściowej nazywany jest
napięciem nasycenia kolektor-emiter U

CEsat

.

Prąd kolektora I

C

jest tu

funkcją napięcia baza-emiter
U

BE

. Charakterystyka tama

charakter wykładniczy. Dla
tranzystora

współczynnik

korekcyjny

m

jest

praktycznie równy jeden i
wzór

opisujący

charakterystykę przejściową
można

z

dobrym

przybliżeniem

przedstawić

jako:

Parametry graniczne tranzystora
Tranzystory, tak zresztą jak inne elementy elektroniczne, mają charakterystyczne
dla siebie parametry graniczne, tzn. takie których przekroczenie grozi
uszkodzeniem tranzystora.
   Do takich właśnie parametrów należą:

•U

EB0max

- dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter

•U

CB0max

- dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza

•U

CE0max

- maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter

•I

Cmax

- maksymalny prąd kolektora

•I

Bmax

- maksymalny prąd bazy

•P

strmax

- maksymalna dopuszczalna moc strat

Układy polaryzacji tranzystorów
O takich układach mówi się również: układy zasilania tranzystorów czy też układy
ustalania punktów pracy. Układy te mają za
zadanie nie tylko zasilać tranzystor ale również ustalać jego stałoprądowy punkt
pracy, czyli stałe napięcie kolektor-emiter U

CE

i stały prąd kolektora I

C

.

   Punkt pracy musi być dobrany w sposób optymalny do funkcji jaką spełnia
układ, w którym pracuje tranzystor.

Układ z potencjometrycznym zasilaniem bazy

Układ z wymuszonym prądem bazy

Układ ze sprzężeniem kolektorowym

Układ z potencjometrycznym zasilaniem
bazy i sprzężeniem emiterowym.

Tranzystor polowy, tranzystor unipolarny, FET (ang. Field Effect
Transistor) - tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za
pomocą pola elektrycznego.
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).
W tranzystorach epiplanarnych, jak 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.

Nazwy poszczególnych elektrod
to: D - dren, S - źródło, G -
bramka. E
lektrody te spełniają podobne
funkcje jak odpowiadające im
elektrody w tranzystorze
bipolarnym.
Kolektorowi C odpowiada dren
D, emiterowi E odpowiada źródło
S, a bazie B odpowiada bramka

JFET

obszar

półprzewodnika

występujący

między

drenem i źródłem stanowi kanał, przez który
płynie prąd i którego rezystancję można zmieniać
przez zmianę przekroju kanału. Zmianę przekroju
kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub
zwężenie warstwy zaporowej złącza pn, a więc
przez zmianę napięcia U

GS

polaryzującego to

złącze w kierunku zaporowym.

Pod wpływem napięcia U

GS

polaryzującego zaporowo

złącze pn, warstwa zaporowa rozszerzy się, przekrój
kanału zmniejszy się, a jego rezystancja wzrośnie. Łatwo
można sobie wyobrazić, że dalsze zwiększanie napięcia
U

GS

w kierunku zaporowym spowoduje, że warstwy

zaporowe połączą się i kanał zostanie zamknięty, a jego
rezystancja będzie bardzo duża.
   Można powiedzieć, że tranzystor JFET jest swego
rodzaju rezystorem sterowanym napięciowo.

Gdy doprowadzone jest napięcie U

DS

między dren i źródło,

przy zachowaniu tego samego potencjału bramki i źródła,
w pobliżu drenu warstwa zaporowa jest szersza niż w
pobliżu źródła. Jest to spowodowane tym, że złącze pn
wzdłuż kanału jest polaryzowane różnymi napięciami. Do
stałego napięcia U

GS

dodaje się spadek napięcia

występujący między danym punktem kanału a źródłem S.
Dalszy wzrost napięcia U

DS

powoduje dalsze rozszerzanie

warstwy zaporowej aż do zamknięcia kanału, co powoduje
stan nasycenia. W takiej sytuacji dalszy wzrost napięcia
U

DS

nie będzie powodował praktycznie dalszego wzrostu

prądu drenu I

D

gdyż warstwa zaporowa będzie się

rozszerzała w kierunku drenu, a spadek napięcia w kanale
pozostanie praktycznie stały

Metal-Oxide-Semiconductor FET, MOSFET*

*W technologii MOSFET tranzystory są produkowane w formie trzech warstw. Dolna
warstwa to płytka wycięta z monokryształu krzemu lub krzemu domieszkowanego
germanem. Na płytkę tę napyla się bardzo cienką warstę krzemionki lub innego tlenku
metalu lub półmetalu, która pełni funkcję izolatora. Warstwa ta musi być ciągła (bez
dziur), ale jak najcieńsza. Obecnie w najbardziej zaawansowanych technologicznie
procesorach warstwa ta ma grubość równą pięciu cząsteczek tlenku. Na warstwę tlenku
napyla się z kolei bardzo cienką warstwę dobrze przewodzącego metalu (np. złota).

polaryzacja drenu i bramki jest zerowa czyli U

DS

=0 i

U

GS

=0. W takim przypadku struktura złożona z obszarów

półprzewodnika typu n

+

(dren i źródło) rozdzielonych

półprzewodnikiem typu p (podłoże) zachowuje się tak jak
dwie diody połączone ze sobą szeregowo przeciwstawnie
(anodami do siebie)

gdy bramka jest spolaryzowana napięciem U

GS

>0, dodatni

ładunek spolaryzowanej bramki indukuje pod jej
powierzchnią ładunek przestrzenny, który składa się
z elektronów

swobodnych

o

dużej

koncentracji

powierzchniowej (tzw. warstwa inwersyjna) i głębiej
położonej warstwy ładunku przestrzennego jonów
akceptorowych, z której wypchnięte zostały dziury. W
takiej sytuacji zostaje utworzone połączenia elektryczne
między drenem i źródłem w postaci kanału (warstwa
inwersyjna). Przewodność tego połączenia zależy od
koncentracji elektronów w indukowanym kanale, a więc
od napięcia U

GS

.

Jeżeli teraz zostanie podwyższony potencjał drenu
U

DS

>0 to popłynie prąd drenu I

D

tym większy im

większe

będzie

napięcie

U

DS

.

   Zależność prądu drenu I

D

od napięcia drenu U

DS

nie

jest jednak liniowa. Jest to spowodowane tym, że
napięcie wzdłużne U

DS

zmienia stan polaryzacji

bramki. Im bliżej drenu tym różnica potencjałów
między bramką i podłożem jest mniejsza, a kanał
płytszy.

Ze wzrostem U

DS

całkowita rezystancja kanału

rośnie i wzrost prądu jest więc mniejszy niż
proporcjonalny. Przy U

DS

=U

GS

kanał w pobliżu drenu

przestaje istnieć i prąd drenu ulegnie nasyceniu.
Dalszy

wzrost napięcia

drenu U

DS

będzie

powodował tylko nieznaczne zmiany prądu drenu
I

D

.

Charakterystyka tranzystora polowego

Dynistor

Składa się on z aż trzech złącz p-n (dioda 1), n-p (dioda 2) i
znów p-n (dioda 3). Aby dynistor mógł przewodzić potencjał na
anodzie musi być większe od potencjału katody (mamy już
spolaryzowane dwie diody w kierunku przewodzenia - 1 i 2 -
stan blokowania). Ale załączenie dynistora następuje dopiero
po gwałtownym wzroście napięcia pomiędzy anodą a katodą -
du/dt(przewodzenie)

lub

przez

przekroczenie

napięcia

włączenia. Jeśli potecjały są odwrotne tzn. katody większy od
anody to dynistor jest w stanie zaporowym. Charakterystyka
jest analogiczna jak dla tyrystora tylko, że tu nie włączamy go
kiedy chcemy ... załącza się sam.

Tyrystor

Załączenie tyrystora następuje przy odpowiedniej polaryzacji (anoda:
+ katoda:-). i podaniu dodatniego względem katody impulsu
bramkowego. Im mniejsze jest napięcie między anodą a katodą, tym
większy musi być prąd bramki. Wyłączenie tyrystora następuje przy
obniżeniu

napięcia

anoda-katoda

lub

spadku

wartości

przepływającego prądu poniżej I

H

- prądu podtrzymania.

Może załączyć się także jak dynistor przy dużych du/dt -
skokach napięcia między anodą a katodą.

W stanie spoczynkowym oba traznystory są zatkane (nie przewodzą).
Po wciśnięciu przycisku pojawi się prąd bazy - otworzy się tranzystor
npn. Prąd jego kolektora spowoduje otwarcie tranzystora pnp. Z kolei
prąd kolektora pnp popłynie do bazy npn - podtrzymując jego
otwarcie,

po

puszczeniu

przycisku.

Wystarczy więc podać nawet krótki impuls na bramkę, aby otworzyć
element na stałe. Układ będzie przewodził aż do zaniku lub zmiany
polaryzacji napięcia zasilającego.

I

H

- prąd podtrzymania

I

L

- prąd załączania

V

BO

- napięcie przełączania

Triak

(TRIode for Alternating Current)

Działanie triaka jest analogiczne do przeciwsobnego połączenia dwóch
tyrystorów (SCR),

z tą różnicą, że triak posiada
tylko jedną bramkę -
włączenie następuje
niezależnie od polaryzacji (w
przeciwieństwie do tyrystora,
który może być załączony
tylko jeśli potencjał anody jest
większy od potencjału katody).
Triak działa w obu kierunkach
polaryzacji i zachowuje się jak
tyrystor w dodatniej części
swojej charakterystyki

Nastepny wykład
wiadomości ogólne na temat:

-generatory
-zasilacze
-stabilizatory
-filtry