3. Tranzystory bipolarne i unipolarne: budowa, właściwości i zastosowania

Tranzystory bipolarne

Wiadomości podstawowe

Tranzystory są urządzeniami półprzewodnikowymi umożliwiającymi sterowanie przepływem dużego prądu, za pomocą prądu znacznie mniejszego. Wykorzystuje się je do wzmacniania małych sygnałów oraz przetwarzania informacji w postaci cyfrowej. Nazwa "tranzystor" pochodzi z połączenia słów transfer i rezystor. 

    Pierwszy tranzystor bipolarny zbudował rok później inny amerykański fizyk - W.B. Shockley. Cała ta trójka za wynalezienie tranzystora otrzymała w 1956 roku Nagrodę Nobla. 
    Nazwa bipolarne dotyczy tranzystorów, w których transport ładunków odbywa się za pośrednictwem obu rodzajów nośników jakie istnieją w półprzewodniku, tzn. elektronów i dziur. Półprzewodniki, w których na skutek nieregularności sieci krystalicznej przeważają nośniki typu dziurowego nazywa się półprzewodnikami typu p (niedomiarowymi), gdy przeważają nośniki elektronowe nazywa się je półprzewodnikami typu n (nadmiarowymi). 
    Tranzystor bipolarny składa się z trzech obszarów półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa, co powoduje powstanie dwóch złączy: p-n i n-p.

  Istnieją dwie możliwe konfiguracje złączy p-n i n-p prowadzące do powstania dwóch rodzajów tranzystorów bipolarnych.

Symbole graficzne tranzystorów npn i pnp oraz ich diodowe modele zastępcze.

Zasada działania

Zasada działania tranzystora bipolarnego omówiona zostanie na podstawie tranzystora NPN:

Przepływ prądu w tranzystorze npn

    Przez złącze BE tranzystora npn przepływają nośniki większościowe ładunku, w tym przede wszystkim elektrony swobodne z emitera (typ n) do bazy. Również dziury z obszaru bazy (typ p) przepływają przez złącze do emitera. Prąd dziurowy jest znacznie mniejszy ze względu na mniejszą liczbę dziur, wynikającą z mniejszej objętości emitera. Mniejsza część elektronów swobodnych po osiągnięciu obszaru bazy wypełnia istniejące tam dziury, czyli podlega procesowi rekombinacji. Znacznie większa część elektronów swobodnych po znalezieniu się w obszarze bazy jest przyciągana przez kolektor i przepływa przez złącze BC spolaryzowane zaporowo, tak jak własne nośniki mniejszościowe bazy. Wypływające z emitera elektrony swobodne tworzą prąd emitera I_E, który rozdziela się w obszarze bazy na mały prąd bazy I_B i duży prąd kolektora I_C.

Podstawowe parametry tranzystora

Bardzo ważnym jest aby strata elektronów w bazie była jak najmniejsza. Miarą tego na ile prąd kolektora odpowiada prądowi emitera jest współczynnik α nazywany zwarciowym współczynnikiem wzmocnienia prądowego prądu emitera (współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WB), definiowany jako:

α = (I_C-I_C0)/I_E

    gdzie I_C0 jest prądem złącza kolektorowego spolaryzowanego zaporowo przy I_B=0.

    Konstrukcja tranzystora bipolarnego, a głównie małe rozmiary bazy sprawiają, że stosunek między prądem kolektora, a prądem bazy jest stały. Stosunek I_C/ I_B nazywa się współczynnikiem wzmocnienia prądowego prądu bazy (współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WE) i oznacza się symbolem β.

I_E = I_C + I_B 
I_C = βI_B

    Zależność pomiędzy obydwoma współczynnikami opisuje równanie:

β = α / (1-α)

    Stały stosunek I_C/ I_B oznacza, ze pewnej wartości prądu bazy I_B odpowiada określona wartość prądu kolektora I_C. Można zatem zmieniać prąd bazy po to aby uzyskiwać β-krotnie większe zmiany prądu kolektora. Uzyskuje się zatem wzmocnienie przez tranzystor mocy sygnału sterującego. Większą moc sygnału w obwodzie kolektora otrzymuje się kosztem mocy czerpanej z zasilacza.

    Dla sygnałów zmiennoprądowych o małych amplitudach tranzystor jest czwórnikiem liniowym. Czwórnik opisywany jest za pomocą czterech wielkości wyrażających napięcia i prądy na jego wejściu i wyjściu. Aby móc opisać go za pomocą układu równań dwóch zmiennych należy dwie z czterech wielkości czwórnika opisać za pomocą dwóch pozostałych. W zależności od tego, które ze zmiennych uznane zostaną za zmienne zależne, a które za zmienne niezależne otrzymać można 6 różnych układów równań. Najczęściej wykorzystywane są jednak układy z parametrami:

a) impedancyjnymi:

U₁ = z₁₁I₁ + z₁₂I₂ 
U₂ = z₂₁I₁ + z₂₂I₂

b) admitancyjnymi:

I₁ = y₁₁U₁ + y₁₂U₂ 
I₂ = y₂₁U₁ + y₂₂U₂

c) mieszanymi h (układ z parametrami hybrydowymi):

U₁ = h₁₁I₁ + h₁₂U₂ 
I₂ = h₂₁I₁ + h₂₂U₂

    Tranzystory, tak zresztą jak inne elementy elektroniczne, mają charakterystyczne dla siebie parametry graniczne, tzn. takie których przekroczenie grozi uszkodzeniem tranzystora. Są to:

U_EBOmax - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter 
U_CBOmax - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza 
U_CEOmax - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter 
I_cmax - maksymalny prąd kolektora 
I_Bmax - maksymalny prąd bazy 
P_stmax - maksymalna dopuszczalna moc strat

    Parametry takie jak I_cmax, U_CEOmax, P_strmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy, który nosi również nazwę "dozwolonego obszaru pracy aktywnej" w skrócie SOA (Safe Operating Area). 

    Parametry tranzystorów bipolarnych w znacznym stopniu zależą również od temperatury. Prąd zerowy I_CBO jest w przybliżeniu wykładniczą funkcji temperatury i przy jej wzroście o 10K w przybliżeniu podwaja swoją wartość. Tranzystory krzemowe - ze względu na małą wartość I_CBO - mogą być stosowane aż do temperatury ok. 473 K (200 C). Współczynnik wzmocnienia prądowego wzrasta na ogół ze wzrostem temperatury. Wzrost ten jest rzędu kilku procent na stopień kelwina. Przy stałej wartości prądu bazy, napięcie baza-emiter U_BE za wzrostem temperatury maleje.

Sposoby polaryzacji tranzystora

Tranzystor składa się z dwóch złączy PN, które mogą być spolaryzowane w kierunku zaporowym lub przewodzenia. W związku z tym można wyróżnić cztery stany pracy tranzystora.

Stan tranzystora	Kierunki polaryzacji złączy tranzystora
	Złącze emiter-baza
Zatkanie	Zaporowy
Przewodzenie aktywne	Przewodzenia
Nasycenie	Przewodzenia
Przewodzenie inwersyjne	Zaporowy

    Najważniejszym z tych nich jest obszar pracy aktywnej, gdyż to właśnie w tym obszarze tranzystor wykazuje swoje właściwości wzmacniające, które są wykorzystywane praktycznie. 

Układy pracy tranzystora

Tranzystor jako element trójkońcówkowy, czyli trójnik może być połączony w układzie elektronicznym w rozmaity sposób. W matematycznym opisie tranzystora - trójnika - traktuje się go zwykle jako czwórnik, przyjmując jedną z końcówek jako wspólną dla wejścia i wyjścia. W zależności od tego, którą z końcówek wybieramy za wspólną, rozróżnia się konfiguracje:

1. Układ ze wspólnym emiterem OE (WE)

2. Układ ze wspólną bazą OB. (WB)

3. Układ ze wspólnym kolektorem OC (WC)

    Wybór układu pracy jest zależny od przeznaczenia i rodzaju zastosowanego tranzystora.

    Tranzystor pracujący w układzie OE jest najczęściej używany w układach elektronicznych ponieważ charakteryzuje się:

- dużym wzmocnieniem prądowym 
- dużym wzmocnieniem napięciowym 
- dużym wzmocnieniem mocy

    Napięcie wejściowe w OE jest odwrócone w fazie o 180 st. W stosunku do napięcia wejściowego. Rezystancja wejściowa jest rzędu kilkuset Ω, a wyjściowa wynosi kilkadziesiąt k Ω.

    Tranzystor pracujący w układzie OB. ma:

- małą rezystancję wejściową 
- bardzo dużą rezystancje wyjściową 
- wzmocnienie prądowe bliskie jedności

    Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo dużych częstotliwościach granicznych, niekiedy nawet rzędu GHz.

    Tranzystor pracujący w układzie OC charakteryzuje się:

- dużą rezystancją wejściową (co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej częstotliwości) 
- wzmocnieniem napięciowym równym jedności (stąd jest nazywany również wtórnikiem emiterowym) 
- dużym wzmocnieniem prądowym

Zastosowania

Znaczenie tranzystorów dla obecnej techniki jest olbrzymie, o czym świadczy chociażby fakt, iż od ponad pół wieku nikomu nie udało się zrealizować innego elementu elektronicznego, który miałby tak szerokie zastosowanie. Tranzystory są używane wszędzie, od najprostszego wzmacniacza lub generatora do najbardziej skomplikowanego komputera. Procesory tych urządzeń zawierają w sobie miliony tranzystorów. Warto też podkreślić, że pierwszy komputer, może bardziej maszyna licząca, został zrealizowany na lampach elektronowych, które były pierwowzorami tranzystorów. Cechowały się podobnymi parametrami, ale były bardziej zawodne niż obecne tranzystory, choć miały lepsze charakterystyki przenoszenia. Obecnie producenci, którzy zajmują się sprzętem audio ( przede wszystkim chodzi o wzmacniacze gitarowe) wracają do lamp i ponownie konstruują piece gitarowe na lampach elektronowych.

Tranzystory polowe

Wiadomości podstawowe

Tranzystory polowe w skrócie FET (Field Effect Transistor), są również nazywane unipolarnymi. Działanie tych tranzystorów polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośników, czyli albo elektronów albo dziur. Sterowanie transportem tych nośników, odbywającym się w części tranzystora zwanej kanałem, odbywa się za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką. 
    Bramka jest odizolowana od kanału, a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego, znajdującymi się na obu końcach kanału (zwanych źródłem oraz drenem) występuje bardzo duża impedencją. 
    Tranzystory polowe zajęły obecnie miejsce tranzystorów bipolarnych, zalicza się je do najczęściej stosowanych elementów dyskretnych. Rewelacyjne efekty można uzyskać, stosując tranzystory polowe w połączeniu z obwodami scalonymi, zarówno dla niskich jak i wysokich częstotliwości

Klasyfikacja tranzystorów polowych

Istnieją dwie zasadnicze grupy tranzystorów polowych, różniących się sposobem odizolowania bramki od kanału. Pierwsza to tranzystory polowe złączowe zwane także tranzystorami JFET, w których oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n. W drugiej grupie tranzystorów polowych bramka jest odizolowana od kanału cienką warstwą izolatora, którym jest najczęściej dwutlenek krzemu. Tranzystory nazywane są tranzystorami z izolowaną bramką lub tranzystorami MOSFET. 
    Tranzystory MOSFET można podzielić dalej w zależności od rodzaju kanału na tranzystory z kanałem wbudowanym ( tranzystory normalnie załączone, tranzystory z kanałem zubożanym) oraz tranzystory z kanałem indukowanym (tranzystory normalnie wyłączone).

Zasada działania tranzystora JFET

Zasadę działania opisują poniższe rysunki:

    Jednorodny obszar półprzewodnika występujący między drenem i źródłem stanowi kanał, przez który płynie prąd i którego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału. Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n, a więc przez zmianę napięcia U_GS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym.

    Dalsze zwiększanie napięcia U_GS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału.

 Rezystancja będzie wówczas bardzo duża. 
Można powiedzieć, że tranzystor JFET jest swego rodzaju rezystorem sterowanym napięciow

Zasada działania tranzystora MOSFET

Poniżej przedstawiono zasadę działania tranzystora MOSFET z kanałem indukowanym typu n i podłożem typu p.

    Na powyższym rysunku przedstawiona jest sytuacja, w której polaryzacja drenu i bramki jest zerowa czyli U_DS=0 i U_GS=0. W takiej sytuacji brak jest połączenia elektrycznego pomiędzy drenem i źródłem czyli brak jest kanału. Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem U_GS>0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia, zwanej napięciem progowym U_T, zaistnieje sytuacja przedstawiona na poniższym rysunku.

    Dodatni ładunek bramki spowodował powstanie pod jej powierzchnią warstwy inwersyjnej złożonej z elektronów swobodnych o dużej koncentracji oraz głębiej położonej warstwy ładunku przestrzennego jonów akceptorowych, z której wypchnięte zostały dziury. Powstaje w ten sposób w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źródłem. Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronów w indukowanym kanale, czyli od napięcia U_GS. Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy niemalże liniowo od napięcia U_DS. Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa, ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki, na skutek czego im bliżej drenu, tym różnica potencjałów pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza, a kanał płytszy.

    Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia U_GS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia U_GSoff, lub wartość napięcia U_DS zrówna się z poziomem napięcia U_GS (U_DS=U_GS), powstały kanał całkowicie zniknie.

    Można zatem powiedzieć iż dla małych wartości napięcia dren-źródło omawiany tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor, którego rezystancję można regulować za pomocą napięcia bramka-źródło.

Podstawowe parametry tranzystora oraz parametry różniczkowe gm i gds - ich sens fizyczny

Tranzystory unipolarne opisuje się, między innymi za pomocą następujących parametrów:

• Napięcie odcięcia bramka-źródło U_GS(OFF) , czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki, aby przy ustalonym napięciu U_DS nie płynął prąd drenu.

• Napiecie progowe U_P - napięcie jakie należy doprowadzić, aby przez tranzystor popłynął prad

• 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;

• Resystancja 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 

    Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu I_D do zmiany napięcia sterującego U_GS nazywany konduktancją wzajemną (transkonduktancją) g_m:

Drugi ważny parametr tranzystora g_ds zwany konduktancją drenu lub konduktancją wyjściową.

Wykorzystując wyprowadzone powyżej parametry można przedstawić jeszcze jeden parametr tranzystora zwany współczynnikiem wzmocnienia napięciowego, który można opisać zależnością:

ZASTOSOWANIE TRANZYSTORÓW UNIPOLARNYCH
Tranzystory znajdują szerokie zastosowania w elektryce, elektronice, technice i podobnych dziedzinach. Ze względu na ilość tych zastosowań przedstawię tylko niektóre wybrane. Wzmacniacze.
- Wzmacniacz o bezpośrednim sprzężeniu z tranzystorami MOS
Wzmacniacz małej częstotliwości.
Wzmacniacze różnicowe.
Tranzystorowy wzmacniacz różnicowy posiada szereg istotnych zalet jako wzmacniacz małych sygnałów prądu stałego. Po pierwsze, ze względu na kompensowanie się temperaturowych zmian parametrów pary tranzystorów wpływ temperatury jest znacznie zmniejszony. Po drugie, sygnały sumacyjne mogą być właściwie wyeliminowane przy starannym zaprojektowaniu układu.

Wyłączniki analogowe
We współczesnych systemach telemetrii wielokrotnej szeroko stosuje się wyłączniki analogowe dla próbkowania odcinkami czasu sygnału wejściowego. Jest oczywiste, że takie wyłączniki powinny przenosić informację bez zniekształceń w stanie „włączony”,, mieć wystarczająco dużą rezystancję w stanie „wyłączony”, by przesłuch był znikomo mały mieć czas wyłączania rzędu części mikrosekundy.
Zastosowania tranzystora polowego jako rezystora sterowanego napięciem
Taki element jest przydatny do wielu zastosowań, wśród których przykładowo wymienimy następujące:
- 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.