Tranzystor, trioda półprzewodnikowa (obecnie głównie krzemowa), element czynny układów elektronicznych służący do wzmacniania sygnałów elektrycznych. Wśród wielu rodzajów tranzystorów najbardziej typowe są tranzystory bipolarne (iniekcyjne): dwuzłączowe i jednozłączowe, oraz tranzystory unipolarne (polowe). Najprostszy tranzystor bipolarny dwuzłączowy, zbudowany jest z dwóch złącz p-n położonych blisko siebie (kolejno obszary n-p-n lub p-n-p).

W tranzystorach n-p-n pierwszy z obszarów n połączony jest ze stykiem nazywanym emiterem (w bezpośrednim sąsiedztwie styku znajduje się duża koncentracja domieszek), obszar p z tzw. bazą, a drugi obszar n z tzw. kolektorem (analogicznie dla układu p-n-p). Złącze emiter-baza spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia (dioda półprzewodnikowa), złącze kolektor-baza spolaryzowane jest zaporowo.

Działanie tranzystora bipolarnego polega na tym, że prąd płynący z emitera do kolektora sterowany jest przez prąd bazy. W przypadku tranzystora polowego rolę emitera pełni tzw. źródło, a kolektora tzw. dren, prąd płynący ze źródła do drenu sterowany jest przez potencjał bazy (efekt tunelowy), który reguluje szerokość bariery potencjału oddzielającej źródło i dren.

Pierwszy tranzystor, ostrzowy (o małych możliwościach zastosowań praktycznych), zbudowali w 1948 J. Bardeen i W.H. Brattain. Tranzystor bipolarny skonstruował w 1949 W.B. Shockley.

Wynalezienie tranzystora uważane jest za początek rewolucji elektronicznej XX w. Opracowanie w latach 60. metody fotograficznego maskowania i warstwowego trawienia, umożliwiającej miniaturyzację tranzystora, spowodowało znaczne potanienie produkcji i w konsekwencji masowe wytwarzanie tranzystorów oraz, zawierających ich setki, tysiące, a nawet miliony, układów scalonych

Tranzystory

Tranzystory występują jako pojedyncze elementy, ale również są częściami składowymi układów scalonych. Jako elementy pojedyncze (dyskretne) są produkowane do różnych zastosowań i o różnych wyselekcjonowanych własnościach.

Tranzystor małej mocy może mieć dobrane optymalnie parametry w celu otrzymania niskiego szumu i wysokiej częstotliwości granicznej. Tranzystor impulsowy musi być szybki i powinien mieć mały spadek napięcia w stanie załączenia. Tranzystor mocy, jak nazwa wskazuje, musi wytrzymywać duże moce często w połączeniu z innymi cechami, takimi jak duży prąd i wysokie napięcia przebicia złącz. Niektóre tranzystory, np. wysokich częstotliwości (HF) mają specjalną budowę z uwagi na spełniane funkcje np. duża liczba emiterów, dla uzyskania jednocześnie dużej mocy i wysokiej częstotliwości pracy.


Tranzystory wykonywane są wg różnych technologii.
Tranzystory bipolarne - są najczęściej spotykane. W najprostszym przybliżeniu można je przedstawić jako dwie diody połączone szeregowo. Mogą być skierowane w kierunku bazy (tranzystor PNP) albo w przeciwną stroną (tranzystor NPN).

Tranzystory unipolarne - można podzielić na tranzystory JFET (junction-FET), czyli takie, w których wykorzystano efekt polowy typu złączowego i tranzystory MOSFET (Metal Oxide Semiconductor- FET). Zasada działania tranzystora JFET opiera się na wykorzystaniu, do zmiany szerokości kanału przewodzącego prąd elektryczny, modulacji szerokości warstwy zaporowej w funkcji przyłożonego napięcia. Posiadają bardzo wysoką rezystancję wejściową i można je traktować jako sterowane napięciowo źródło prądowe. W tranzystorze MOSFET rezystancja wejściowa jest jeszcze wyższa a elektrodę sterującą można traktować jako odizolowaną. Rezystancja wejściowa może mieć wartość co najmniej 100 M. Pojemność wejściowa powoduje jednak, że impedancja zmniejsza się ze wzrostem częstotliwości. MOSFET-y dużych mocy mogą mieć bardzo dużą pojemność wejściową w granicach od 400 do 500 pF co powoduje, że odgrywają one małą rolę nawet w układach niskiej częstotliwości.

Zaletą tranzystorów polowych jest to, że ujemny współczynnik temperaturowy może skompensować termiczny wzrost prądu w sposób liniowy.

Tranzystory polowe występują jako dwa odmienne typy: z kanałem zubożanym (depletion mode) i wzbogacanym (enhancement mode). Typ z kanałem wzbogacanym nie przewodzi prądu dopóki nie zostanie przyłożone napięcie na bramkę. Typ zubożający przewodzi prąd dopóki napięcie bramki wynosi zero. Żeby zmienić ten stan należy przyłożyć napięcie dodatnie, jeżeli tranzystor polowy jest tranzystorem typu p lub ujemne jeżeli jest typu n.

Diody dwubazowe, nazywane również tranzystorami jednozłączowymi, są trójelektrodowymi elementami przełączającymi, działającymi na zasadzie modulacji rezystywności półprzewodnika. Uproszczoną strukturę fizyczną diody dwubazowej można opisać następująco: jest to blok półprzewodnika typy n wyposażony w wyprowadzenia baz na obu końcach (B1 i B2) i zawierająca złącze p-n między obszarami baz. Niewielki obszar typu p pełni rolę emitera. Odległość między bazą B1 a złączem emiterowym wynosi ok, 0,5-0,7 odległości między bazowej. Gdy przyłożymy napięcie do wyprowadzeń obu baz, potencjał emitera będzie proporcjonalny do odległości wyprowadzeń bazowych. Do czasu gdy napięcie między emiterem i bazą B1 będzie poniżej potencjału bloku w punkcie emitera, złącze p-n będzie spolaryzowane zaporowo. Gdy przekroczy ten potencjał, wówczas rezystancja bloku zmniejszy się, ponieważ emiter przyciągnie część elektronów, które napłyną z bazy B1. To z kolei spowoduje zmniejszenie napięcia między B1 i emiterem i wzrost prądu emitera. W efekcie powstaje charakterystyka o ujemnej rezystancji. Diody o podwójnych bazach stosuje się np. w generatorach impulsowych i układach sterowania tyrystorami.


Tyrystory

Tyrystor jest elementem półprzewodnikowym składającym się z czterech warstw (pnpn). Symbol graficzny jest podobny jak dla diody, lecz ma dodatkową elektrodę, nazywaną bramką (Gate). Można w uproszczeniu przedstawić tyrystor jako dwa tranzystory przeciwstawnych typów połączone ze sobą. Tyrystor zacznie przewodzić (następuje jego zapłon), dopiero wtedy gdy dołączymy do bramki napięcie dodatnie i spowodujemy przepływ prądu sterującego I gt. Tyrystor będzie w stanie zapłonu, nawet po wyłączeniu prądu sterującego. Wyłączyć go można (tj. doprowadzić do stanu blokowania) poprzez :
- Zmniejszenie prądu anodowego do tego stopnia, że będzie on niższy od prądu podtrzymania 1h (podawany w danych technicznych).
- Zostanie przerwany obwód prądu anodowego.

Triak można traktować jak dwa połączone równolegle i przeciwnie skierowane tyrystory, zmontowane w jednej obudowie ze wspólną bramką. Mogą być wyzwalane dodatnim albo ujemnym impulsem. Elektroda położona najbliżej bramki nazywa się MT1 (main terminal 1), bardziej odległa MT2. Impuls wyzwalający zawsze jest podawany w stosunku do MT1.

Często stosowanym elementem w obwodach sterujących triaków jest nazywany diak (dynistor symetryczny). Można go potraktować jako triak bez bramki. Posiada niskie napięcie zapłonu ok. 30V. Kiedy zostanie przekroczone zadane napięcie, następuje załączenie diaka i przepływ impulsu wyzwalającego na bramkę triaka głównego.


Opis ćwiczenia

Tranzystor polowy złączowy

Tranzystor polowy złączowy, określany też skrótem FET (field effect transistor) stanowi płytka półprzewodnika, w której zostały wytworzone trzy warstwy: warstwa środkowa o określonym typie przewodnictwa (może być typu p albo typu n) oraz dwie warstwy zewnętrzne o typie przewodnictwa przeciwnym w stosunku do typu przewodnictwa warstwy środkowej (rys. 1).

Rys. 1. Budowa tranzystora polowego złączowego.

Warstwa środkowa nazywa się kanałem. Na obu końcach tej warstwy znajdują się doprowadzenia, dzięki którym można przepuszczać prąd elektryczny przez kanał. Warstwy zewnętrzne (na rys. 1 są to warstwy typu p) także posiadają doprowadzenia elektryczne. Doprowadzenia warstw zewnętrznych są ze sobą połączone. Ich wspólne wyprowadzenie jest nazywane bramką i oznaczane jest literą G (od słowa „gate”).

Jak widzimy, w tranzystorze polowym złączowym istnieją dwa złącza p-n. Cechą charakterystyczną złącza p-n jest istnienie po obu jego stronach obszaru pozbawionego swobodnych nośników prądu elektrycznego. Obszar taki nie przewodzi prądu. Szerokość tego obszaru zależy od napięcia pomiędzy warstwami p i n. Im większe jest napięcie polaryzujące złącze p-n w kierunku zaporowym, tym większa jest szerokość obszaru pozbawionego nośników. Zmieniając napięcie przyłożone pomiędzy bramkę a kanał w tranzystorze polowym, wpływamy na szerokość obszaru pozbawionego nośników w kanale tranzystora. Im większą wartość ma napięcie polaryzujące zaporowo złącza p-n, tym szerokość warstwy przewodzącej w kanale jest mniejsza, a tym samym opór kanału jest większy.

Dla tranzystora zbudowanego zgodnie z rys. 1 złącza p-n są spolaryzowane zaporowo, gdy potencjał bramki jest niższy, niż potencjał kanału. Im bardziej ujemnie będzie spolaryzowana bramka, tym węższy będzie kanał, a jego opór - oczywiście - większy.

Dla tranzystora posiadającego kanał typu p wzrost oporu kanału będzie następował przy polaryzacji bramki w kierunku dodatnim. Jeżeli między doprowadzenia kanału dołączymy źródło napięcia, przez kanał będzie płynął prąd elektryczny. Wartość natężenia tego prądu można zmieniać, zmieniając wartość napięcia przyłożonego między bramkę a jedno z doprowadzeń kanału. Na rys. 2 zostały pokazane dwa źródła napięć przyłożonych do elektrod tranzystora polowego. Pomiędzy oba doprowadzenia kanału zostało włączone źródło napięcia U1. Pomiędzy bramkę a jedno z doprowadzeń kanału zostało włączone źródło napięcia U2. Złącza p-n są spolaryzowane zaporowo. Przy doprowadzeniu S napięcie zaporowe pomiędzy bramką a kanałem jest bliskie wartości U2. Przy doprowadzeniu D napięcie zaporowe pomiędzy bramką a kanałem jest większe - jest bliskie wartości U2+U1. Oznacza to, że przy doprowadzeniu D szerokość warstw pozbawionej nośników elektrycznych jest największa. Tutaj też będzie niewielka szerokość warstwy przewodzącej kanału. W pobliżu doprowadzenia D prąd płynie przez wąski obszar przewodzący, tzw. dren (dlatego też prąd płynacy przez kanał tranzystora polowego nosi nazwę prądu drenu). Na rys. 2 obszary, w których istnieją swobodne nośniki prądu elektrycznego zostały zaznaczone przez zakreskowanie. Obszar czysty na rysunku, to obszar pozbawiony swobodnych nośników elektrycznych.

Rys.2. Polaryzacja elektrod tranzystora polowego złączowego o kanale n.

Zwiększając wartość zaporowego napięcia U2 można spowodować, że prąd drenu zupełnie zaniknie. Jeśli przy niezbyt dużej wartości napięcia zaporowego U2 zaczynamy zwiększać napięcie U1 poczynając od niewielkich jego wartości, to natężenie prądu drenu jest na początku proporcjonalne do napięcia U1. W miarę zwiększania napięcia U1 proporcjonalność ta coraz bardziej zanika, tak że od pewnej wartości U1 natężenie prądu drenu praktycznie już nie wzrasta. Mamy tutaj dwa przeciwstawne efekty: wzrost natężenia prądu drenu wraz ze wzrostem napięcia U1 (prawo Ohma) oraz malenie prądu drenu z powodu wzrostu oporu kanału. Dla niewielkich wartości U1 przeważa efekt pierwszy. Ze wzrostem wartości U1 wzrasta znaczenie efektu drugiego.

Niezależność (dokładniej: niewielka zależność) natężenia prądu drenu od napięcia między źródłem a drenem dla wyższych wartości tego napięcia jest zaletą tranzystora polowego, podobnie jak w tranzystorze bipolarnym niezależność prądu kolektora od napięcia pomiędzy kolektorem i emiterem lub też niezależność prądu anodowego od napięcia anodowego w pentodzie.

Wyprowadzenie S nazywa się "źródłem" (stąd oznaczenie "S" - source), wyprowadzenie D nazywa się drenem (drain). To, które wyprowadzenie jest źródłem a które jest drenem zależy od tego, jak przyłączymy do wyprowadzeń kanału źródło napięcia U1. Istnieją typy tranzystorów polowych, w których nie ma znaczenia, które wyprowadzenie kanału pełni rolę źródła a które drenu. Ale istnieją też tranzystory polowe niesymetryczne, których własności bardzo zależą od "kierunku" przyłączenia źródła napięcia do wyprowadzeń kanału; wtedy należy użytkować tranzystor zgodnie z oznaczeniami podanymi przez wytwórcę.

Rysunek 3 przedstawia przykładowe zależności natężenia prądu drenu od napięcia pomiędzy drenem a źródłem dla kilku różnych wartości napięcia pomiędzy bramką a źródłem.

Rys. 3. Zależność natężenia prądu drenu od napięcia UDS dla różnych wartości napięcia UGS.

Jeżeli bramkę tranzystora polowego złączowego z kanałem typu n spolaryzować dodatnio w stosunku do kanału, to złącza p-n w tranzystorze zostaną spolaryzowane w kierunku przewodzenia i obszary pozbawione nośników elektrycznych będą węższe a tym samym opór kanału będzie mniejszy w porównaniu z przypadkiem, gdy potencjały bramki i źródła (dokładnie chodzi o potencjały odpowiednich metalowych wyprowadzeń) są sobie równe.

Tranzystor krzemowy z kanałem n pracuje jeszcze prawidłowo, gdy potencjał bramki jest wyższy o 0,6V od potencjału źródła. Dalsze zwiększanie potencjału bramki wywołuje szybki wzrost prądu płynącego przez złącza p-n. Opór między bramką a kanałem gwałtownie maleje. W tych warunkach zanikają właściwości wzmacniające tranzystora.

Rysunek 4 przedstawia przykładowe zależności natężenia prądu drenu od napięcia między bramką a źródłem (UGS) dla kilku różnych wartości napięcia między drenem a źródłem (UDS).

Rys.4. Zależność natężenia prądu drenu od napięcia UGS dla różnych wartości napięcia UDS.

Ważną cechą tranzystorów polowych jest duży opór wejściowy (rzędu 1 gigaoma dla prądu stałego) w przypadku wykorzystania bramki jako wejścia. Własność ta wynika z tego, że bramka jest oddzielona od kanału spolaryzowanymi zaporowo złączami p-n. W zwykłym tranzystorze, tzn w tranzystorze bipolarnym, baza, będąca odpowiednikiem bramki w tranzystorze polowym tworzy z emiterem (odpowiednik źródła) złącze p-n, które podczas pracy tranzystora musi być spolaryzowane przepustowo i przez które musi płynąć znaczący prąd. Rysunek 5 przedstawia symbole tranzystorów polowych złączowych z kanałem typu n (rys.a) oraz z kanałem typu p (rys.b).

Rys. 5. Symbole tranzystorów złączowych: z kanałem typu n (rys.a) i z kanałem typu p (rys.b).

Plan ćwiczenia.

1. Zbadać zależność natężenia prądu drenu od napięcia między drenem a źródłem dla kilku różnych wartości UGS.

2. Zbadać zależność natężenia prądu drenu tranzystora od napięcia między bramką a źródłem dla kilku różnych wartości UDS.

3. Zmierzyć natężenie prądu płynącego przez bramkę tranzystora dla podanych przez prowadzącego ćwiczenia wartości UDS i UGS.

Uwagi.

1. Do badania tranzystora polowego złączowego służy układ pokazany na rysunku 6. Wszystkie elementy, za wyjątkiem woltomierzy i amperomierza są zamontowane na płytce.

Rys. 6. Układ do badania tranzystora polowego złączowego.

Układ wymaga zasilania. Najlepiej jest użyć dwu zasilaczy napięć stałych: jednego z regulacją napięcia wyjściowego w granicach od 0 do +15V oraz drugiego, o napięciu wyjściowym 5V. Dla badania tranzystora przy ujemnej polaryzacji bramki względem kanału należy biegun dodatni źródła napięcia 5V połączyć z biegunem ujemnym źródła napięcia regulowanego od 0 do 15V. Dla badania tranzystora przy dodatniej polaryzacji bramki względem kanału (dokładniej: względem źródła) należy z biegunem ujemnym źródła napięcia regulowanego w granicach od 0 do +15V połączyć ujemny biegun źródła napięcia 5V. Przy dodatniej polaryzacji bramki (dla tranzystora z kanałem typu n) podczas zamkniętego wyłącznika W woltomierz V1 nie może wskazywać napięcia większego, niż ok. +0,65V.

2. Przy odczycie wartości natężenia prądu drenu należy uwzględnić prąd płynący przez woltomierz V2 (szczególnie ważne, gdy jako woltomierz V2 używamy woltomierza laboratoryjnego o niskim oporze wewnętrznym).

3. Przy pomiarze natężenia prądu bramki należy zastosować następującą metodę: dla określonych wartości UDS i UGS (wyłącznik W zamknięty) zanotować wskazanie miliamperomierza. Następnie otworzyć klucz W. Wskazanie miliamperomierza powinno się zmienić (przynajmniej cokolwiek) Nie zmieniając napięcia UDS, ustawić potencjometr P w takim położeniu, by wskazanie miliamperomierza wróciło do poprzedniej wartości. Woltomierz V1 będzie teraz wzkazywał inną, niż przedtem, wartość napięcia. Jeśli po wykonaniu tych czynności wskazanie miliamperomierza jest znowu takie same jak poprzednio, to - wnioskujemy - napięcie UGS na pewno też jest takie same jak poprzednio, gdyż dla stałej wartości napięcia UDS natężenie prądu drenu jest funkcją monotoniczną napięcia UGS. Woltomierz V1 wskazuje teraz sumę napięć: UGS + UR, gdzie UR jest spadkiem potencjału na oporze R. Mając dane wartości UR i R, obliczamy natężenie prądu płynącego przez bramkę tranzystora.

LITERATURA:

1. Aldert van der Ziel: Podstawy fizyczne elektroniki ciała stałego. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1980.

2. Zdzisław Korzec: Tranzystory polowe.

3. Wiesław Marciniak: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone.

4. Procesy technologiczne w elektronice półprzewodnikowej. Praca zbiorowa.

Roman Kazański. Wersja druga. Lublin, 30 kwietnia 1998r.

---