UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURESTI FACULTATEA DE TRANSPORTURI

Referat: “Fizica si dispotivele electronice ale viitorului”-Tranzistorul

NENU RAZVAN IONUT GRUPA 8217

TRANZISTORUL

Tranzistorul este un dispozitiv electronic din categoria semiconductoarelor care are cel puțin trei terminale (borne sau electrozi), care fac legătura la regiuni diferite ale cristalului semiconductor. Este folosit mai ales pentru a amplifica și a comuta semnale electronice și putere electrică.Aspectul tranzistoarelor depinde de natura aplicației pentru care sunt destinate. În 2013 încă unele tranzistori sunt ambalate individual, dar mai multe sunt găsite încorporate în circuite integrate.

Tranzistorul este componenta fundamentală a dispozitivelor electronice moderne, și este omniprezent în sistemele electronice. Ca urmare a dezvoltării sale la începutul anilor 1950, tranzistorul a revoluționat domeniul electronicii, și a deschis calea pentru echipamente electronice mai mici si mai ieftine cum ar fi aparate de radio, televizoare, telefoane mobile, calculatoare de buzunar, computere și altele.

ISTORIC: Tranzistorul a fost inventat la Bell Telephone Laboratories din New Jersey la 6 decembrie 1947 de John Bardeen, Walter Houser Brattain, și William Bradford Shockley. Descoperirea tranzistorului a determinat dezvoltarea electronicii fiind considerat una din cele mai mari descoperiri ale erei moderne.

CONSTRUCTIE: Tranzistorii se realizează pe un substrat semiconductor (în general siliciu, mai rar germaniu, dar nu numai). Tehnologia de realizare diferă în funcție de tipul tranzistorului dorit. De exemplu, un tranzistor de tip PNP se realizează pe un substrat de tip P, în care se creează prin diferite metode (difuzie, de exemplu) o zona de tip N, care va constitui baza tranzistorului. Tranzistorul bipolar este o structură de trei zone semiconductoare extrinseci (pnp sau npn) realizată într-un cristal semiconductor. Fiecare zonă are un contact ohmic cu câte un terminal exterior. Cele trei terminale se numesc emitor – E, bază – B şi colector – C. Denumirile sugerează funcţia pe care o îndeplineşte fiecare dintre cele trei zone: emitorul este furnizorul principal de sarcini electrice, colectorul colectează sarcinile electrice iar baza poate controla cantitatea de sarcină care ajunge la colector. După acelaşi criteriu, cele două joncţiuni se numesc emitoare, respectiv colectoare.

O astfel de structură se numeşte bipolară deoarece la conducţia electrică participă sarcini electrice de ambele polarităţi, goluri şi electroni, cu contribuţii diferite la curent în funcţie de tipul de tranzistor. În funcţie de ordinea zonelor, tranzistorii bipolari pot fi de tip pnp sau npn.

Din punct de vedere tehnologic structura de tranzistor are două particularităţi:

• emitorul este mult mai puternic dopat decât baza

• lărgimea fizică a bazei este mult mai mică decât lungimea de difuzie a purtătorilor majoritari din emitor (aprox. 10µm).

Pentru a exista conducţie electrică între emitor şi colector, joncţiunea emitoare trebuie polarizată în sens direct iar joncţiunea colectoare în sens invers. În practică polarizarea joncţiunilor se face cu o singură sursă de alimentare.

UTILIZARE: Tranzistoarele pot fi folosite în echipamentele electronice cu componente discrete în amplificatoare de semnal (în domeniul audio, video, radio), amplificatoare de instrumentatie, oscilatoare, modulatoare si demodulatoare, filtre, surse de alimentare liniare sau în comutație sau în circuite integrate, tehnologia de astăzi permițând integrarea într-o singură capsulă a milioane de tranzistori.

Simbolurile folosite în mod curent pentru tranzistori:

Tranzistor bipolar PN

Fototranzistor NPN

 

Tranzistor unijoncţiune (TUJ)

Tranzistor JFET canal N

Tranzistor IGFET canal 

Tranzistor tetrodă IGFET canal N

Chiar si in circuitele integrate structura tranzistorului ocupa un loc foarte important. Exista doua tipuri fundamentale de tranzistoare cu jonctiuni:bipolare,bazata pe conductia simultana a electronilor si a golurilor si unipolare, bazate pe conductia unui singur tip de purtatori, fie numai a electronilor, fie numai a golurilor. In cele ce urmeaza se vor prezenta numai tranzistoarele bipolare, acestea regasindu-se in schemele puse in discutie ulterior. Structura de tranzistor permite obtinerea unor surse controlate intr-un dispozitiv semiconductor format din trei regiuni, in ordinea pnp sau npn(de unde si tipul de transistor),realizate in acelasi monocristal. Regiunea din mijloc,numita baza, este foarte subtire si foarte putin dopata in comparatie cu celelalte doua (extreme), numite emitor si respectiv colector. In cadrul structurii de tranzistor se formeaza doua jonctiuni pn, una intre baza si emitor, numita jonctiunea emitorului si alta intre baza si colector numita jonctiunea colectorului . Trecerea unui curent mare printr-o jonctiune polarizata invers, aflata in vecinatatea unei jonctiuni polarizate direct, poarta numele de efectul tranzistorului.

Structural tranzistorul poate fi asemuit cu doua diode montate in opozitie (fig 2.13) insa un tranzistor nu se comporta ca doua diode conectate in opozitie, tocmai din cauza cuplajului celor doua jonctiuni ce explica efectul tranzistorului.

Pentru tipul npn explicatia este identica, cu exceptia schimbarii rolurilor electronilor si golurilor.

Controlul efectuat de jonctiunea emitorului asupra curentului ce strabate jonctiunea colectorului confera structurii de tranzistor functia de amplificare ( functionare in regim de amplificare), adica o variatie mica a tenisiunii aplicate jonctiunii emitorului (UEB ) produce o modificare insemnata a curentului prin jonctiunea colectorului, deoarece

variata curentului de colector este aproximativ egala cu cea a curentului de emitor. Cand curentul de emitor este 0 (IE=0) curentul de colector (IC=ICB0 ) se numeste curent residual( curent invers de colector) si are valoare foarte mica(de oridinul micro Amperi) : el reprezinta curentul de polarizare inversa a jonctiunii colectorului: IE-IC-IB=0Cum IB este foarte mic,se poate scrie : IE ~ IC

In functie de regimul de functionare,prin polarizarea tranzistoarelor se intelege dimensionarea unor elemente de circuit(rezistente, condensatoare, diode etc) care in regim de amplificare trebuisa sa fixeze un punct static de functionare convenabil ales( in lipsa semnalului de comanda) iar in regim de impulsuri sa provoace blocarea si saturarea sigura a tranzistorului. In functie de caracteristici si performante, tranzistoarele bipolare se pot clasifica dupa divere criterii, in mai multe categorii: tranzistoare de mica putere, de medie putere, de joasa frecventa, de inalta frecventa, tranzistoare de comutatie rapida etc Utilizarea tranzistoarelor in regim de amplificare va fi exemplificata pe amplificatoare si oscilatoare: AMPLIFICATORUL poate fi considerat ca un circuit electronic ce furnizeaza la iesirea sa un semnal electric cu o putere mai mare decat a semnalului de intrare.Folosind tehnica circuitelor integrate s-au obtinut amplificatoare cu parametrii ce se apropie de modelul ideal de amplificator, acestea numindu-se amplificatoare operationale(ele pot efectua si anumite operatii matematice ca : insumarea, divizarea, multiplicarea etc)

OSCILATORUL: este un circuit electronic format dintr-un amplificator si un circuit de reactie pozitiva, ce transforma tensiunea continua a alimentarii in semnal sinusoidal sau de alte forme(triunghiular, dreptunghiular,etc)

Polarizarea tranzistorului bipolar:

Polarizarea cu divizor de tensiune în bază:Pentru a funcţiona în zona activă şi a fi folosit într-o schemă de amplificare de exemplu, joncţiunile tranzistorului bipolar trebuie polarizate în curent continuu astfel încât joncţiunea emitoare să fie polarizată direct iar joncţiunea colectoare să fie polarizată invers. Polarizarea se face de la o singură sursă de alimentare, existând mai multe scheme folosite în acest scop. Una dintre cele mai utilizate scheme de polarizare în curent continuu este cea cu divizor de tensiune în baza tranzistorului,

Clasificarea tranzistoarelor:

1) Tranzistoare de mica putere: Aceste tranzistoare sunt încapsulate în plastic sau metal și nu sunt destinate montării pe radiator.

2) Tranzistoare de putere : Aceste tranzistoare sunt încapsulate în plastic sau metal și sunt destinate montării pe radiator.

3) Tranzistoare de joasa frecventa : Sunt tranzistoare destinate utilizării până la frecvența de circa 100kHz, în circuite audio și de control al puterii.

4) Tranzistoare de inalta frecventa: Sunt tranzistoare destinate aplicațiilor la frecvențe peste 100kHz, cum este domeniul radio –TV, circuite de microunde, circuite de comutație etc.

Parametrii specifici tranzistoarelor:

1)Factorul de amplificare (βf) 2) Temperatura maximă a joncțiunilor: Valoarea temperaturii maxime a joncțiunilor până la care tranzistorul funcționează normal depinde de natura semiconductorului folosit. Astfel, tranzistoarele realizate din siliciu funcționează corect până spre 200 grade C, în timp ce cele realizate din germaniu sunt limitate în funcționare în jurul valorii de 100 grade C.

Observație: La temperaturi mai mari decât cele menționate, are loc creșterea extraordinar de rapidă a concentrației purtătorilor minoritari și semiconductorul se apropie de unul intrinsec, dispozitivul pierzându-si proprietățile inițiale.

3) Puterea maximă disipată:

Puterea disipată de tranzistor apare datorită trecerii curentului prin dispozitiv. O parte din această putere este radiată în mediul ambiant și o parte produce încălzirea tranzistorului.

Puterea disipată de un tranzistor este , în principal, puterea disipată în cele două joncțiuni ale acestuia:

PDT = PDE + PDC = UEB.IE + UCB.IC.

4) Curentul de colector maxim

Reprezintă valoarea maximă pe care o poate atinge curentul de colector al unui tranzistor fără ca acesta să se distrugă. El este indicat în cataloage și depinde de particularitățile tehnologice ale tranzistorului.

5) Tensiunea maximă admisă:

Reprezintă valoarea cea mai mare a tensiunii pe care o poate suporta un tranzistor fără ca acesta să se deterioreze. Această valoare este limitată de tensiunea de străpungere a joncțiunii colector bază (polarizată invers).

Acest parametru are valori diferite în funcție de conexiunea tranzistorului și este prezentat în foile de catalog pentru fiecare situație în parte.

Fototranzistorul:

Principiul de funcţionare a unui fototranzistor se bazează pe efectul fotoelectric intern: generarea de perechi electron-gol într-un semiconductor sub acţiunea unei radiaţiei electromagnetice cu lungimea de undă în domeniul vizibil sau ultraviolet. Dacă semiconductorul este supus unei diferenţe de potenţial, atunci el va fi parcurs de un curent a cărui intensitate va depinde de mărimea fluxului luminos incident. Intensitatea lui poate fi mărită prin utilizarea proprietăţii structurii de tranzistor de a amplifica curentul.

Fototranzistorul este un tranzistor cu regiunea joncţiunii emitor-bază expusă iluminării, astfel încât rolul diferenţei de potenţial dintre bază şi emitor este jucat de fluxul luminos incident pe joncţiunea emitoare. Generarea de perechi electron-gol contribuie la micşorarea barierei de potenţial a joncţiunii şi deschiderea ei mai mult sau mai puţin, în funcţie de numărul de fotoni incidenţi. Terminalul bazei poate lipsi sau, dacă există, el permite un control suplimentar al curentului de colector.

Caracteristicile de ieşire ale unui fototranzistor sunt similare cu cele ale unui tranzistor obişnuit, cu deosebirea că, în locul parametrului IB apare iluminarea sau fluxul luminos.

BIBLIOGRAFIE:

1) IOAN RUCIUMAN-CIRCUITE DE CALE ELECTRONICE- EDITURA DIDACTICA SI PEDAGOGICA BUCURESTI 1988

2) S.D.Anghel - Bazele electronicii analogice şi digitale3) Vătășescu, Anton; Sinnreich, Heinrich; Gavăt, Ștefan; Stere, Roman; Piringer,

Reinhard (1971). Circuite cu semiconductoare în industrie - Amplificatoare și oscilatoare. București: Editură technică

4)I. STAN, S.DAVID-Centralizari electrodinamice si bloc de linie automat-editura Didactica si Pedagogica Bucuresti 1983