Warto przeczytać

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

Tranzystor pnp jest rodzajem tranzystora bipolarnego. W tego typu tranzystorach udział w przewodzeniu prądu mają dwa typy nośników prądu występujące w półprzewodnikach: elektrony i dziury, choć dominuje jeden typ nośnika - w tranzystorach pnp są to dziury.

Tranzystory pnp są wykonywane najczęściej z krzemu, ale do ich produkcji można także użyć innych półprzewodników, na przykład: germanu, arsenku galu, azotku galu. Powstają one z połączenia trzech warstw półprzewodników p i n ułożonych w kolejności p‑n-p (Rys.1).

R1Rw8Rr1gyAem

Rys. 1. Rysunek składa się z dwóch części. W lewej z nich znajduje się schemat układu warstw półprzewodnikowych w tranzystorze pnp. Obraz składa się on z trzech prostokątów, ułożonych obok siebie w poziomej linii i połączonych pionowymi bokami. Dwa skrajne prostokąty mają o wiele większą długość niż wysokość, a w środku mają litery p. Środkowy prostokąt ma zbliżone wysokość i długość i w środku ma literę n. Przy prostokątach znajdują się symbole w kształcie wielkiej litery T przedstawiające wyprowadzenia elektryczne. Wyprowadzenie dotyka odpowiedniego boku prostokąta daszkiem litery T. Przy lewym prostokącie wyprowadzenie znajduje się przy lewym boku, przy środkowym – przy dolnym boku, a przy prawym – przy prawym boku. W części po prawej stronie widoczny jest symbol graficzny tranzystora. Składa się on z okręgu, wewnątrz którego znajduje się gruba pionowa kreska. Kreska jest przesunięcia na lewo od środka okręgu. Ze środka grubej pionowej kreski wychodzą trzy cienkie kreski. Pierwsza jest pozioma, skierowana w lewo i wychodzi poza okrąg. Nad tą kreską znajduje się wielka litera B. Druga biegnie pionowo i w prawo, wychodzi poza okrąg, załamuje się do pionu i biegnie w górę. Nad kreską zapisano wielką literę E. Wewnątrz okręgu, na skośnym odcinku kreski zaznaczono grot strzałki skierowany do grubej kreski. Strzałka symbolizuje kierunek prądu płynącego w tranzystorze. Trzecia biegnie w dół i w prawo, wychodzi poza okrąg, załamuje się do pionu i biegnie w dół. Pod tą kreską zapisano wielką literę C. Litery nie są częścią symbolu tranzystora, opisują jedynie jego elementy.

Półprzewodnik typu n to taki, w którym w wyniku domieszkowania zwiększa się ilość elektronów swobodnych. W półprzewodniku typu p 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 możesz przeczytać w e‑materiałach „Półprzewodniki typu n” i „Półprzewodniki typu p”.

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

RxnNcTA61seN7

Rys. 2. Na rysunku znajduje się schemat układu warstw półprzewodnikowych w tranzystorze pnp, wraz z rozkładem ładunku elektrycznego podczas pracy tranzystora. Schemat składa się on z trzech prostokątów, ułożonych obok siebie w poziomej linii i połączonych pionowymi bokami. Dwa skrajne prostokąty mają o wiele większą długość niż wysokość, a nad nimi zapisano litery p. Środkowy prostokąt ma zbliżone wysokość i długość oraz zapisano nad nim literę n. Przy prostokątach znajdują się symbole w kształcie wielkiej litery T przedstawiające wyprowadzenia elektryczne. Wyprowadzenie dotyka odpowiedniego boku prostokąta daszkiem litery T. Przy lewym prostokącie wyprowadzenie znajduje się przy lewym boku. Obok zapisano słowo emiter. Przy środkowym prostokącie wyprowadzenie dotyka dolnego boku. Zapisano tam słowo baza. Przy prawym prostokącie wyprowadzenie wychodzi z prawego boku. Obok zapisano słowo kolektor. W obszarze prostokątów znajdują się ładunki dodatnie i ujemne, przedstawione za pomocą kół ze znakami plus i minus. Ładunki nie są rozłożone równomiernie. W obszarach p, ładunki dodatnie znajdują się w obszarze nieprzylegającym do granicy p z n. Przy samej granicy znajdują się jedynie ładunki ujemne. Pojedynczy ładunek ujemny znajduje się również w głębi obszaru p. W obszarze n, przy granicach z obszarami p znajdują się tylko ładunki dodatnie, ujemne znajdują się w centrum obszaru n.

Poszczególne warstwy tranzystora noszą nazwy odzwierciedlające ich rolę w działaniu tranzystora:

emiter (oznaczony literą E), to warstwa silnie domieszkowana, stanowiąca źródło nośników prądu (dziur w tranzystorze pnp);

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 – około 0,1 mm. Warstwa środkowa powinna być na tyle cienka, aby mogły przez nią dyfundować nośniki z emitera do kolektora. Jej grubość wynosi zazwyczaj około 0,01 - 0,03 mm.

Znacznie większa koncentracja nośników większościowychnośniki większościowenośników większościowych w obszarze emitera (dziur), niż w obszarze bazy (elektronów) powoduje, że w układzie emiter‑baza natężenie prądu przenoszonego przez dziury płynące od strony emitera jest 10Indeks górny 3³ – 10Indeks górny 5⁵ razy większe, niż prądu przenoszonego przez elektrony płynące od strony bazy.

W trakcie normalnej pracy tranzystora pnp, miedzy emiterem a bazą podłącza się napięcie UIndeks dolny BE_BE w kierunku przewodzenia złączakierunek (stan) przewodzenia złącza p‑nkierunku przewodzenia złącza – „minus” napięcia do bazy, „plus” do emitera. Napięcie to w tranzystorach krzemowych wynosi około 0,6 V. Między emiterem a kolektorem podłącza się napięcie około 10 V. Złącze baza‑kolektor jest spolaryzowane w kierunku zaporowymkierunek (stan) zaporowy złącza p‑nkierunku zaporowym (Rys.3).

ReykPf2Kmngji

Rys. 3. Na rysunku przedstawiono schemat obwodu elektrycznego z podłączonym tranzystorem. Tranzystor pokazano w sposób przedstawiony na rysunku 2. Na rysunku widoczne są dwa źródła napięcia. Symbolem źródła napięcia są dwie pionowe kreski – jedna, tutaj po lewej, jest cienka i długa, druga, tutaj prawa jest krótsza i grubsza. Taki sposób podłączenia wskazuje, że dodatni biegun źródła jest po lewej, a ujemny po prawej. Pierwsze źródło, opisane wielką literą U z indeksem dolnym CE jest połączone biegunem dodatnim z emiterem, a ujemnym z kolektorem. Drugie źródło, opisane wielką literą U z indeksem BE biegunem dodatnim jest połączone z emiterem, a ujemnym – z bazą. Na rysunku strzałkami zaznaczono także kierunek i natężenia płynących prądów. Z bazy do ujemnego bieguna źródła UBE płynie prąd oznaczony wielką literą I z indeksem B. Z kolektora do ujemnego bieguna źródła UCE płynie prąd oznaczony wielką literą I z indeksem C. Do emitera wpływa prąd oznaczony wielką literą I z indeksem E. Na rysunku przy kółkach symbolizujących ładunki zaznaczono strzałką kierunek ruchu ładunków dodatnich i ujemnych w warstwach p i n. Przy przedstawionym sposobie połączenia źródeł napięcia z tranzystorem, ładunki dodatnie poruszają się w prawo, a ujemne w lewo.

Napięcie UIndeks dolny BE_BE powoduje przepływ niewielkiego prądu IIndeks dolny B_B. Dzięki dużej koncentracji dziur w obszarze emitera, nośnikami tego prądu są przede wszystkim dziury. Skutkiem tego prądu jest istotna zmiana koncentracji dziur w obszarze bazy: od strony emitera koncentracja dziur staje się większa niż od strony kolektora. Skutkiem różnic w koncentracji dziur jest ich dyfuzja w kierunku kolektora. Dziury, które docierają do styku baza‑kolektor mogą przez to złącze przepływać, ponieważ ujemne napięcie kolektora w stosunku do bazy, wciąga je do kolektora – około 99% dziur wypływających z emitera przechodzi do kolektora. Dzięki temu zwiększa się istotnie prąd kolektora. Niewielka część dziur łączy się w obszarze bazy z elektronami – następuje zjawisko rekombinacji elektronów i dziur. W rezultacie przenikania dziur w obszar kolektora, natężenie prądu kolektora IIndeks dolny C_C jest znacznie większe od prądu bazy IIndeks dolny B_B i niewiele różni się od prądu płynącego przez emiter – IIndeks dolny E_E.

Ponieważ jednak ilość dziur znajdujących się w obszarze bazy (tych, które mogą przenikać do kolektora) zależy od prądu bazy, małe zmiany tego prądu wywołują duże zmiany prądu kolektora. Na tej zasadzie opiera się wzmacnianie sygnałówsygnał elektrycznysygnałów przez tranzystor: wzmacniany sygnał moduluje prąd bazy, wzmocniony sygnał odbierany jest z obwodu kolektora.

Większość układów elektronicznych można dostosować zarówno do tranzystorów npn, jak i pnp. Ze względu na większą ruchliwośćruchliwość nośników prąduruchliwość elektronów, niż dziur, tranzystory npn są szybsze w działaniu. Są one też tańsze w wytwarzaniu, dlatego częściej w układach elektronicznych  spotyka się tranzystory npn.

Tranzystory pnp stają się przydatne, gdy istotny jest znak napięcia wyjściowego w układzie, a także we wzmacniaczach o wysokim stopniu wzmocnienia, które wykorzystują połączone w parę tranzystory npn i pnp.

Słowniczek