Tranzystor bipolarny

Tranzystor bipolarny (dawniej: tranzystor warstwowy, tranzystor złączowy) – typ 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

Budowa tranzystora bipolarnego NPN

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:

Parametr	wspólny kolektor	wspólny emiter	wspólna baza
Rezystancja wejściowa	Duża	Średnia	Mała
Wzmocnienie napięciowe	Równe jedności	Duże	Średnie
Wzmocnienie prądowe	Duże	Średnie	Mniejsze od jedności
Rezystancja wyjściowa	Mała	Duża	Duża

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.