Jak jest zbudowany i jak działa tranzystor

Ogólnie mówiąc tranzystor jest elementem wzmacniającym sygnały elektryczne. Zasadę budowy tranzystora przedstawiono na rysunku:


Składa się on z dwu złącz PN połączonych szeregowo - stąd nazwa tych tranzystorów - bipolarne (dwupolowe). Złącza są umieszczone w obudowie hermetycznej z trzema wyprowadzeniami poszczególnych warstw półprzewodnika. Skrajne warstwy półprzewodnika nazywamy emiterem i kolektorem, a środkową — bazą. W zależności od typu półprzewodnika (N czy P) tworzącego bazę rozróżniamy tranzystory typu NPN lub PNP. Sposób polaryzacji w kierunku przewodzenia tych dwóch typów tranzystorów jest odmienny. Tranzystor typu NPN musi być spolaryzowany tak, by kolektor miał duży potencjał dodatni względem emitera (w zależności od wykonania tranzystora do 15 V lub do 150 V), a baza - mały potencjał dodatni względem emitera (kilkaset miliwoltów). Działanie tranzystorów wyjaśnimy na przykładzie tranzystora NPN. Weźmy pod uwagę tranzystor NPN włączony w układ przedstawiony na rysunku:


Tranzystor nie przewodzi (jest zatkany), ponieważ napięcie U'b polaryzuje zaporowo dolne złącze PN (baza-emiter). Złącze górne kolektor-baza jest również spolaryzowane zaporowo przez napięcie (U'b+Uce).
W wyniku zaporowej polaryzacji obu złącz tranzystora ładunki dodat- nie (dziury) gromadzą się w środku bazy, gdyż są odpychane przez pole elektryczne kolektora i emitera, a ładunki ujemne (elektrony) gromadzą się w kolektorze i emiterze, z dala od bazy. Na skutek tego przez oba złącza PN prąd nie płynie, a zatem tranzystor nie przewodzi (jest zablokowany, zatkany).
Po zmianie kierunku napięcia zasilającego obwód bazy tranzystora, złącze baza-emiter będzie spolaryzowane w kierunku przewodzenia:



Zauważmy, że napięcie zasilające obwód kolektora jest tak skierowane, że zawsze złącze baza-kolektor jest spolaryzowane zaporowo. Kolektor przyciąga wszystkie ładunki swobodne ujemne znajdujące się w obszarze bazy, a odpycha ładunki dodatnie. Ponieważ baza jest wykonana z półprzewodnika typu P, to możemy założyć, że normalnie nie ma w niej elektronów swobodnych i przez złącze baza-kolektor prąd nie płynie.
W przypadku pozytywnego spolaryzowania złącza baza-emiter przewodzi ono prąd. Elektrony z emitera przechodzą do bazy, a ponieważ baza jest bardzo cienka, to natychmiast dostają się w pole przyciągania kolektora i wskutek tego złącze baza-kolektor przewodzi prąd. Tylko niewielka część elektronów z emitera płynie w obwodzie bazy.
Większość elektronów biegnie do kolektora, ponieważ napięcie kolektor-emiter Uce jest znacznie wyższe od napięcia baza-emiter Ube Rozpływ elektronów w tranzystorze odbywa się według prawa Kirchhoffa. IE=IC+IB Prąd bazy jest znacznie mniejszy od prądu kolektora, a zatem prąd kolektora jest prawie równy prądowi emitera Ic=Ie Tranzystor jest wzmacniaczem prądu bazy - mały prąd bazy powoduje przepływ dużego prądu kolektora, małe zmiany prądu bazy powodują duże zmiany prądu kolektora. Wzmocnieniem prądowym tranzystora B nazywamy iloraz zmian prądu kolektora i zmian prądu bazy. B=dIc/dIb Wzmocnienie prądowe B współczesnych tranzystorów krzemowych ma wartość kilkaset, a nawet kilka tysięcy. Przykładowe charakterystyki tranzystora przedstawiono na kolejnym rysunku:


Z charakterystyk wejściowych wynika, że prąd bazy zależy nie tylko od napięcia wejściowego Ube, ale i od napięcia kolektor-emiter Uce. Jest to zrozumiałe, jeśli zważymy, że kolektor wychwytuje z bazy tym więcej elektronów, im większy ma potencjał dodatni.
Charakterystyki wyjściowe tranzystora mają kształt podobny do cha- rakterystyk anodowych pentody. Prąd kolektora początkowo szybko się zwiększa (przy niskim napięciu Uce), a następnie przestaje się zwiększać (tranzystor nasyca się) i prawie nie zależy od napięcia Uce. Wartość prądu kolektora w nasyceniu zależy głównie od prądu bazy.
Istotną rzeczą jest to, że przy prądzie bazy Ib = O prąd kolektora jest większy od zera i ma wartość Ice0 (od kilku do kilkuset mikroamperów - zależnie do typu tranzystora). Jest to spowodowane generacją cieplną ładunków swobodnych w złączu PN baza-kolektor spolaryzowanym zaporowo przez napięcie Uce. Prąd Ice0 nazywamy prądem zerowym kolektora.
Podczas pracy w tranzystorach wydziela się ciepło. Aby nie dopuścić do cieplnego zniszczenia tranzystora, nie wolno przekraczać jego mocy admisyjnej Pa podawanej w katalogach.
Na charakterystyce wyjściowej tranzystora (rysunek powyżej) zakreskowano obszary pracy niedopuszczalnej i niemożliwej. Obszar pracy dopuszczalnej ograniczają: moc admisyjna, dopuszczalny prąd kolektora Icdop i dopuszczalne napięcie kolektor-emiter Ucedop. Powyżej napięcia Ucedop następuje przebicie tranzystora, a powyżej prądu kolektora Icdop — przeciążenie prądowe i w obu przypadkach tranzystor zostaje uszkodzony.
Moc admisyjna tranzystorów P a można zwiększyć polepszając warunki chłodzenia tranzystorów. Wykorzystuje się to w tranzystorach mocy montując je na specjalnych chłodnicach zwanych radiatorami. Radiatory są wykonane z dobrego przewodnika ciepła, np. aluminium lub miedzi.
Prąd zerowy kolektora Ice0 ogranicza obszar możliwej pracy tranzystora. Z tego względu powinien być on jak najmniejszy. Prąd Ice0 silnie zależy od temperatury tranzystora. W temperaturze pokojowej prąd Ice0 tranzystorów krzemowych jest kilkadziesiąt razy mniejszy od prądu Ice0 tranzystorów germanowych.

Ważnym parametrem tranzystorów, w przypadku ich użycia w układach prądu zmiennego, jest maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter Ubem. W przypadku tranzystorów krzemowych najczęściej wynosi ono ok. 5 V. Powyżej tego napięcia wstecznego następuje przebicie złącza baza-emiter, a zatem uszkodzenie tranzystora.
Trzeba zaznaczyć, że tranzystory krzemowe mają wyższe parametry niż germanowe, zwłaszcza jeśli chodzi o stabilność i wytrzymałość termiczną.

---