Warto przeczytać

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

Tranzystor npn jest tak zwanym tranzystorem bipolarnym. W tego typu tranzystorach udział w przewodzeniu prądu mają dwa typy nośników prądu występujące w półprzewodnikach: elektrony i dziury. Są one wykonywane najczęściej z krzemu, ale także z innych półprzewodników, np.: germanu, arsenku galu, azotku galu. Powstaje on z połączenia trzech warstw półprzewodników p i n ułożonych w kolejności n‑p-n (Rys.1.).

RRNPNyBAwKYSe

Rys. 1. przedstawia schemat tranzystora n‑p-n (po lewej) oraz symbol graficzny tego tranzystora (po prawej). Schemat tranzystora ma postać poziomego prostokąta podzielonego na trzy części oznaczone w środku małymi literami n, p, n; na lewym i prawym krótkim boku prostokąta oraz w dolnej części umieszczono elektrody w kształcie dwóch odcinków prostopadłych do siebie i oznaczonych: wielką literą E (z lewej), wielką literą B (w środku), wielką literą C – po prawej. Symbol graficzny tranzystora ma postać okręgu z wąskim czarnym długim pionowym prostokątem w środku, od którego odchodzą trzy proste: jedna skierowana poziomo w lewo – opisana wielką literą B w kolorze niebieskim oraz dwie skierowane w prawo, nachylone pod kątem około 45 stopni w górę – opisana wielką literą E w kolorze zielonym i w dół – opisana wielką literą C w kolorze czerwonym, zmieniającymi kierunek na pionowy poza okręgiem. Na prostej E zaznaczono strzałką kierunek dobrego przewodzenia prądu.

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 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 bariery potencjału dla ładunku na złączach (Rys. 2.) i wynikającego z niej, napięcia elektrycznego między sąsiednimi obszarami tranzystora. Z powodu powstania 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”.

RAtmP5pI1vPhX

Rys. 2. prezentuje 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. Warstwy czerwona "plus" i niebieska "minus", stanowiące dwa złącza p‑n, ułożone są symetrycznie. Pomiędzy nimi znajduje się pojedyncza warstwa szara, w której zgromadzone są ładunki plus i tylko jeden minus. Wokół schematu opisy od lewej zgodnie z ruchem wskazówek zegara: emiter, mała litera n, złącze p‑n, mała litera p, złącze p‑n, mała litera n, kolektor, baza.

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

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

• baza (oznaczona literą B) to warstwa cienka i słabo domieszkowana, której 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 koncentracjaKoncentracja nośników prądukoncentracja nośników większościowychNośniki większościowenośników większościowych w obszarze emitera (elektronów) niż w obszarze bazy (dziur) sprawia, że w układzie emiter‑baza natężenie prądu przenoszonego przez elektrony płynące od strony emitera jest 10Indeks górny 3³ – 10Indeks górny 5⁵ razy większe od natężenia prądu przenoszonego przez dziury płynące od strony bazy.

W trakcie normalnej pracy tranzystora npn miedzy emiterem a bazą podłącza się napięcie $U_{BE}$ w kierunku przewodzeniaKierunek (stan) przewodzenia złącza p‑nprzewodzenia złącza – „+” napięcia do bazy, „-” do emitera. Napięcie to w tranzystorach krzemowych wynosi około 0,6 V. Do złącza baza‑kolektor napięcie $U_{BC}$ jest podłączane w kierunku zaporowymKierunek (stan) zaporowy złącza p‑nzaporowym. Napięcie to wynosi zazwyczaj około 10 V. Miedzy emiterem i kolektorem „-” napięcia $U_{EC}$ jest na emiterze, a „+” napięcia jest na kolektorze (Rys. 3.).

R1B4kqmkEk4tn

Rys. 3. to schemat rozkładu napięć zasilających i prądów w tranzystorze n‑p-n w czasie normalnej pracy. 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 stanowiące dwa złącza p‑n. Pomiędzy nimi znajduje się warstwa w kolorze szarym opisana małą literą p. Zawiera ładunki plus i minus. Wokół schematu opisy od lewej zgodnie z ruchem wskazówek zegara: emiter, mała litera n, złącze p‑n, mała litera p, złącze p‑n, mała litera n, kolektor, baza. Dodatkowo, czarną linią zaznaczono połączenie pomiędzy emiterem, bazą i kolektorem wraz z dwoma źródłami napięcia plus, minus. Czerwoną linią wraz ze strzałkami zaznaczono kierunek przepływającego prądu wraz z oznaczeniami: od lewej wielka litera I z indeksem dolnym wielka litera E, wielka litera I z indeksem dolnym wielka litera C, poniżej oznaczenie wielka litera I z indeksem dolnym wielka litera B. W dolnej części schematu umieszczono niebieską poziomą strzałkę skierowaną w prawo z oznaczeniem wielką literą U z indeksem dolnym wielkie litery CE.

Napięcie $U_{BE}$ powoduje przepływ niewielkiego prądu $I_B$. Dzięki dużej koncentracji elektronów w obszarze emitera nośnikami tego prądu są przede wszystkim elektrony. Skutkiem tego prądu jest istotna zmiana koncentracji elektronów w obszarze bazy: od strony emitera koncentracja elektronów staje się większa niż od strony kolektora. Skutkiem różnic w koncentracji elektronów jest ich dyfuzja w kierunku kolektora. Elektrony, które docierają do styku baza‑kolektor będą przez to złącze przepływać, ponieważ dodatnie napięcie kolektora w stosunku do bazy, wciąga je do kolektora – około 99% elektronów wypływających z emitera przechodzi do kolektora. Dzięki temu zwiększa się istotnie prąd kolektora Niewielka część elektronów łączy się w obszarze bazy z dziurami – następuje zjawisko rekombinacji elektronów i dziur. W rezultacie przenikania elektronów w obszar kolektora, prąd kolektora jest znacznie większy od prądu bazy, a natężenie prądu płynący przez kolektor niewiele różni się od prądu płynącego przez emiter (Rys. 4.).

R14fNBa1Ruw0R

Rys. 4. przedstawia schemat ruchu nośników prądu w czasie normalnej pracy tranzystora n‑p-n. Warstwy oznaczone małą literą n z indeksem górnym plus plus, małą literą p oraz małą literą n z indeksem górnym plus, przedstawiono jako trzy pionowe stykające się prostokąty – w środku w kolorze zielonym, po lewej i prawej – w kolorze niebieskim. Na tle trzech prostokątów narysowano szeroką strzałkę w kolorze jasnoszarym skierowaną w prawo opisaną wewnątrz – elektrony. Poniżej niej umieszczono nieco mniejszą strzałkę skierowaną w lewo opisaną – dziury. Pomiędzy obiema strzałkami znajduje się para małych strzałek wychodzących od górnej strzałki – w dół, a od dolnej – w górę. Na lewym i prawym boku prostokąta oraz dolnym środkowego prostokąta czarną grubą linią narysowano elektrody i podpisano: emiter minus, baza plus, kolektor plus plus. Opis "rekombinacja" wskazuje parę małych strzałek.

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

Współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora $\beta$ wyraża się wzorem:

Wartość współczynnika $\beta$ zależy od typu tranzystora i wynosi zazwyczaj ponad 100.

Słowniczek