Tranzystor bipolarny

Z Wikipedii

Masz nowe wiadomości (różnica z poprzednią wersją).

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.

Tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do warstw półprzewodnika, nazywane:

emiter (ozn. E),
baza (ozn. B),
kolektor (ozn. C).

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

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

Struktura tranzystora epiplanarnego typu npn (n+ oznacza obszar silniej domieszkowany)

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, stopwo-dyfuzyjny i.in.

[edytuj] Stany pracy

Rozróżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego:

stan zatkania (odcięcia): złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym,
stan nasycenia: złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia,
stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo,
stan aktywny inwersyjny (krócej: inwersyjny): BE zaporowo, CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym).

Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach; w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkuset).

Stany nasycenia i zaporowy stosowane są w technice impulsowej, jak również w układach cyfrowych.

Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowanych, ponieważ ze względów konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się wówczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym), m.in. mniejszym wzmocnieniem prądowym.

[edytuj] Zasada działania

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 h21^E lub grecką literą $β$

Napięcie przyłożone do złącza baza-emiter 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. 0,01-0,1 mm), 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.

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

Zasada $I_C=\beta \cdot i_B$ obowiązuje tylko dla stanu aktywnego, w stanie nasycenia prąd kolektora jest mniejszy niż by wynikał z tego wzoru, bo układ do którego podłączony jest kolektor nie jest w stanie dostarczyć odpowiednio dużego prądu, a w stanie zatkania płyną tylko resztkowe prądy elektrod wynikające z niedoskonałości technologii.

[edytuj] Układy pracy

Rozróżniamy układy pracy tranzystora:

wspólny emiter (OE)
wspólna baza (OB)
wspólny kolektor (OC)

Parametr	OC	OE	OB
Rezystancja wejściowa	duża	średnia	mała
Wzmocnienie napięciowe	mniejsze od jedności	duże	średnie
Wzmocnienie prądowe	duże	średnie	mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa	mała	duża	duża

[edytuj] Wspólna baza

Na rysunku przedstawiono schemat włączenia tranzystora w obwód wzmacniacza. Na złącze emiter-baza podane jest stałe napięcie polaryzujące $U e$ w kierunku przewodzenia, a na złącze baza-kolektor stałe napięcie polaryzujące $U k$ w kierunku zaporowym. Wzmacniane zmienne napięcie $U w e$ (wejściowe) podajemy na niewielką oporność wejściową $R w e$ . Napięcie wzmocnione (wyjściowe) $U w y$ zbierane jest z oporności wyjściowej $R w y$ .

Jeżeli napięcia polaryzujące mają takie same znaki jak to pokazano na schemacie, to oporność złącza emiter-baza jest niewielka, a złącza baza-kolektor, przeciwnie, bardzo duża. Pozwala to na zastosowanie opornika $R w y$ o dużej wartości.

Ze względu na podłączenia sygnału wejściowego i wyjściowego rozróżnia się trzy metody włączenia tranzystora: układ ze wspólnym kolektorem (OC), ze wspólną bazą (OB) i ze wspólnym emiterem (OE). Każdy z tych układów charakteryzują inne parametry, pokazane powyżej.