Warto przeczytać

W obwodach prądu stałego anoda to elektroda, która przyjmuje ładunek ujemny lub wysyła dodatni, zaś katoda to elektroda wysyłająca ładunek ujemny lub przyjmująca dodatni.

Trzecim rodzajem są elektrody oddziałujące przede wszystkim z wytwarzanym przez siebie polem elektrycznym, niekiedy także przyjmujące i emitujące ładunki elektryczne. Tego typu elektrody występują w tranzystorach i lampach elektronowych, gdzie odpowiadają za sterowanie przepływem prądu przez dany element.

Tranzystory są elementami elektronicznymi, których podstawową właściwością jest możliwość sterownia prądem o dużym natężeniu, za pomocą prądu o małym natężeniu. Ta właściwość pozwala:

• wzmacniać amplitudę małego prądu - tranzystor działa jako wzmacniacz,

• włączać i wyłączać prąd o dużym natężeniu prądem o małym natężeniu - tranzystor działa jako klucz.

Działanie tranzystora zależy od napięć, jakie doprowadzają do niego elektrody. Więcej o działaniu tranzystorów przeczytasz w e- materiałach: „Czym jest tranzystor?”, „Zasada działania tranzystora npn” i „Zasada działania tranzystora pnp”.

Stosowane są dwa typy tranzystorów: bipolarne i unipolarne.

Tranzystor bipolarny to tranzystor, w którym istotny udział w przewodzeniu prądu mają dwa typy nośników prądu występujące w półprzewodnikach: elektrony i dziury. Powstaje z połączenia trzech warstw półprzewodników p i n ułożonych w kolejności p‑n-p lub n‑p-n (Rys. 1.).

R7JW4ib7RI55r

Rys. 1. Rysunek przedstawia układ warstw półprzewodnikowych w tranzystorach npn i pnp oraz ich symbole graficzne. Rysunek składa się z dwóch części: lewej, która przedstawia układ warstw półprzewodnikowych oraz prawej, na której widać symbole tranzystorów. Układ warstw w tranzystorze przedstawiono w postaci trzech szarych prostokątów ustawionych jeden na drugim, do których podłączone są czarne złącza. W przypadku tranzystora typu npn są to zaczynając od góry warstwa oznaczona wielką niebieską literą N, której złącze opisano wielkimi literami w kolorze czerwonym – KOLEKTOR, warstwa oznaczona wielką czerwoną literą P, której złącze opisano wielkimi literami w kolorze niebieskim – BAZA, warstwa oznaczona wielką niebieską literą N, której złącze opisano wielkimi literami w kolorze zielonym – EMITER. W przypadku tranzystora typu pnp są to zaczynając od góry warstwa oznaczona wielką czerwoną literą P, której złącze opisano zielonym kolorem wielkimi literami jako EMITER, warstwa oznaczona wielką niebieską literą N, której złącze opisano niebieskim kolorem wielkimi literami jako BAZA, warstwa oznaczona wielką czerwoną literą P, której złącze opisano czerwonym kolorem wielkimi literami jako KOLEKTOR. Symbol tranzystora npn stanowi czarny okrąg, do którego od strony lewej wsunięto złącze w kształcie przewróconej w prawo czarnej wielkiej litery T i opisano wielką niebieską literą B. Pozostałe dwa złącza zostały wyprowadzone ze środka symbolu w prawo pod kątem czterdziestu pięciu stopni w górę i w dół. Górne złącze oznaczono wielką czerwoną literą C, a dolne wielką zieloną literą E i czarną strzałką skierowaną w lewy dolny róg rysunku. Symbol tranzystora pnp stanowi czarny okrąg, do którego od strony lewej wsunięto złącze w kształcie przewróconej w prawo czarnej wielkiej litery T i opisano wielką niebieską literą B. Pozostałe dwa złącza zostały wyprowadzone ze środka symbolu w prawo pod kątem czterdziestu pięciu stopni w górę i w dół. Górne złącze oznaczono wielką zieloną literą E i czarną strzałką skierowaną do środka symbolu, a dolne wielką czerwoną literą C.

Poszczególne warstwy tranzystora i doprowadzone do nich elektrody noszą nazwy odzwierciedlające ich rolę w działaniu tranzystora:

emiter (oznaczony oznaczany literą E) to warstwa silnie domieszkowana, stanowiąca źródło nośników prądu;

baza (oznaczona literą B) – warstwa cienka i słabo domieszkowana; jej zadaniem jest sterowanie prądem przepływającym przez tranzystor;

kolektor (oznaczony literą C) – „zbiera” ładunki przepływające przez tranzystor.

Działanie tranzystora bipolarnego polega na sterowaniu prądem w obwodzie kolektora IIndeks dolny C  Indeks dolny koniec_C za pomocą prądu płynącego w obwodzie bazy IIndeks dolny B_B. Jest to możliwe dzięki temu, że obszar bazy jest bardzo cienki i nośniki przenoszące prąd w obwodzie emiter – baza bardzo łatwo przenikają do obszaru kolektora i silnie wpływają na natężenie prądu płynącego w obwodzie emiter – kolektor.

Tranzystory unipolarne (polowe) to tranzystory, w których sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego, a przewodzenie prądu odbywa się dzięki jednemu rodzajowi nośników.

Jednym z typów tranzystorów polowych jest tranzystor JFET (ang. Junction Field Effect Tranzystor). Schemat budowy tego tranzystora przedstawia Rys. 2.

R1aScvzTaOukD

Rys. 2a. Rysunek przedstawia symbolicznie budowę tranzystora JFET typu n. Tranzystor przedstawiono w postaci czarnego prostokąta pomalowanego wewnątrz szarym kolorem. Wnętrze prostokąta wypełniają głównie cząstki naładowane ujemnie przedstawione w postaci niebieskich kółek z białym znakiem minus w środku. Wewnątrz prostokąta znajdują się również cząstki naładowane dodatnio przedstawione w postaci czerwonych kółek z białym znakiem plus w środku. Do lewego boku prostokąta podłączono czarne złącze źródła oznaczone wielką literą S, a miejsce styku z tranzystorem dodatkowo zaznaczono na żółto. Do prawego boku prostokąta podłączono czarne złącze drenu oznaczone wielką literą D, a miejsce styku z tranzystorem dodatkowo zaznaczono na żółto. Obszary wewnątrz tranzystora w pobliżu tych dwóch złącz zostały oznaczone małymi literami n. Do górnego i dolnego boku prostokąta podłączono czarne połączone ze sobą złącza bramki oznaczone wielką literą G, a miejsce styku z tranzystorem dodatkowo zaznaczono na żółto. Wewnątrz tranzystora cząstki rozłożone są chaotycznie po całej powierzchni z wyjątkiem okolic złącz bramki, gdzie zbierają się cząstki naładowane ujemnie, a wokół nich te naładowane dodatnio.

RHPQBlxgwkB1y

Rys. 2b. Rysunek przedstawia czarno‑biały symbol tranzystora unipolarnego. Tranzystor został przedstawiony w postaci okręgu, do którego od lewej strony wprowadzono złącze w kształcie dużej litery T położonej na prawym boku oznaczone dużą czarną literą G. Na złączu tym widać strzałkę skierowaną w stronę prawą. Z górnej i dolnej części daszka litery T wyprowadzono w górę złącze drenu oznaczone dużą czarną literą D a w dół złącze źródła oznaczone dużą czarną literą S. Obydwa te złącza mają kształt dużej litery L.

Prąd przepływa między elektrodami S (źródło) i D (dren) po przyłożeniu między nimi napięcia. Wartość natężenia prądu jest sterowana napięciem przyłożonym między elektrodami S i G (bramka). Napięcie przyłożone do bramki zmienia opór elektryczny obszaru między źródłem i drenem.

Efekt działania obu rodzajów tranzystorów jest podobny: dwie elektrody doprowadzają napięcie do tranzystorów zachowując się podobnie jak katoda i anoda. Elektrodami tymi są emiter i kolektor w tranzystorze bipolarnym oraz źródło i dren w tranzystorach unipolarnych. Jedna z nich emituje nośniki prądu (emiter i źródło) , zadaniem drugiej jest zbieranie ładunków przepływających przez tranzystor. Napięcie doprowadzane do trzeciej elektrody: bazy w tranzystorach bipolarnych i bramki w tranzystorach unipolarnych steruje natężeniem prądu przepływającego przez tranzystor.

W zależności od wielkości i kierunków napięć doprowadzonych do elektrod, tranzystor może znaleźć się w różnych stanach pracy. Dla tranzystora bipolarnego wyróżnia się następujące stany: 

– Aktywny, w którym tranzystor pracuje jako wzmacniacz, a związek między natężeniami prądów kolektora i bazy opisuje wzór IIndeks dolny c_c = βbeta·IIndeks dolny B_B , gdzie βbeta – współczynnik wzmocnienia tranzystora. Jego wartość wynosi zazwyczaj powyżej 100.

– Nasycenia, gdy duży prąd bazy dostarcza na tyle dużo nośników prądu w obszar bazy, że opór elektrycznyopór elektryczny (czynny)opór elektryczny obwodu kolektor - emiter staje się bardzo mały, napięcie między kolektorem i emiterem spada do wartości bliskiej zero i natężenie prądu kolektora praktycznie nie zależy od napięcia zasilania obwodu emiter – kolektor.

– Zatkania, w którym napięcie UIndeks dolny EB_EB jest równe 0 lub jest w stanie zaporowym, wówczas z powodu braku nośników prądu w obszarze bazy, natężenie prądu kolektora Ic jest praktycznie równe 0.

– Inwersyjnym, gdzie emiter jest spolaryzowany zaporowo, a kolektor w stanie przewodzenia. Stan ten charakteryzuje niewielkie wzmocnienie prądowe tranzystora.

Analogiczne, ale inaczej nazywane, stany pracy mają tranzystory unipolarne.

Zastosowania tranzystora związane są z jego możliwymi stanami pracy:

- W stanie aktywnym tranzystor może pracować jako wzmacniacz.

- Przejście tranzystora między stanem nasycenia a zatkania wykorzystywane jest jako szybki system przełączający (tzw. klucz tranzystorowy) w logicznych obwodach cyfrowych oraz układach impulsowych.

Słowniczek