Tranzystor bipolarny

Tranzystor bipolarny (dawniej: tranzystor warstwowy, tranzystor złączowy) to odmiana tranzystora, półprzewodnikowy element elektroniczny, mający zdolność wzmacniania sygnału. Zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa. Charakteryzuje się tym, że niewielki prąd płynący pomiędzy dwiema jego elektrodami (nazywanymi bazą i emiterem) steruje większym prądem płynącym między emiterem, a trzecią elektrodą (nazywaną kolektorem).

Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn	Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp

Budowa

Tranzystor bipolarny składa się z trzech warstw półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa: p-n-p lub n-p-n (istnieją więc dwa rodzaje tranzystorów bipolarnych: pnp i npn). Poszczególne warstwy noszą nazwy:

• emiter (oznaczony przez E) warstwa silnie domieszkowana

• baza (oznaczona przez B) warstwa cienka i słabo domieszkowana

• kolektor (oznaczony przez C)

W ten sposób tworzą się dwa złącza p-n: baza-emiter (nazywane krótko złączem emitera) oraz baza-kolektor (nazywane złączem kolektora).

Rozpływ prądów w tranzystorze npn

Zasada działania

W normalnych warunkach pracy złącze kolektora jest spolaryzowane zaporowo. Napięcie przyłożone do złącza baza-emiter w kierunku przewodzenia powoduje przepływ prądu przez to złącze – nośniki z emitera (elektrony w tranzystorach npn lub dziury w tranzystorach pnp) przechodzą do obszaru bazy (stąd nazwa elektrody: emiter, bo emituje nośniki). Nośników przechodzących w przeciwną stronę, od bazy do emitera jest niewiele, ze względu na słabe domieszkowanie bazy. Nośniki wprowadzone z emitera do obszaru bazy dyfundują w stronę mniejszej ich koncentracji - do kolektora. Dzięki niewielkiej grubości obszaru bazy trafiają do obszaru drugiego złącza, a tu na skutek pola elektrycznego w obszarze zubożonym są przyciągane do kolektora.

W rezultacie, po przyłożeniu do złącza emiterowego napięcia w kierunku przewodzenia, popłynie niewielki prąd między bazą a emiterem, umożliwiający przepływ dużego prądu między kolektorem a emiterem. Stosunek prądu kolektora do prądu bazy nazywany jest wzmocnieniem prądowym tranzystora i oznacza się grecką literą β.

Za sygnał sterujący prądem kolektora można uważać zarówno prąd bazy, jak i napięcie baza-emiter. Zależność między tymi dwiema wielkościami opisuje charakterystyka wejściowa tranzystora, będąca w zasadzie eksponencjalną charakterystyką złącza pn spolaryzowanego w kierunku przewodzenia.

Prąd bazy składa się z dwóch głównych składników: prądu rekombinacji i prądu wstrzykiwania. Prąd rekombinacji to prąd powstały z rekombinacji w bazie nośników wstrzykniętych z emitera do bazy z nośnikami komplementarnymi. Jest tym mniejszy im cieńsza i słabiej domieszkowana 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.

Zastosowania

W zależności od punktu pracy tranzystor może znajdować się w trzech stanach

• Stan aktywny, w którym prąd kolektora jest β razy większy od prądu bazy.

• Stan nasycenia, w którym prąd bazy jest na tyle duży, że obwód kolektora nie jest w stanie dostarczyć prądu β razy większego. Napięcie kolektor-emiter spada wtedy do niewielkiej wielkości.

• Stan zatkania, w którym złącze baza-emiter nie jest spolaryzowane lub jest spolaryzowane zaporowo. Prąd kolektora spada wtedy do bardzo małej wartości.

Poszczególne stany tranzystora są wykorzystywane w różnych zastosowaniach.

Tranzystor polowy

Tranzystor polowy dużej mocy

Tranzystor polowy, tranzystor unipolarny, FET (ang. Field Effect Transistor) – tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego.

Budowa

Uproszczona budowa tranzystora JFET. S- źródło, G - bramka, D - dren, 1 - obszar zubożony, 2 - kanał

Zasadniczą częścią tranzystora polowego jest kryształ odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem (symbol S od ang. source, odpowiednik emitera w tranzystorze bipolarnym) i drenem (D, drain, odpowiednik kolektora). Pomiędzy nimi tworzy się tzw. kanał, którym płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia elektroda, zwana bramką (G, gate, odpowiednik bazy). 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.

Działanie

Symbol tranzystora polowego MOSFET z kanałem N

Przyłożone do bramki napięcie wywołuje w krysztale dodatkowe pole elektryczne, które wpływa na rozkład nośników prądu w kanale. Skutkiem tego jest zmiana efektywnego przekroju kanału, co objawia się jako zmiana oporu dren-źródło.

W tranzystorach MOSFET z kanałem wzbogacanym gdy napięcie U_GS między bramką G a źródłem S jest równe zeru, rezystancja kanału jest bardzo duża (rzędu megaomów). Mówi się wówczas, że kanał jest zatkany, ponieważ prąd dren-źródło I_D praktycznie nie płynie. Po przekroczeniu pewnej wartości napięcia U_GS kanał zaczyna się stopniowo otwierać i w obwodzie dren-źródło może płynąć prąd. Rezystancja między drenem D a źródłem S zmniejsza się ze wzrostem napięcia U_GS, ale nie do zera, tylko do pewnej minimalnej wartości oznaczanej w katalogach jako R_DSon. Wartość tej rezystancji zależy od maksymalnego napięcia U_DS jakie jest w stanie wytrzymać tranzystor i wynosi od 0,07 Ω do 4,0 Ω. Generalnie tranzystory przeznaczone do pracy z mniejszymi napięciami mają niższą rezystancję R_DSon. Straty mocy w przewodzącym tranzystorze są proporcjonalne do prądu płynącego przez kanał zgodnie ze wzorem:

Gdy prąd płynący przez kanał osiągnie wartość maksymalną dla danego napięcia dren-źródło, mówi się, że kanał jest otwarty.

W zależności od typu półprzewodnika, w którym tworzony jest kanał, rozróżnia się:

• tranzystory z kanałem typu p, w którym prąd płynie od źródła do drenu

• tranzystory z kanałem typu n, w którym prąd płynie od drenu do źródła

Ze względu na budowę i sposób działania tranzystorów polowych, prąd bramki praktycznie nie płynie (jest rzędu mikro-, nanoamperów), dzięki temu elementy te charakteryzują się bardzo dużą rezystancją wejściową oraz dużą transkonduktancją.

Typy tranzystorów polowych

Odpowiednio do zasady działania rozróżnia się dwa główne typy tranzystorów polowych: złączowe (JFET, Junction FET) oraz z izolowaną bramką (IGFET, ang. Insulated Gate FET).

Tranzystory polowe złączowe

W tranzystorach tego typu bramka jest odizolowana od obszaru kanału złączem spolaryzowanym zaporowo. Ze względu na rodzaj złącza bramka-kanał rozróżnia się:

• tranzystory ze złączem p-n (PNFET);

• tranzystory ze złączem metal-półprzewodnik (MEtal-Semiconductor FET, MESFET).

Tranzystory polowe z izolowaną bramką

W tranzystorach tego typu bramka jest odizolowana od kanału warstwą dielektryka.
Tranzystory te posiadają przynajmniej trzy elektrody: źródło (S), bramkę (G) i dren (D), często mają również czwartą elektrodę: podłoże (B). Wykonuje się je głównie w układach scalonych, rzadziej natomiast jako elementy dyskretne – są to głównie tranzystory mocy, np. pracujące jako szybkie przełączniki w zasilaczach impulsowych. W przypadku konstrukcji układów scalonych CMOS może istnieć więcej niż jedna bramka, co występuje także w niektórych elementach dyskretnych, np. tranzystorze typu BF966.
Ze względu na technologię wykonania rozróżnia się tranzystory:

• MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET) wykonane z półprzewodnika monokrystalicznego; ponieważ tutaj najczęściej rolę izolatora pełni ditlenek krzemu SiO₂ (ang. oxide), toteż tranzystory te częściej nazywa się MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET, MOSFET) lub krócej MOS. Dodatkowo tranzystory MOS dzieli się na:

  • tranzystory z kanałem zubożanym, w których przy braku napięcia bramka-źródło kanał jest otwarty;

  • tranzystory z kanałem wzbogacanym, w których przy braku napięcia bramka-źródło kanał jest całkowicie zatkany.

• TFT (Thin Film Transistor) wykonane z półprzewodnika polikrystalicznego. Ponieważ tranzystory tego typu są wytwarzane w taki sam sposób, jak układy scalone cienkowarstwowe, toteż nazywane są tranzystorami cienkowarstwowymi.

MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) – technologia produkcji tranzystorów polowych z izolowaną bramką i obwodów układów scalonych. Jest to aktualnie podstawowa technologia produkcji większości układów scalonych stosowanych w komputerach i stanowi element technologii CMOS.

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 warstwę 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 pięciu cząsteczek tlenku. Na warstwę tlenku napyla się z kolei bardzo cienką warstwę dobrze przewodzącego metalu (np. złota). Układ trzech warstw tworzy prosty tranzystor lub pojedynczą bramkę logiczną układu procesora.

Budowa

Skrót MOSFET pochodzi od angielskiego określenia Metal-Oxide-Semiconductor FET, co oznacza tranzystor polowy (FET - ang. Field Effect Transistor) o strukturze: metal, tlenek, półprzewodnik. Istnieje również alternatywny, ale rzadko spotykany skrót MISFET, pochodzący od Metal-Insulator-Semiconductor FET (insulator - dielektryk).

Przekrój takiego tranzystora jest pokazany na rysunku poniżej.

Uproszczony przekrój tranzystora MOSFET typu N z kanałem wzbogacanym

W podłożu – płytce słabo domieszkowanego półprzewodnika typu P albo N tworzone są dwa małe obszary o przeciwnym typie przewodnictwa – odpowiednio N+ lub P+ (N+/P+ oznacza silne domieszkowanie tych obszarów). Te silnie domieszkowane obszary tworzą dren oraz źródło do których doprowadzane są kontakty. Powierzchnia półprzewodnika pomiędzy drenem i źródłem jest pokryta cienką warstwą dielektryka (izolatora), grubość tej warstwy jest rzędu kilkunastu nanometrów. Na dielektryk napylana jest warstwa materiału przewodzącego (metalu) tworząca bramkę.

Ze względu na niewielką grubość warstwy izolacyjnej istnieje realne niebezpieczeństwo jej fizycznego uszkodzenia (przepalenia) na skutek doprowadzenia z zewnątrz dużego ładunku elektrostatycznego. Dlatego układy elektroniczne zawierające tranzystory MOS (np. powszechnie stosowane w sprzęcie komputerowym układy CMOS) są przechowywane np. w foliach przewodzących mających zapobiec przedostaniu się ładunków do obwodów. W żadnym razie nie jest to przesadna ostrożność, ponieważ potencjał człowieka może być nawet rzędu kilku–kilkudziesięciu kilowoltów.

Przepływ prądu następuje pomiędzy źródłem i drenem, przez tzw. kanał, sterowanie tym prądem następuje na skutek zmiany napięcia bramka-źródło. Rozróżnia się dwa typy tranzystorów MOS:

1. z kanałem zubożanym (z kanałem wbudowanym) – normalnie włączone, tj. takie, w których istnieje kanał przy zerowym napięciu bramka-źródło;

2. z kanałem wzbogacanym (z kanałem indukowanym) – normalnie wyłączone, kanał tworzy się dopiero, gdy napięcie bramka-źródło przekroczy charakterystyczną wartość U_T (napięcie progowe).

Ponieważ bramka jest izolowana od kanału to nie płynie przez nią żaden prąd – dla prądu stałego oporność wejściowa jest nieskończenie duża. Tranzystory MOS są elementami bardzo szybkimi w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi, gdyż zachodzące w nich zjawiska są czysto elektrostatyczne. Głównym czynnikiem zwiększającym czas przełączania jest obecność pojemności bramki, którą trzeba przeładować przy przełączaniu.

Symbole graficzne

z kanałem zubożanym	z kanałem wzbogacanym
z kanałem typu P	z kanałem typu N

Zasada działania

Tranzystor MOS polaryzuje się tak, żeby jeden rodzaj nośników (nie ma nośników większościowych i mniejszościowych – elektrony w kanale typu N, dziury w kanale typu P) płynęły od źródła do drenu.

Wyróżnia się dwa zakresy pracy:

1. zakres nienasycenia (liniowy, triodowy)

2. zakres nasycenia (pentodowy)

Zakres pracy tranzystora determinuje napięcie dren-źródło (U_DS) – jeśli jest ono większe od napięcia nasycenia (U_DSsat), wówczas tranzystor znajduje się w zakresie nasycenia.

Zakres nienasycenia

U_DS < U_DSsat

Jeśli napięcie bramka-źródło U_GS jest mniejsze od napięcia progowego (tworzenia kanału) U_T, to prąd dren-źródło jest zerowy. Gdy napięcie progowe zostanie przekroczone wówczas na skutek działania pola elektrycznego przy powierzchni półprzewodnika powstaje warstwa inwersyjna – warstwa półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa niż podłoże. Warstwa inwersyjna ma więc taki sam typ przewodnictwa jak obszary drenu i źródła, możliwy jest więc przepływ prądu od drenu do źródła. Warstwa inwersyjna tworzy kanał.

Tak jest w przypadku tranzystorów z kanałem indukowanym, natomiast w tranzystorach z kanałem wbudowanym istnieje on nawet przy zerowym napięciu U_GS.

W zakresie nienasycenia zależność prądu drenu od napięcia bramka-źródło wyraża przybliżony wzór:

gdzie β – współczynnik transkonduktancji, parametr zależny od tranzystora. Dla niewielkich napięć drenu zależność ta jest liniowa.

Zakres nasycenia

Gdy kanał już istnieje, zwiększanie napięcia dren-źródło powoduje zwiększanie prądu drenu. To z kolei powoduje odkładanie się pewnego napięcia na niezerowej rezystancji kanału. Napięcie to powoduje zmniejszenie różnicy potencjałów między bramką a kanałem, czego wynikiem jest zawężenie warstwy inwersyjnej. A że różnica potencjałów rośnie od źródła do drenu, również przekrój kanału maleje w tym samym kierunku – w obszarze przy drenie kanał uzyskuje najmniejszy przekrój.

Jeśli U_DS przekroczy wartość U_DSsat to w pobliżu drenu kanał zniknie, w jego miejsce pojawi się obszar zubożały, mający bardzo dużą rezystancję (wraz ze wzrostem napięcia dren-źródło obszar zubożały rozszerza się) i wówczas praktycznie całe napięcie U_DS odkłada się na warstwie zubożałej.

Najprostszy model tranzystora przyjmuje, że napięcie nasycenia . W zakresie nasycenia prąd drenu jest zależny od napięcia U_GS, zależność tą przybliża się wzorem:

gdzie β – współczynnik transkonduktancji, parametr zależny od tranzystora.