Tranzystor trjkocwkowy pprzewodnikowy element elektroniczny posiadajcy zdolno wzmacniania

Tranzystor

trójkońcówkowy półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Nazwa tranzystor pochodzi z angielskiego zwrotu "transfer resistor", który oznacza element transformujący rezystancję. Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów, różniące się zasadniczo zasadą działania: 1. Tranzystory bipolarne, w których prąd wyjściowy jest funkcją prądu wejściowego (sterowanie prądowe). 2. Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe), w których prąd wyjściowy jest funkcją napięcia (sterowanie napięciowe). Tranzystor ze względu na swoje właściwości wzmacniające znajduje bardzo szerokie zastosowanie. Jest oczywiście wykorzystywany do budowy wzmacniaczy różnego rodzaju: różnicowych, operacyjnych, mocy (akustycznych), selektywnych, pasmowych. Jest kluczowym elementem w konstrukcji wielu układów elektronicznych, takich jak źródła prądowe, lustra prądowe, stabilizatory, przesuwniki napięcia, klucze elektroniczne, przerzutniki, czy generatory. Ponieważ tranzystor może pełnić rolę klucza elektronicznego, z tranzystorów buduje się także bramki logiczne realizujące podstawowe funkcje boolowskie, co stało się motorem do bardzo dynamicznego rozwoju techniki cyfrowej w ostatnich kilkudziesięciu latach. Tranzystory są także podstawowym budulcem wszelkiego rodzaju pamięci półprzewodnikowych

Tranzystor bipolarny – tranzystor, który zbudowany jest z trzech warstw półprzewodników o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa złącza PN; sposób polaryzacji złącz determinuje stan prac tranzystora. Tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do warstw półprzewodnika, nazywane: • emiter (ozn. E), • baza (ozn. B), • kolektor (ozn. C). Ze względu na kolejność warstw półprzewodnika rozróżnia się dwa typy tranzystorów: pnp oraz npn; w tranzystorach npn nośnikiem prądu są elektrony, w tranzystorach pnp dziury.

Stany pracy Rozróżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego: • stan zatkania (odcięcia): złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym, • stan nasycenia: złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia, • stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo, • stan aktywny inwersyjny (krócej: inwersyjny): BE zaporowo, CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym). Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach; w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkuset). Stany nasycenia i zaporowy stosowane są w technice impulsowej, jak również w układach cyfrowych. Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowanych, ponieważ ze względów konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się wówczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym), m. in. mniejszym wzmocnieniem prądowym.

można powiedzieć, że w tranzystorze złącze baza-emiter i kolektor-baza zachowują się jak diody. Aby tranzystor znajdował się w stanie normalnej pracy to muszą być spełnione następujące warunki: • dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera, • dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera, • „dioda” baza-emiter musi być spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a „dioda” kolektor-baza w kierunku zaporowym, • nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC, IB, UCE, moc wydzielana na kolektorze IC· UCE, temperatura pracy czy też napięcie UBE. npn pnp Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy czyli spełnia powyższe warunki to z dobrym przybliżeniem prawdziwą jest zależność, którą warto zapamiętać: IC=h. FE· IB=b·IB gdzie h. FE jest współczynnikiem wzmocnienia prądowego nazywanego również betą. Współczynnik ten może przyjmować wartości od 50 do 300 A/A dla tego samego typu tranzystora, a więc nie jest parametrem na którym można opierać parametry projektowanego układu.

tranzystor pracujący w układzie wzmacniacza. Złącze kolektor-baza jest spolaryzowane zaporowo (bateria EC), natomiast złącze baza-emiter w kierunku przewodzenia (bateria EB) rozpływ prądu w tranzystorze npn. Ponieważ złącze baza-emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia to istnieje przepływ dziur z obszaru p do obszaru n oraz przepływ elektronów z obszaru n do obszaru p. Elektrony wprowadzane z emitera do bazy stają się tam nośnikami mniejszościowymi i drogą dyfuzji oddalają się od złącza emiterowego. Część tych elektronów łączy się z dziurami, których w bazie jest bardzo dużo (obszar p). Wszystkie elektrony, które dotrą w pobliże złącza kolektor-baza są unoszone do obszaru kolektora. Dla niedużej szerokości obszaru p (bazy) praktycznie wszystkie elektrony wstrzykiwane przez emiter do bazy dotrą do kolektora. Bardzo ważnym jest aby strata elektronów w bazie była jak najmniejsza.

Miarą tego na ile prąd kolektora odpowiada prądowi emitera jest współczynnik a nazywany współczynnikiem wzmocnienia prądowego, przy dużych sygnałach definiowany jako: a=(IC-IC 0)/IE gdzie IC 0 jest prądem złącza kolektorowego spolaryzowanego zaporowo przy IB=0. W tranzystorach krzemowych wartość prądu IC 0(zależąca od temperatury) jest rzędu 0, 001 p. A do 0, 01 p. A i można go spokojnie pominąć. Dla większości tranzystorów wartość a zawiera się w granicach od 0, 95 do 0, 99 czyli praktycznie 1. prąd bazy IB składa się z prądu dziurowego płynącego od bazy do emitera i z prądu wynikającego z rekombinacji dziur w obszarze bazy. Tranzystory wykonywane są tak aby oba te prądy były jak najmniejsze. Osiągane jest to w ten sposób, że obszar n emitera jest bardzo silnie domieszkowany i prąd elektronowy złącza baza-emiter jest zdecydowanie większy od prądu dziurowego. W celu zmniejszenia drugiego składnika prądu bazy czyli prądu wywołanego rekombinacją, zmniejsza się obszar bazy. W efekcie prąd bazy I B ma wartość bardzo małą w porównaniu z prądem kolektora IC. W rezultacie można powiedzieć, że mały prąd wejściowy bazy I B steruje znacznie większym prądem wyjściowym kolektora IC, a więc następuje efekt wzmocnienia.

Charakterystyki tranzystora Prąd kolektora IC jest tu funkcją napięcia baza-emiter UBE. Charakterystyka tama charakter wykładniczy. Dla tranzystora współczynnik korekcyjny m jest praktycznie równy jeden i wzór opisujący charakterystykę przejściową można z dobrym przybliżeniem przedstawić jako: charakterystyka wyjściowa tranzystora, która przedstawia zależność prądu kolektora IC od napięcia kolektor-emiter UCE przy doprowadzonym napięciu wejściowym baza-emiter UBE. Z charakterystyki tej można stwierdzić, że: • powyżej pewnego napięcia prąd kolektora prawie nie zależy od napięcia UCE, • do wywołania dużej zmiany prądu kolektora IC • wystarczy mała zmiana napięcia baza-emiter UBE. Punkt, w którym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia kolektor-emiter UCEsat.

Parametry graniczne tranzystora Tranzystory, tak zresztą jak inne elementy elektroniczne, mają charakterystyczne dla siebie parametry graniczne, tzn. takie których przekroczenie grozi uszkodzeniem tranzystora. Do takich właśnie parametrów należą: • UEB 0 max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter • UCB 0 max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza • UCE 0 max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter • ICmax - maksymalny prąd kolektora • IBmax - maksymalny prąd bazy • Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat

Układy polaryzacji tranzystorów O takich układach mówi się również: układy zasilania tranzystorów czy też układy ustalania punktów pracy. Układy te mają za zadanie tylko zasilać tranzystor ale również ustalać jego stałoprądowy punkt pracy, czyli stałe napięcie kolektor-emiter UCE i stały prąd kolektora IC. Punkt pracy musi być dobrany w sposób optymalny do funkcji jaką spełnia układ, w którym pracuje tranzystor. Układ z potencjometrycznym zasilaniem bazy

Układ z wymuszonym prądem bazy Układ ze sprzężeniem kolektorowym

Układ z potencjometrycznym zasilaniem bazy i sprzężeniem emiterowym.

Tranzystor polowy, tranzystor unipolarny, FET (ang. Field Effect Transistor) - tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego. Zasadniczą częścią tranzystora polowego jest kryształ odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem (symbol S od angielskiej nazwy source) i drenem (D, drain). Pomiędzy nimi tworzy się tzw. kanał, którym płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia elektroda, zwana bramką (G, gate). W tranzystorach epiplanarnych, jak również w przypadku układów scalonych, w których wytwarza się wiele tranzystorów na wspólnym krysztale, wykorzystuje się jeszcze czwartą elektrodę, tzw. podłoże (B, bulk albo body), służącą do odpowiedniej polaryzacji podłoża. Nazwy poszczególnych elektrod to: D - dren, S - źródło, G bramka. E lektrody te spełniają podobne funkcje jak odpowiadające im elektrody w tranzystorze bipolarnym. Kolektorowi C odpowiada dren D, emiterowi E odpowiada źródło S, a bazie B odpowiada bramka

JFET obszar półprzewodnika występujący między drenem i źródłem stanowi kanał, przez który płynie prąd i którego rezystancję można zmieniać przez zmianę przekroju kanału. Zmianę przekroju kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza pn, a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym. Pod wpływem napięcia UGS polaryzującego zaporowo złącze pn, warstwa zaporowa rozszerzy się, przekrój kanału zmniejszy się, a jego rezystancja wzrośnie. Łatwo można sobie wyobrazić, że dalsze zwiększanie napięcia UGS w kierunku zaporowym spowoduje, że warstwy zaporowe połączą się i kanał zostanie zamknięty, a jego rezystancja będzie bardzo duża. Można powiedzieć, że tranzystor JFET jest swego rodzaju rezystorem sterowanym napięciowo. Gdy doprowadzone jest napięcie UDS między dren i źródło, przy zachowaniu tego samego potencjału bramki i źródła, w pobliżu drenu warstwa zaporowa jest szersza niż w pobliżu źródła. Jest to spowodowane tym, że złącze pn wzdłuż kanału jest polaryzowane różnymi napięciami. Do stałego napięcia UGS dodaje się spadek napięcia występujący między danym punktem kanału a źródłem S. Dalszy wzrost napięcia UDS powoduje dalsze rozszerzanie warstwy zaporowej aż do zamknięcia kanału, co powoduje stan nasycenia. W takiej sytuacji dalszy wzrost napięcia UDS nie będzie powodował praktycznie dalszego wzrostu prądu drenu ID gdyż warstwa zaporowa będzie się rozszerzała w kierunku drenu, a spadek napięcia w kanale pozostanie praktycznie stały

Metal-Oxide-Semiconductor FET, MOSFET* polaryzacja drenu i bramki jest zerowa czyli UDS=0 i UGS=0. W takim przypadku struktura złożona z obszarów półprzewodnika typu n+ (dren i źródło) rozdzielonych półprzewodnikiem typu p (podłoże) zachowuje się tak jak dwie diody połączone ze sobą szeregowo przeciwstawnie (anodami do siebie) gdy bramka jest spolaryzowana napięciem UGS>0, dodatni ładunek spolaryzowanej bramki indukuje pod jej powierzchnią ładunek przestrzenny, który składa się z elektronów swobodnych o dużej koncentracji powierzchniowej (tzw. warstwa inwersyjna) i głębiej położonej warstwy ładunku przestrzennego jonów akceptorowych, z której wypchnięte zostały dziury. W takiej sytuacji zostaje utworzone połączenia elektryczne między drenem i źródłem w postaci kanału (warstwa inwersyjna). Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronów w indukowanym kanale, a więc od napięcia UGS. *W technologii MOSFET tranzystory są produkowane w formie trzech warstw. Dolna warstwa to płytka wycięta z monokryształu krzemu lub krzemu domieszkowanego germanem. Na płytkę tę napyla się bardzo cienką warstę krzemionki lub innego tlenku metalu lub półmetalu, która pełni funkcję izolatora. Warstwa ta musi być ciągła (bez dziur), ale jak najcieńsza. Obecnie w najbardziej zaawansowanych technologicznie procesorach warstwa ta ma grubość równą pięciu cząsteczek tlenku. Na warstwę tlenku napyla się z kolei bardzo cienką warstwę dobrze przewodzącego metalu (np. złota).

Jeżeli teraz zostanie podwyższony potencjał drenu UDS>0 to popłynie prąd drenu ID tym większy im większe będzie napięcie UDS. Zależność prądu drenu ID od napięcia drenu UDS nie jest jednak liniowa. Jest to spowodowane tym, że napięcie wzdłużne UDS zmienia stan polaryzacji bramki. Im bliżej drenu tym różnica potencjałów między bramką i podłożem jest mniejsza, a kanał płytszy. Ze wzrostem UDS całkowita rezystancja kanału rośnie i wzrost prądu jest więc mniejszy niż proporcjonalny. Przy UDS=UGS kanał w pobliżu drenu przestaje istnieć i prąd drenu ulegnie nasyceniu. Dalszy wzrost napięcia drenu UDS będzie powodował tylko nieznaczne zmiany prądu drenu ID.

Charakterystyka tranzystora polowego

Dynistor Składa się on z aż trzech złącz p-n (dioda 1), n-p (dioda 2) i znów p-n (dioda 3). Aby dynistor mógł przewodzić potencjał na anodzie musi być większe od potencjału katody (mamy już spolaryzowane dwie diody w kierunku przewodzenia - 1 i 2 - stan blokowania). Ale załączenie dynistora następuje dopiero po gwałtownym wzroście napięcia pomiędzy anodą a katodą - du/dt(przewodzenie) lub przez przekroczenie napięcia włączenia. Jeśli potecjały są odwrotne tzn. katody większy od anody to dynistor jest w stanie zaporowym. Charakterystyka jest analogiczna jak dla tyrystora tylko, że tu nie włączamy go kiedy chcemy. . . załącza się sam.

Tyrystor Załączenie tyrystora następuje przy odpowiedniej polaryzacji (anoda: + katoda: -). i podaniu dodatniego względem katody impulsu bramkowego. Im mniejsze jest napięcie między anodą a katodą, tym większy musi być prąd bramki. Wyłączenie tyrystora następuje przy obniżeniu napięcia anoda-katoda lub spadku wartości przepływającego prądu poniżej IH - prądu podtrzymania. Może załączyć się także jak dynistor przy dużych du/dt - skokach napięcia między anodą a katodą.

IH - prąd podtrzymania IL - prąd załączania VBO - napięcie przełączania W stanie spoczynkowym oba traznystory są zatkane (nie przewodzą). Po wciśnięciu przycisku pojawi się prąd bazy - otworzy się tranzystor npn. Prąd jego kolektora spowoduje otwarcie tranzystora pnp. Z kolei prąd kolektora pnp popłynie do bazy npn - podtrzymując jego otwarcie, po puszczeniu przycisku. Wystarczy więc podać nawet krótki impuls na bramkę, aby otworzyć element na stałe. Układ będzie przewodził aż do zaniku lub zmiany polaryzacji napięcia zasilającego.

Triak (TRIode for Alternating Current) Działanie triaka jest analogiczne do przeciwsobnego połączenia dwóch tyrystorów (SCR), z tą różnicą, że triak posiada tylko jedną bramkę - włączenie następuje niezależnie od polaryzacji (w przeciwieństwie do tyrystora, który może być załączony tylko jeśli potencjał anody jest większy od potencjału katody). Triak działa w obu kierunkach polaryzacji i zachowuje się jak tyrystor w dodatniej części swojej charakterystyki

Nastepny wykład wiadomości ogólne na temat: -generatory -zasilacze -stabilizatory -filtry