Warto przeczytać

Tranzystory są elementami elektronicznymi, których podstawową właściwością jest możliwość sterownia prądem o dużym natężeniu, za pomocą prądu o małym natężeniu. Ta właściwość pozwala, między innymi, wzmacniać amplitudę małego prądu (tranzystor działa jak wzmacniacz), czy też włączać i wyłączać prąd o dużym natężeniu za pomocą prądu o małym natężeniu (tranzystor działa jak klucz).

Stosuje się powszechnie 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). Półprzewodnik typu n to półprzewodnik, w którym w wyniku domieszkowania zwiększa się ilość elektronów swobodnych. Natomiast typ p to półprzewodnik, w którym domieszkowanie zwiększa ilość dziur – dodatnich nośników prądu. Dziurą nazywa się brak elektronu w wiązaniu międzyatomowym. Ten brak elektronu może się przemieszczać w materiale mając cechy dodatniego nośnika ładunku. Więcej o domieszkowaniu półprzewodników możesz przeczytać w e‑materiałach „ Półprzewodniki typu n” i „Półprzewodniki typu p”.

RdLU8P6y7iOhx

Rys. 1a. to schemat układu warstw półprzewodnikowych w tranzystorach npn i pnp w postaci dwóch równoległych grafik. Lewa i prawa grafika to pionowy prostokąt w kolorze szarym w dwóch odcieniach z dodatkowymi elementami w kolorze czarnym przypominającymi kształtem pieczątki. Napisy w lewej grafice od góry: NPN, KOLEKTOR, BAZA, EMITER oraz wewnątrz prostokąta oznaczenia warstw półprzewodnikowych: N, P i N. Napisy w prawej grafice od góry: PNP, EMITER, BAZA, KOLEKTOR oraz wewnątrz prostokąta oznaczenia warstw półprzewodnikowych: P, N i P. Litery N są koloru niebieskiego, a litery P - czerwonego.

R1Vupr7D3iHlO

Rys. 1b. to schematy symboli graficznych tranzystorów w postaci dwóch równoległych grafik. Lewa i prawa grafika to okrąg z wąskim czarnym długim pionowym prostokątem w środku, od którego odchodzą trzy proste oznaczone literami: B w kolorze niebieskim, C w kolorze czerwonym i E w kolorze zielonym Nad grafikami napisy: NPN i PNP.

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

emiter (oznaczony 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.

Warstwy zewnętrzne są stosunkowo grube. Warstwa środkowa powinna być na tyle cienka, aby mogły przez nią dyfundować nośniki z emitera do kolektora. Jej grubość wynosi około 0,01‑0,03 mm. Obszar emitera powinien zawierać znacznie więcej nośników większościowychnośniki większościowenośników większościowych niż obszar bazy. Dzięki temu prąd płynący od strony emitera może być nawet 10Indeks górny 3³ – 10Indeks górny 5⁵ razy większy niż prąd płynący od strony bazy. Do każdego z tych półprzewodników jest podłączona elektroda, wyprowadzona na zewnątrz obudowy tranzystora.

Na styku warstw półprzewodnikowych w tranzystorze powstają dwa złącza p‑n, przez które dyfundują nośniki. Doprowadza to do powstania bariery ładunku i wynikającej z niej, napięcia elektrycznego między sąsiednimi obszarami tranzystora (Rys.2). Więcej o zjawiskach zachodzących na złączu p‑n przeczytasz w e‑materiale „Budowa diody”. Z powodu powstania bariery ładunku, złącze p‑n ma właściwość dobrego przewodzenia prądu tylko w jednym kierunku – od obszaru p do n.

R12aM2sQ0DIFI

Rys. 2. to schemat powstawania bariery ładunku na złączach w tranzystorze bipolarnym na przykładzie tranzystora n p‑n. Po lewej i prawej stronie szary prostokąt z małymi kółeczkami w kolorze niebieskim i czerwonym ułożonymi chaotycznie. Niebieskie kółeczka oznaczone znakiem minus, a czerwone znakiem plus. Między nimi pięć pionowych wąskich warstw w kolorach czerwonym i niebieskim naprzemiennie z małymi kółeczkami w kolorze niebieskim i czerwonym. Wokół schematu opisy od lewej zgodnie z ruchem wskazówek zegara: Emiter, n, złącze p‑n, p, złącze p‑n, n, Kolektor, Baza.

Taki rozkład ładunków i napięć w tranzystorze pozwala sterować prądem o stosunkowo dużym natężeniu (pomiędzy kolektorem i emiterem) za pomocą prądu o dużo mniejszym natężeniu (w układzie emiter – baza). Możliwość ta wynika z tego, że prąd płynący w układzie kolektor - baza wpływa na koncentrację nośnikówkoncentracja nośników prądukoncentrację nośników w obszarze bazy, co wpływa na możliwość przepływu prądu przez złącze baza kolektor. Szczegółowo o zasadzie działania tranzystora bipolarnego przeczytasz w e‑materiałach „Zasada działania tranzystora typu pnp” i „Zasada działania tranzystora typu npn”.

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 Transistor). Schemat budowy tego tranzystora przedstawia Rys.3.

Rc3z6RZmcF5bH

Rys. 3a. to schemat budowy tranzystora unipolarnego. Szary prostokąt z małymi kółeczkami w kolorze niebieskim i czerwonym ułożonymi chaotycznie. Niebieskie kółeczka oznaczone znakiem minus, a czerwone znakiem plus. Przy górnej i dolnej krawędzi prostokąta wąskie prostokąty w kolorze ciemnoszarym z regularnie ułożonymi małymi kółeczkami w kolorze niebieskim i czerwonym Wokół schematu umieszczono opisy od lewej zgodnie z ruchem wskazówek zegara: S, G, D, G oraz cienkie czarne linie oznaczające obwód elektryczny.

RZeiy5Jw7PIde

Rys. 3b. Rysunek przedstawia symbol tranzystora JFET typu n. W okręgu znajduje się wąski długi pionowy prostokąt, od którego odchodzą z prawej strony dwie proste łamane oznaczone literami: wielkie D na górze i wielkie S na dole. Z lewej pozioma strzałka skierowana w prawo z oznaczeniem wielkie G.

Tranzystor JFET składa się z jednej, głównej warstwy półprzewodnika (zazwyczaj typu n ze względu na większą ruchliwości elektronów niż dziur i dzięki temu lepsze przewodzenie prądu przez półprzewodnik typu n), której zadaniem jest przewodzenie prądu. Po dwóch stronach tego głównego elementu wytwarzane są warstwy półprzewodnika drugiego typu stanowiące tak zwaną bramkę. W opisywanym przykładzie główna warstwa jest typu n, a bramka typu p. Warstwy typu p są ze sobą połączone przewodnikiem. Obszar półprzewodnika typu n pomiędzy bramką typu p nazywa się kanałem.

W tranzystorach polowych wyróżnia się trzy elektrody źródło – S (ang. source) i dren - D (drain), pomiędzy którymi ma płynąć prąd elektryczny, oraz bramkę G (gate), która steruje natężeniem prądu płynącego przez kanał.

Dzieje się tak, ponieważ po przyłożeniu do bramki ujemnego napięcia, złącze między obszarami p bramki i n kanału zostanie spolaryzowane zaporowo. Powoduje to tworzenie się ładunku przestrzennego na złączu p - n i po stronie półprzewodnika n gromadzą się ładunki dodatnie – zwiększa się koncentracjakoncentracja nośników prądukoncentracja dziur (Rys. 4).

ReDDeSO0cMcjW

Rys. 4. to schemat powstawania ładunku przestrzennego na złączu p n w tranzystorze JFET typu n, blokującego przepływ prądu przez kanał tranzystora. Szary prostokąt z małymi kółeczkami w kolorze niebieskim i czerwonym ułożonymi chaotycznie. Niebieskie kółeczka oznaczone znakiem minus, a czerwone znakiem plus. Przy górnej i dolnej krawędzi prostokąta wąskie prostokąty w kolorze ciemnoszarym z regularnie ułożonymi małymi kółeczkami w kolorze niebieskim i czerwonym. Wokół schematu opisy od lewej zgodnie z ruchem wskazówek zegara: S, G, D, G oraz cienkie czarne linie oznaczające obwód elektryczny wraz z dwoma źródłami napięcia w postaci dwóch odcinków pionowych równoległych do siebie – jeden wąski oznaczony znakiem plus i drugi szerszy i krótszy oznaczony znakiem minus oraz linie czerwone obrazujące kierunek przepływu prądu.

Dodatni ładunek przestrzenny w obszarze kanału, którego wielkość zależy od napięcia przykładanego między źródłem i bramką, „zatyka” kanał, utrudniając przepływ elektronom – zwiększa opór elektryczny kanału. Ten efekt daje możliwość sterowania natężeniem prądu między elektrodami S‑D za pomocą napięcia przyłożonego do bramki, przy stałym napięciu między źródłem i drenem. Wpływ napięcia między źródłem i bramką na natężenie prądu płynącego między źródłem i drenem ilustruje wykres na Rys.5.

R1RdBkyK02Tcy

Rys. 5. przedstawia wykres zależności natężenia prądu przepływającego przez tranzystor JFET. Oś pozioma oznaczona: wielka literą U z indeksem dolnym wielkie litery GS, oraz w nawiasie kwadratowym wielka litera V, a oś pionowa oznaczona wielką literą I z indeksem dolnym wielka litera D oraz w nawiasie kwadratowym jednostka miliamper [mA]. Osie wyskalowane, pionowa od 0 do 10 co dwie jednostki, a pozioma 0d -3 do 0 co jednostkę. Wykres w postaci gładkiej krzywej rosnącej w drugiej ćwiartce układu współrzędnych zaczyna się tuż przy osi poziomej w okolicach wartości -3 i wznosi się do wartości około 10 na osi pionowej. Rysunki po lewej ilustrują stopniowe zatykanie kanału powodowane wzrostem napięcia między źródłem i bramką. Wszystkie trzy to prostokąty z poziomymi gładkimi liniami w kolorze szarym wewnątrz, oznaczonymi p z górnym indeksem znak plus. W kolejnych rysunkach szare linie są coraz szersze. Wokół prostokąta umieszczono oznaczenia: S, G, D, G.

Słowniczek