Budowa i zastosowanie tranzystorów

Daria Kałużna kl. III G

Tranzystor - jest elementem wzmacniającym sygnały elektryczne. Składa się on z trzech warstw i dwóch złącz. Całość jest umieszczona w obudowie hermetycznej z trzema wyprowadzeniami. Wyróżnia się dwa zasadnicze rodzaje tranzystorów typu n-p-n i 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. Działanie tranzystora polega na tym, że prąd płynący z emitera do kolektora sterowany jest przez prąd bazy.

Zespół badawczy w laboratoriach Bella w USA, kierowany przez Bardeena. Shockleya i Brattaina, w 1947 roku wykonał pierwszy tranzystor z małego kawałka metalopodobnego pierwiastka chemicznego - germanu.

Tranzystory dzieli się na: bipolarne i unipolarne (polowe).

Zastosowanie tranzystorów

Jest to element elektroniczny używany jako przełącznik lub we wzmacniaczach napięcia prądu.

Tranzystor zastąpił z powodzeniem duże, pobierające sporo prądu, i wydzielające spore ilości ciepła lampy elektronowe, dzięki czemu umożliwiło to produkcję znacznie mniejszych urządzeń elektronicznych.

Można było zacząć produkcję np. przenośnego radia - ponieważ tranzystory pochłaniają mało energii i można je zasilać z małych baterii.
Dzisiaj wszystkie komputery i urządzenia elektroniczne pracują na tej samej zasadzie.

Tranzystor bipolarny

Tranzystor bipolarny to tranzystor, który zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika o różnym rodzaju przewodnictwa. Procesy zachodzące w jednym złączu oddziałują na drugie, a nośnikami ładunku elektrycznego są elektrony i dziury, o czym świadczy przymiotnik: bipolarny. Możliwe jest przy tym dwojakie uszeregowanie obszarów o różnym typie przewodnictwa: PNP i NPN), dające dwa przeciwne typy tranzystorów.

Rozróżniamy tranzystory typu PNP oraz NPN, ich uproszczona struktura, oraz symbol zostały przestawione poniżej.

W rzeczywistości budowa tranzystora znacznie różni się od schematu pokazanego powyżej:

(PRZYKŁAD TRANZYSTORA PLANARNEGO)

Działanie tranzystora bipolarnego (na przykładzie tranzys. pnp):

W stanie bez polaryzacji zewnętrznej dziury z emitera nie przenikają do kolektora, gdyż są blokowane przez barierę potencjału emiter-baza. Podobna bariera potencjału istnieje na złączu baza-kolektor. Po przyłożeniu zewnętrznej różnicy potencjałów między kolektor i emiter (baza pozostaje z niczym niepołączona) również nie obserwuje się przepływu prądu. Napięcie UCE odkłada się na zaporowo spolaryzowanym złączu baza-kolektor.

Jeżeli między bazę i emiter zostanie przyłożone napięcie UBE zmniejszające tę barierę potencjału, dziury z emitera dostana się do bazy, a następnie, o ile nie zrekombinują w niej, przedyfundują do kolektora, tworząc prąd IC. Regulując napięcie UBE regulujemy wysokość bariery potencjału za tym złączu, kontrolując jednocześnie ilość dziur dostających się do bazy. Dzięki temu za pomocą sygnału elektrycznego dostarczanego do bazy kontrolujemy oporność między emiterem i kolektorem.

Aby wystąpił efekt tranzystorowy (by dziury nie zrekombinowały w bazie), baza musi być odpowiednio cienka. Czas rekombinacji dziur w bazie musi być znacznie dłuższy niż czas ich dyfuzji przez bazę.

Działanie tranzystora bipolarnego (na przykładzie tranzys. NPN)

Działanie tranzystora NPN jest analogiczne, jednak kierunki napięć i prądów są odwrotne niż w przypadku PNP, a nośnikami prądu kolektora są elektrony.

Rozkład prądów w tranzystorze bipolarnym

Obniżenie bariery potencjału na złączu baza-emiter umożliwia dyfuzję dziur do bazy. W ten sposób powstaje prąd emitera I_E. Niewielka część dziur rekombinuje w bazie. Przez obniżoną barierę potencjału z bazy do emitera dostają się elektrony, gdzie także rekombinują. Dlatego, by utrzymać barierę potencjału baza - emiter na odpowiednim poziomie, z bazy do zewnętrznego źródła musi wypływać prąd I_B, równoważący powyższe procesy rekombinacyjne. Jednak większość dziur, zanim zdąży zrekombinować w bazie, dociera do złącza baza-kolektor. Bariera potencjału na tym złączu nie stanowi dla dziur przeszkody, dzięki czemu dziury dostają się do kolektora, tworząc prąd I_C.

Zachodzi relacja :
.

O ile zewnętrzne źródła zezwalają, prąd I_C jest proporcjonalny do prądu I_B. Współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora:

ma wartość od kilku do kilkuset.

Prąd kolektora IC narasta wraz z napięciem baza-emiter b-razy szybciej niż prąd tego złącza IB. Prąd kolektora zależy od prądu bazy, lecz słabo zależy od napięcia kolektor-emiter (UCE).

Należy pamiętać, że wprowadzenie prądu do bazy (a tym samym wywołanie przepływu prądu kolektora) jest możliwe, gdy napięcie UBE przekroczy napięcie przewodzenia złącza danego typu (0.65 V dla krzemu, 0.35 V dla germanu)

Tranzystor unipolarny (polowy)

W tranzystorach unipolarnych - nazywanych też tranzystorami polowymi - wykorzystuje się zmiany prądu płynącego przez płytkę półprzewodnika typu N lub P, wywołane poprzecznym polem elektrycznym

Tranzystory te dzieli się na dwie zasadnicze grupy: tranzystory polowe złączowe FET (z ang. Field-Effect Transistor - co znaczy tranzystor wykorzystujący efekt polowy) i tranzystory polowe z izolowaną bramką MOS, MOSFET (z ang Metal-Oxide Semiconductor - co znaczy metal-tlenek półprzewodnik).

Ze względu na budowę i sposób działania (znikomy prąd bramki) tranzystory polowe charakteryzują się bardzo dużą rezystancją wejściową i dużą transkonduktancją.

Poniżej szczegółowa klasyfikacja tranzystorów unipolarnych.

Rysunek przedstawia zasadę działania tranzystora polowego złączowego: przepływ prądu przez płytkę półprzewodnikową.

Rysunek przedstawia zasadę działania tranzystora polowego złączowego: zwężenie kanału i zmiana jego konduktancji przez napięcie bramki.

Płytka półprzewodnika typu P (lub N) po dołączeniu źródła napięcia przewodzi prąd, a jej konduktancja jest tym większa, im więcej jest atomów domieszki. Jeżeli dołączymy do elektrody S, zwanej źródłem, dodatni biegun źródła napięcia U_DS, a do elektrody D, zwanej drenem, biegun ujemny, to dziury będą się przemieszczać w kierunku drenu. Warstwa półprzewodnika, w której odbywa się przepływ ładunków nazywa się kanałem. Gdyby płytka była wykonana z półprzewodnika typu N, to prąd byłby wywołany przepływem elektronów. Należałoby wówczas zamienić biegunowość źródła napięcia U_DS. Zgodnie z prawem Ohma, przy stałej wartości napięcia U_DS, prąd płynący przez płytkę można zmienić przez płytkę można zmieniać przez zmianę konduktancji kanału. Konduktancję tę zmienia się za pomocą pola elektrycznego. Na powierzchnię płytki nakłada się elektrodę sterującą G, zwaną bramką. Jeżeli do bramki G doprowadzimy napięcie dodatnie względem źródła S, to złącze PN, powstałe między bramką a kanałem, będzie odpychać dziury zdążające do drenu, gdyż jest ono polaryzowane zaporowo. Nastąpi zwężenie kanału, co utrudni przepływ dziur. Napięcie bramki U_GS zwęża więc kanał i zwiększa jego rezystancję.

---