Tranzystor bipolarny

Tranzystor bipolarny (dawniej: tranzystor warstwowy, tranzystor złączowy) – odmiana tranzystora, półprzewodnikowy element elektroniczny, mający zdolność wzmacniania sygnału. Zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa. Charakteryzuje się tym, że niewielki prąd płynący pomiędzy dwiema jego elektrodami (nazywanymi bazą i emiterem) steruje większym prądem płynącym między emiterem a trzecią elektrodą (nazywaną kolektorem).

Budowa

Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn	Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp

Tranzystor bipolarny składa się z trzech warstw półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa: p-n-p lub n-p-n (istnieją więc dwa rodzaje tranzystorów bipolarnych: pnp i npn). Poszczególne warstwy noszą nazwy:

• emiter (oznaczony przez E) warstwa silnie domieszkowana
• baza (oznaczona przez B) warstwa cienka i słabo domieszkowana
• kolektor (oznaczony przez C)

W ten sposób tworzą się dwa złącza p-n: baza-emiter (nazywane krótko złączem emitera) oraz baza-kolektor (nazywane złączem kolektora).

Rozpływ prądów w tranzystorze npn

Zasada działania

W stanie aktywnym złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze baza-kolektor – w kierunku zaporowym. Napięcie baza-emiter powoduje przepływ (wstrzykiwanie) nośników większościowych emitera przez to złącze do bazy – (elektrony w tranzystorach npn lub dziury w tranzystorach pnp). Nośników przechodzących w przeciwną stronę, od bazy do emitera jest niewiele, ze względu na słabe domieszkowanie bazy. Nośniki wstrzyknięte z emitera do obszaru bazy dyfundują do obszarów mniejszej ich koncentracji w kierunku kolektora. Trafiają do obszaru złącza baza-kolektor, a tu na skutek pola elektrycznego w obszarze zubożonym są przyciągane do kolektora.

W rezultacie, po przyłożeniu do złącza baza – emiter napięcia w kierunku przewodzenia, popłynie niewielki prąd między bazą a emiterem, umożliwiający przepływ dużego prądu między kolektorem a emiterem. Stosunek prądu kolektora do prądu bazy nazywany jest wzmocnieniem prądowym tranzystora i oznacza się grecką literą β.

Za sygnał sterujący prądem kolektora można uważać zarówno prąd bazy, jak i napięcie baza-emiter. Zależność między tymi dwiema wielkościami opisuje charakterystyka wejściowa tranzystora, będąca w zasadzie eksponencjalną charakterystyką złącza pn spolaryzowanego w kierunku przewodzenia.

Prąd bazy składa się z dwóch głównych składników: prądu rekombinacji i prądu wstrzykiwania. Prąd rekombinacji to prąd powstały z rekombinacji w bazie nośników wstrzykniętych z emitera do bazy z nośnikami komplementarnymi. Jest tym mniejszy im cieńsza i słabiej domieszkowana jest baza. Prąd wstrzykiwania jest to prąd złożony z nośników wstrzykniętych z bazy do emitera, jego wartość zależy od stosunku koncentracji domieszek w obszarze bazy i emitera.

Zastosowania

Przykład tranzystora pracującego jako wzmacniacz

Przykład tranzystora pracującego jako przełącznik

W zależności od punktu pracy tranzystor może znajdować się w czterech stanach:

• Stan aktywny, w którym prąd kolektora jest β razy większy od prądu bazy.
• Stan nasycenia, w którym prąd bazy jest na tyle duży, że obwód kolektora nie jest w stanie dostarczyć prądu β razy większego. Napięcie kolektor-emiter spada wtedy do niewielkiej wielkości.
• Stan zatkania (lub odcięcia), w którym złącze baza-emiter nie jest spolaryzowane lub jest spolaryzowane zaporowo. Prąd kolektora spada wtedy do bardzo małej wartości.
• Stan inwersyjny, w którym emiter spolaryzowany jest w kierunku zaporowym, a kolektor w kierunku przewodzenia. Wzmocnienie prądowe tranzystora w tym stanie jest niewielkie.

Poszczególne stany tranzystora są wykorzystywane w różnych zastosowaniach.

Jako wzmacniacz

Tranzystor pracujący w stanie aktywnym może być wykorzystany do budowy układu będącego wzmacniaczem natężenia prądu elektrycznego. Małe zmiany prądu elektrycznego płynącego w obwodzie bazy powodują duże zmiany prądu płynącego w obwodzie kolektora. W zależności od konstrukcji układu można uzyskać wzmocnienie prądu, napięcia lub obu tych wielkości.

Jako przełącznik (klucz tranzystorowy)

Przy pracy tranzystora jako przełącznik wykorzystuje się przejście między stanem nasyconym (tranzystor włączony) a zatkanym (tranzystor wyłączony). Taki tryb pracy tranzystora jest stosowany w niektórych układach impulsowych oraz cyfrowych.

Układy pracy

Schemat wzmacniacza napięcia zmiennego w układzie ze wspólnym emiterem

Schemat wzmacniacza napięcia zmiennego w układzie ze wspólną bazą

Schemat wtórnika emiterowego (układu ze wspólnym kolektorem)

Ze względu na sposób włączenia tranzystora do układu można wyróżnić trzy podstawowe układy jego pracy

• wspólnego emitera (OE)
• wspólnej bazy (OB)
• wspólnego kolektora (OC)

Układ wspólnego emitera

Wzmacniane napięcie sygnału wejściowego podawane jest pomiędzy bazę a emiter tranzystora, natomiast sygnał po wzmocnieniu odbierany jest spomiędzy kolektora a emitera. Elektroda emiter jest więc niejako „wspólna” dla sygnałów wejściowego i wyjściowego – stąd nazwa układu.

Układ wspólnej bazy

Wzmacniane napięcie sygnału wejściowego podawane jest pomiędzy bazę a emiter tranzystora, natomiast sygnał po wzmocnieniu odbierany jest spomiędzy bazy i kolektora.

Układ wspólnego kolektora

Wzmacniane napięcie sygnału wejściowego podawane jest pomiędzy bazę a kolektor tranzystora, natomiast sygnał po wzmocnieniu odbierany jest spomiędzy kolektora i emitera. Wzmocnienie napięciowe tego układu jest bliskie jedności, wobec czego na wyjściu wzmacniacza otrzymuje się „powtórzone” napięcie z wejścia, stąd druga powszechnie używana nazwa takich wzmacniaczy – wtórnik emiterowy.

Porównanie właściwości układów pracy

Porównanie właściwości poszczególnych układów pracy tranzystora bipolarnego przedstawia tabela:

Podział tranzystorów bipolarnych

Oprócz podstawowego podziału określającego kolejność warstw półprzewodnika (pnp oraz npn) tranzystory bipolarne można podzielić:

• Ze względu na materiał, z którego są wytworzone:
  • Krzemowe
  • Germanowe
  • Z heterozłączami krzem-german
  • Z arsenku galu
• Ze względu na konstrukcję i technologię wytwarzania:
  • Tranzystor ze złączem wyciąganym (technologia historyczna)
  • Tranzystor stopowy (technologia historyczna)
  • Tranzystor mesa (technologia historyczna)
  • Tranzystory planarne
  • Tranzystory epitaksjalne
• Ze względu na charakterystyczne parametry
  • Wielkiej częstotliwości
  • Małej częstotliwości
  • Dużej mocy
  • Małej mocy
  • Itd...

Przy nazywaniu tranzystora poszczególne określenia są łączone, można zatem mówić, na przykład, o krzemowym tranzystorze epitaksjalno-planarnym wielkiej częstotliwości małej mocy.

Zobacz też

• model Ebersa Molla
• MOSFET
• efekt Early'ego

Bibliografia

• Ben G. Streetman, Przyrządy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 1976.