Przeczytaj
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.).
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”.
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 większościowychnośników 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 w kierunku przewodzeniaprzewodzenia złącza – „+” napięcia do bazy, „-” do emitera. Napięcie to w tranzystorach krzemowych wynosi około 0,6 V. Do złącza baza‑kolektor napięcie jest podłączane w kierunku zaporowymzaporowym. Napięcie to wynosi zazwyczaj około 10 V. Miedzy emiterem i kolektorem „-” napięcia jest na emiterze, a „+” napięcia jest na kolektorze (Rys. 3.).
Napięcie powoduje przepływ niewielkiego prądu . 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.).
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 sygnałówsygnałów przez tranzystor: wzmacniany sygnał moduluje prąd bazy oraz wzmocniony sygnał odbierany jest z obwodu kolektora.
Współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora wyraża się wzorem:
Wartość współczynnika zależy od typu tranzystora i wynosi zazwyczaj ponad 100.
Słowniczek
(ang.: concentration of current carriers) – ilość nośników prądu w jednostce objętości.
(ang.: majority carriers) – nośniki ładunku elektrycznego w półprzewodnikach występujące w większości. Ich źródłem są atomy domieszek. W półprzewodnikach typu n nośnikami większościowymi są elektrony, w półprzewodnikach typu p – dziury. Koncentracja nośników większościowych jest w typowych półprzewodnikach około 10 miliardów razy większa niż nośników mniejszościowych, których źródłem są atomy samoistne półprzewodnika.
(ang.: the blocking direction (state) of the p‑n connector) – stan, w którym do złącza p‑n przyłożone jest napięcie powodujące wzrost bariery ładunku i napięcia na złączu i złącze praktycznie nie przewodzi prądu. Płynie jedynie prąd o bardzo małym natężeniu – około 1 muA, przenoszony przez nośniki mniejszościowe, których źródłem są nie domieszki tylko atomy macierzyste półprzewodnika. W stanie zaporowym minus napięcia jest przyłożony do części p złącza a plus do części n.
(ang.: conduction direction (state) of the p‑n connector) – stan w, którym do złącza p‑n przyłożone jest napięcie powodujące zmniejszenie bariery ładunku i napięcia na złączu i złącze dobrze przewodzi prąd. W stanie przewodzenia „-” napięcia jest przyłożony do części n złącza, a „+” do części p.
(ang.: electric signal) – to zazwyczaj zmienny w czasie przebieg prądu elektrycznego, przenoszący informację. Sygnały mogą być opisane przebiegiem zależności napięcia elektrycznego lub natężenia prądu od czasu.