TRANZISTORY

Tranzistor - tímto slovem byla poprvé r. 1947 označena „krystalová trioda“, kterou vynalezli nositelé Nobelovy ceny pánové Shockley, Brattain a Baarden při zkoumání povrchových vlastností germania pomocí hrotových kontaktů.

Název „tranzistor“ vznikl ze základní vlastnosti, která spočívá v tom, že je v tranzistoru proudem řídícího obvodu (báze-emitor) měněn proud řízeného obvodu (kolektor-emitor).

Jeho pojmenování vzniklo z anglických slov TRANsfer reZISTOR , to znamená změnu (transformaci) odporu mezi dvěma svorkami řízenou velikostí proudu v řídícím obvodu třetí svorky.

TRANZISTORY

TRANZISTORY

Tranzistory jsou tedy elektronické aktivní součástky nejčastěji se třemi elektrodami.

Podle toho, které nosiče náboje se zúčastňují na vedení proudu tranzistorem, rozlišujeme tranzistory na:

BIPOLÁRNÍ (zkr. BJT – Bipolar Junction Transisotr),

UNIPOLÁRNÍ (zkr. FET – Field Efect Tranzistror) a

KOMBINOVANÉ (zkr. IGBT – Insulated Gate Bipolar Tranzistor).

TRANZISTORY

Bipolární tranzistory mají dva polovodičové přechody a tři elektrody, které jsou označeny jako EMITOR, KOLEKTOR a BÁZE.

Skládají se tedy ze tří vrstev, které mají různé typy vodivosti.

Střední vrstva = báze, krajní vrstvy se označují jako emitor a kolektor, přičemž krajní vrstvy mají vždy odlišný typ vodivosti než báze.

Je-li báze s vodivostí typu N a krajní vrstvy mají vodivost typu P, označujeme tranzistor jako typ PNP, je- li tomu naopak, jde o tranzistor typu NPN.

TRANZISTORY

Struktura a schematická značka tranzistoru PNP a NPN

TRANZISTORY

V tranzistoru vznikají dva přechody, tak, že je mezi dva polovodiče typu N umístěn polovodič typu P (uspořádání NPN), nebo je mezi dva polovodiče typu P umístěn polovodič typu N (uspořádání PNP).

Princip činnosti bipolárních tranzistorů

Funkce bipolárního tranzistoru je založena na vzájemném působení dvou přechodů PN. Mezi dvěma oblastmi typu N (P), z nichž jedna je spojena s elektrodou „kolektor“ a druhá s elektrodou „emitor“, je umístěna úzká oblast typu P (N) spojená s elektrodou báze tranzistoru - tranzistor NPN (PNP).

TRANZISTORY

Funkce bipolárního tranzistoru je založena na vzájemném působení dvou přechodů PN. Při této polarizaci napětí dochází k silné injekci elektronů (většinových nosičů) z emitorové oblasti N do oblasti báze P (zde se stávají menšinovými nosiči). Elektrony se difúzním pohybem přibližují ke kolektorové oblasti N, a protože tato oblast je k emitorové oblasti velmi blízko (zatímco kontakt B je daleko), způsobí silné elektrické pole ochuzené vrstvy kolektorového přechodu, že elektrony přejdou do kolektorové oblasti N. Pouze malá část elektronů v oblasti báze rekombinuje. Vlivem kolektorového přechodu je tak proud ze smyčky B-E přemístěn do smyčky C-E. Malým proudem báze je řízen velký proud kolektoru.

S velikostí UBE vzrůstá proud elektronů, které procházejí z emitoru do oblasti kolektoru.

Závislost kolektorového proudu na napětí UBE je nazývána tranzistorový jev.

TRANZISTORY

Bipolární tranzistor může pracovat ve čtyřech režimech činnosti (někdy je uváděno pět režimů, přičemž pátým režimem je průraz, který ve většině případů je nežádoucí).

Režimy jsou dány polaritami připojených napětí UBE a UCE. Tyto režimy mohou být:

aktivní;

inverzní aktivní;

nevodivý;

saturační.

Pro tranzistor můžeme použít následující definici. Bipolární tranzistor je aktivní polovodičová součástka, u které malý proud bází vyvolá velký proud kolektorem.

TRANZISTORY

Bipolárním tranzistorem tečou tři různé proudy:

kolektorový proud Ic;

proud bází IB;

emitorový proud IE.

Mezi uvedenými třemi proudy platí následující závislost IE = IB + IC.

Strukturu bipolárního tranzistoru si můžeme představit jako sériové zapojení dvou polovodičových diod. Vždy dioda, která je spojena s kolektorem, je polarizována v závěrném směru, dioda s emitorem je polarizována v propustném směru.

Hlavní rozdíl mezi tranzistorem NPN a PNP je v tom, že napájecí napětí tranzistoru v aktivním režimu činnosti PNP mají opačnou polaritu než napětí tranzistoru NPN a rovněž proudy tekoucí tranzistorem PNP mají opačný směr než proudy tekoucí tranzistorem NPN.

TRANZISTORY

Vlastnosti tranzistoru můžeme znázornit graficky v jednom obrázku. V prvním kvadrantu je výstupní charakteristika IC = f (UCE), ve třetím kvadrantu vstupní charakteristika - závislost IB a UBE.

TRANZISTORY

Vstupní charakteristika tranzistoru je podobná VA charakteristice diody. U křemíkového tranzistoru je typická hodnota napětí UBE = 0,6 V, při saturaci max. 0,7V. Je-li tranzistor otevřen, musíme na něm vždy tuto hodnotu naměřit. Při nižších hodnotách UBE musí být uzavřen (obvodem kolektor - emitor neprotéká proud).

Výstupní charakteristika je popsána soustavou křivek, kde parametrem je proud báze (parametrická charakteristika). Je z ní vidět, že proud kolektoru je převážně závislý na proudu báze. Všechny křivky se sbíhají na tzv. mezní přímce. Při úplném otevření tranzistoru (UCE se blíží nule) tranzistor již nemůže zesilovat proud, chová se jako kdyby mezi kolektorem a emitorem byl velmi malý odpor. Říkáme, že tranzistor je ve stavu saturace - nasycení.

Nejjednodušší model tranzistoru je dán vztahem iC = β . iB

TRANZISTORY

Hodnota parametrů tranzistoru závisí na:

základním zapojení: SB, SE, SC; poloze klidového pracovního bodu; kmitočtu přenášeného signálu;

teplotě tranzistoru – běžně jsou měřeny při teplotě 25 ℃.

TRANZISTORY

Pracovní oblast tranzistorů je omezena mezními parametry, při jejichž překročení hrozí nebezpečí zničení tranzistoru. K těmto parametrům patří zejména:

maximální kolektorová ztráta PCmax - je určena nejvyšší povolenou teplotou kolektorového přechodu. Oblast, ve které je překročena maximální povolená kolektorová ztráta, je dána hyperbolou dle vztahu

PZ = UBE . IB + UCB . IC ≅ UCE . IC = PC

maximální kolektorový proud ICmax - je určen konstrukcí tranzistoru. Podobně jako při překročení maximální kolektorové ztráty, může dojít při překročení ICmax k přehřátí kolektorového přechodu tranzistoru;

TRANZISTORY

mezní napětí kolektor-emitor UCEmax - je napětí mezi kolektorem a emitorem při rozpojeném obvodu báze. Při překročení tohoto mezního napětí může dojít k napěťovému průrazu a ke zničení přechodu kolektor-báze. Je-li kolektorový proud omezen odporem dostatečné velikosti, je tento průraz nedestruktivní - používá se pro jeho měření.

maximální proud báze IBmax - jeho velikost je určena konstrukcí tranzistoru, u výkonových tranzistorů je větší než u tranzistorů malého výkonu;

mezní napětí emitor-báze UEB0 - je to mezní napětí závěrně polarizovaného přechodu mezi emitorem a bází. Toto mezní napětí má velikost řádově jednotky voltů (např.5V). Je-li závěrný proud báze omezen odporem dostatečné velikosti, je průraz závěrně polarizovaného přechodu emitor-báze nedestruktivní.

Aby tranzistor mohl pracovat jako dvojbran, musí být jeden z jeho tří vývodů společný pro vstupní i výstupní bránu. Způsob zapojení nemá

TRANZISTORY

vliv na vnitřní činnost tranzistoru, ale projevuje se různými vlastnostmi z hlediska vstupu a výstupu, jako je vstupní a výstupní impedance, fázový posuv výstupního signálu vůči vstupnímu, velikosti zesílení vstupního signálu atd.

Základní zapojení tranzistoru mají názvy podle toho, která elektroda je společná:

zapojení se společnou bázi (SB);

zapojení se společným emitorem (SE);

zapojení se společným kolektorem (SC, SK).

Z uvedených zapojení je nejčastěji používáno zapojení SE. Zapojení SB je používáno zřídka, zpravidla na vysokých kmitočtech. Zapojení SC slouží hlavně pro impedanční oddělení obvodů.

Základní zapojení tranzistorů

TRANZISTORY

Se společnou bází - SB

Toto zapojení je charakteristické malým vstupním odporem, velkou výstupní impedancí, velkou stabilitou.

Se společným emitorem - SE

Pro toto zapojení je typická velká vstupní impedance, proudové a napěťové zesílení, výstupní fáze je otočena o 180o.

Se společným kolektorem - SC

Toto zapojení je typické velkým proudovým zesílením, velkým vstupním a nízkým výstupním odporem.

Používá se poměrně zřídka

TRANZISTORY

TRANZISTORY

Proudový zesilovací činitel β

U zapojení tranzistoru se společným emitorem zjistíme velikost statického zesilovacího činitele β takovým způsobem, že nejprve nastavíme proud IB a napětí UCE. Pomocí těchto dvou veličin jsme nastavili pracovní bod tranzistoru. Poté změříme proudu IC. Velikost

TRANZISTORY

proudového zesilovacího činitele β pro tento pracovní bod vypočteme ze vztahu:

| UCE = konst.

Obrázky různého provedení tranzistorů:

TRANZISTORY

TRANZISTORY