Spis treści:
- 1 Tranzystor – wszystko, co musisz wiedzieć
- 2 Tranzystory - półprzewodniki w natarciu
- 3 Tranzystory - następcy lamp elektronowych
- 4 Jakie są podstawowe funkcje tranzystorów w układach elektronicznych?
- 5 Tranzystory w układach scalonych
- 6 Tranzystory bipolarne
- 7 Najważniejsze parametry tranzystorów bipolarnych
- 8 Stany pracy tranzystorów bipolarnych
- 9 Tranzystory unipolarne
- 10 Przykładowe zastosowania tranzystorów
Tranzystor – wszystko, co musisz wiedzieć
Tranzystor to jeden z podstawowych elementów budowy prawie wszystkich urządzeń elektronicznych wokół nas – nieważne, w którą stronę spojrzysz!
Tranzystory - półprzewodniki w natarciu
W tym artykule przedstawiono najważniejsze aspekty dotyczące budowy i zasady działania tranzystorów stosowanych w układach elektronicznych.
Tranzystory - następcy lamp elektronowych
Wynalezienie tranzystora pod koniec lat 40. XX wieku było dokonaniem, które całkowicie zmieniło kierunek rozwoju technologii w skali światowej, co można zobaczyć po dziś dzień. W wielu aplikacjach tranzystory wyparły lampy elektronowe, choć nie we wszystkich – pasjonaci sprzętu elektroakustycznego preferują brzmienie wzmacniaczy, w których przynajmniej stopień mocy jest zbudowany na podstawie lamp elektronowych. Lampy elektronowe doskonale sprawdzają się również w technice mikrofalowej i urządzeniach łączności wojskowej. Niemniej jednak, w porównaniu do przyrządów techniki próżniowej, tranzystory odznaczają się znacznie niższym poborem prądu, a ich niewielkie wymiary pozwalają na zmniejszenie wymiarów obudów urządzeń elektronicznych. Co więcej, tranzystory mogą występować jako pojedyncze elementy dyskretne. Na ich podstawie jest zbudowana struktura wewnętrzna prawie każdego układu scalonego, zarówno wzmacniacza operacyjnego, którego struktura wewnętrzna zawiera zwykle dziesiątki tranzystorów (np. wzmacniacz operacyjny LM741 zawiera 20 tranzystorów), jak i procesorów do komputerów klasy PC, gdzie możliwości współczesnego procesu litograficznego pozwalają na wykonywanie układów zbudowanych z nawet kilkudziesięciu miliardów tranzystorów! Stąd tranzystory można znaleźć niemal wszędzie – w pralkach, telewizorach, samochodach, telefonach, komputerach, robotach, elektronarzędziach, zabawkach, statkach powietrznych, sprzęcie audio i wielu, wielu innych urządzeniach.
Jakie są podstawowe funkcje tranzystorów w układach elektronicznych?
Zasadniczo tranzystory pełnią dwie funkcje w układach elektronicznych – przełączanie i wzmacnianie sygnałów elektrycznych. W procesie przełączania, wykorzystując tranzystory, możesz kontrolować włączanie i wyłączanie przepływu strumienia elektronów w dowolnej części układu elektronicznego, odpowiednio do jego stopnia rozbudowania. Natomiast proces wzmacniania sygnałów przez tranzystory polega na przechowywaniu i transmisji tych sygnałów o niskiej amplitudzie w celu ich wzmocnienia. Tę własność wykorzystuje się m.in. w radioelektronice.
Tranzystory w układach scalonych
Kolejnym istotnym krokiem technologicznym po wynalezieniu tranzystorów było powstanie układów scalonych, które składają się z wielu miniaturowych tranzystorów. W dalszym ciągu popularne jest tworzenie prototypów układów elektronicznych z elementów dyskretnych, w skład których wchodzą m.in. pojedyncze tranzystory, np. we wzmacniaczach audio. Taka praktyka miała miejsce również w czasach, kiedy układy scalone były już dostępne, ale były zbyt drogie, żeby zostały wdrożone do seryjnej produkcji urządzeń elektronicznych.
Tranzystory bipolarne
Jednym z najbardziej rozpowszechnionych rodzajów tranzystorów we współczesnej elektronice są tranzystory bipolarne (BJT), zwane także złączowymi. Takie tranzystory stanowią połączenie dwóch złączy półprzewodnikowych typu p-n, które razem tworzą strukturę trójwarstwową. Na pograniczu samego złącza p-n spotykają się ze sobą dziury (p) i elektrony (n). Poszczególne obszary przewodnictwa w tranzystorze bipolarnym są wyprowadzone na zewnątrz poprzez emiter (E), bazę (B) i kolektor (C). Pod kątem polaryzacji tranzystory bipolarne dzielimy na:
- tranzystory n-p-n – półprzewodnik typu p stanowi bazę tranzystora i jest umieszczony pomiędzy dwiema warstwami typu n;
- tranzystory p-n-p – półprzewodnik typu N stanowi bazę tranzystora i jest umieszczony pomiędzy dwiema warstwami typu P.
Każdy tranzystor bipolarny ma dwa złącza – złącze baza-emiter (B-E) i złącze baza-kolektor (B-C). Tranzystory bipolarne są elementami sterowanymi prądowo. Przykładając odpowiednie napięcie do bazy względem emitera poprzez rezystory ograniczające, polaryzujesz to złącze i wymuszasz przepływ prądu w jego obwodzie. W zależności od rodzaju tranzystora przepływ prądu w tranzystorze n-p-n jest wyzwalany napięciem dodatnim, a w tranzystorze p-n-p – napięciem ujemnym. Wsteczna polaryzacja napięcia powoduje przestawienie tranzystora w stan zaporowy.
Najważniejsze parametry tranzystorów bipolarnych
Tranzystor bipolarny i zjawiska w nim zachodzące w celach praktycznych można opisać za pomocą następujących parametrów:
UBE – napięcie baza-emiter – po jego przekroczeniu tranzystor przechodzi w stan przewodzenia;
IB – prąd bazy – prąd wpływający do bazy tranzystora, steruje przepływem prądu kolektora;
IC – prąd kolektora – jest równy prądowi bazy pomnożonemu przez wzmocnienie tranzystora;
IE – prąd emitera – prąd wypływający z emitera, będący sumą prądu bazy i prądu kolektora;
hFE – współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora.
Stany pracy tranzystorów bipolarnych
Tranzystor bipolarny może znajdować się w trzech stanach pracy.
- Stan odcięcia – jeśli napięcie baza-emiter jest mniejsze od ok. 0,7 V, prąd w bazie nie płynie, a rezystancja złącza kolektor-emiter wskazuje na warunki zbliżone do rozwarcia obwodu, więc tranzystor nie przewodzi.
- Stan aktywny – jeśli napięcie baza-emiter wynosi co najmniej ok. 0,7 V, przez bazę płynie prąd, a rezystancja złącza kolektor-emiter ulega znacznemu zmniejszeniu. Wartość prądu kolektora w stanie przewodzenia jest proporcjonalna do prądu bazy. Stosunek prądu kolektora do prądu bazy określa wzmocnienie prądowe tranzystora. W takim trybie działania tranzystor pełni funkcję prostego wzmacniacza prądu.
- Stan nasycenia – jeśli napięcie baza-emiter jest większe niż ok. 0,7 V, to prąd bazy zostaje odpowiednio podniesiony. Wówczas rezystancja złącza kolektor-emiter jeszcze bardziej maleje. W tym przypadku wartość prądu płynącego przez kolektor jest najwyższa. Taki tranzystor zachowuje się jak przełącznik, który zwiera obwód przez minimalną możliwą rezystancję złącza kolektor-emiter. W takich warunkach wartość prądu emitera jest zbliżona do wartości prądu kolektora, ponieważ zwykle prąd sterujący bazy jest niewielki.
Tranzystory unipolarne
Obok tranzystorów bipolarnych ogromnie dużym uznaniem i popularnością cieszą się wśród elektroników tranzystory unipolarne, zwane także tranzystorami polowymi (FET). W odróżnieniu od tranzystorów bipolarnych są przyrządami sterowanymi napięciowo. Kanał przewodzący tranzystora polowego może być wykonany z półprzewodnika typu n lub półprzewodnika typu p. Wzdłuż kanału przewodzącego dren-źródło jest umieszczona elektroda sterująca, zwana bramką, która jest wykonana z półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa. I tak w tranzystorze polowym z kanałem typu n bramka jest wykonana z półprzewodnika typu p, a w tranzystorze polowym z kanałem typu p bramka jest wykonana z półprzewodnika typu n. Do najważniejszych podtypów tranzystorów polowych należą tranzystory MOSFET oraz tranzystory J-FET, których główna różnica tkwi w konstrukcji bramki. Przykładając odpowiednie napięcie progowe pomiędzy bramkę a źródło tranzystora polowego, przełączysz go w stan przewodzenia, przy czym tranzystor polowy z kanałem typu n jest wyzwalany napięciem dodatnim, a tranzystor polowy z kanałem typu p – napięciem ujemnym.
Bramka jest izolowana względem kanału dren-źródło poprzez cienką warstwę tlenku krzemu. Przekroczenie dopuszczalnej wartości napięcia sterującego (typowo ok. 20 V) w większości przypadków prowadzi do nieodwracalnego uszkodzenia tranzystora. Z tego względu takie tranzystory są również wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne, dlatego należy je przechowywać w odpowiednio zabezpieczonych pojemnikach ESD.
Przykładowe zastosowania tranzystorów
Zakres praktycznych zastosowań tranzystorów jest niemal nieograniczony. Za pomocą tych elementów, dobierając odpowiednie elementy pomocnicze (np. diody, rezystory, kondensatory) i łącząc je ze sobą w odpowiedni sposób, możesz stworzyć różne układy elektroniczne. Do najpopularniejszych zastosowań tranzystorów należą m.in. wzmacniacze audio, w których zarówno stopień przedwzmacniacza, jak i stopień mocy mogą być wykonane na tranzystorach, przy czym należy pamiętać, że im większa moc tranzystorów w stopniu mocy, tym większy radiator chłodzący należy dobrać. Tranzystory mogą także posłużyć do zbudowania generatorów akustycznych oraz rozbudowanych układów sterujących, np. przekaźnikami i stycznikami.
