Budowa, działanie, rodzaje i oznaczenia schematowi tranzystorów bipolarnych

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.

Elementarna struktura tranzystora bipolarnego składa się z trzech wytworzonych w płytce monokrystalicznego półprzewodnika warstw, kolejno NPN (tranzystor typu N) lub PNP (tranzystor typu P).
Warstwy te są nazywane zgodnie z ich funkcjami: emiter (E – emiter) – dostarcza nośniki mniejszościowe do bazy, baza (B – base) – stanowi podstawę (warstwę wspólną) dla obu złączy, kolektor (C – collector) – zbiera nośniki wstrzykiwane z emitera do bazy. Obecnie wytwarzane tranzystory bipolarne mają przeważnie strukturę epiplanarną.

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

Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn

Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp

Ze względu na konstrukcję tranzystory dzielą się na dwie grupy:
- tranzystory z niejednorodną bazą (tranzystory dryfowe, epiplanarne) - obecnie najpowszechniej stosowane, charakteryzują się niejednorodną koncentracją domieszek;
- tranzystory z jednorodną bazą - historyczne: ostrzowy, stopowy, stopowo-dyfuzyjny

Ze względu na wydzielaną moc:
- małej mocy (do 0,3W)
- średniej mocy (do 5W)
- dużej mocy (powyżej 5W do 300W)

Ze względu na częstotliwość:
- małej częstotliwości
- wielkiej częstotliwości

Podstawowe znaczenie dla działania tego urządzenia mają zjawiska zachodzące w cienkim obszarze, zwanym bazą, pomiędzy dwoma złączami półprzewodnikowymi.

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 β 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.

Różnice pomiędzy tranzystorami BIP i UNI

- działanie tranzystorów bipolarnych zależy od dwóch rodzajów nośników ładunku: dziur i elektronów; natomiast w tranzystorach unipolarnych o przepływie prądu decyduje jeden rodzaj nośników: dziury lub elektrony,

- w tranzystorach bipolarnych prąd wyjściowy jest funkcją prądu wejściowego – sterowanie prądowe; natomiast w tranzystorach unipolarnych, prąd jest funkcją napięcia – sterowanie napięciowe. Wejściem tranzystorów unipolarnych sterujemy napięciowo, a nie prądowo jak w tranzystorach bipolarnych

Zasady polaryzacji tranzystorów UNI

Tranzystory te należy polaryzować tak, aby nośniki poruszały się od źródła do drenu oraz by złącze bramka-kanał było polaryzowane zaporowo.

Zasady polaryzacji złączowego tranzystora polowego z kanałem typu n i typu p

pokazano na rysunkach poniżej. Napięcie polaryzujące bramkę podaje się względem źródła.

Rys. Zasady polaryzacji złączowego tranzystora unipolarnego z kanałem typu n (a) oraz

typu p (b)

Charakterystyczną cechą tranzystorów polowych jest mały pobór prądu wejściowego, ze

względu na bardzo dużą rezystancję wejściową (zaporowo spolaryzowane złącze bramka-kanał w tranzystorze JFET lub pojemność MOS w tranzystorze MOSFET).

W tranzystorach normalnie wyłączonych należy przyłożyć napięcie UGS (wartości

bezwzględne) większe od napięcia progowego UT aby wytworzyć warstwę inwersyjną

półprzewodnika, która zapewni utworzenie kanału. A więc bramkę polaryzuje się względem

źródła napięciem o znaku przeciwnym do znaku ładunku nośników prądu w indukowanym

kanale.

Rys. 4. Zasady polaryzacji tranzystorów unipolarnych z izolowaną bramką; a) z kanałem

wzbogacanym typu n; b) z kanałem wzbogacanym typu p; c) z kanałem zubożanym typu n;

d) z kanałem zubożanym typu p.

Tranzystor normalnie załączony może pracować zarówno ze zubożeniem nośników w

kanale, jak też z ich wzbogacaniem. Na Rys.4 pokazano polaryzację właściwą w zakresie

zubożonym. W tym zakresie, napięcie polaryzacji bramki ma taki sam znak jak znak

ładunków nośników większościowych w kanale, natomiast w zakresie wzbogacanym znak

przeciwny.

Charakterystyki i parametry tranzystorów UNI

Tranzystory unipolarne opisuje się, między innymi za pomocą następujących parametrów:
- napięcie odcięcia bramka-źródło U_GS(OFF) - napięcie jakie należy doprowadzić do bramki, aby przy ustalonym napięciu U_DS nie płynął prąd drenu.
- napięcie progowe U_P - napięcie jakie należy doprowadzić, aby przez tranzystor popłynął prąd
- prąd nasycenia I_DSS - prąd drenu płynący przy napięciu U_GS=0 i określonym napięciu U_DS.
- prąd wyłączenia I_D(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |U_GS| > |U_GS(OFF)|
- rezystancja statyczna włączenia R_DS(ON) - rezystancja między drenem a źródłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki I_D = f(U_DS) przy U_GS=0; - rezystancja statyczna wyłączenia R_DS(OFF) - rezystancja między drenem a źródłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia
- dopuszczalny prąd drenu I_Dmax
- dopuszczalny prąd bramki I_Gmax
- dopuszczalne napięcie dren-źródło U_DSmax
- dopuszczalne straty mocy P_{tot max}
- konduktancja wzajemna (transkonduktancja) g_m - stosunek zmiany prądu I_D do zmiany napięcia sterującego U_GS

- konduktancja drenu/ konduktancja wyjściowa g_ds

- współczynnik wzmocnienia napięciowego

Charakterystyki:
Charakterystyka Przejściowa - zależność prądu drenu (I_D) od napięcia bramka-źródło (U_GS) przy stałym napięciu dren-źródło (U_DS).
Charakterystyka ta dla różnych typów tranzystorów przedstawiona została poniżej.

Charakterystyka Wyjściowa - zależność prądu drenu (I_D) od napięcia dren-źródło (U_DS), przy stałym napięciu bramka-źródło (U_GS). Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części: obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy). Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią, której kształt przypomina parabolę.

W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor półprzewodnikowy. Prąd I_D ze wzrostem napięcia U_DS wzrasta w przybliżeniu liniowo.
W zakresie nasycenia napięcie U_DS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu, natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące.