Podstawy elektroniki - tranzystory bipolarne

Tranzystory są urządzeniami półprzewodnikowymi umożliwiającymi sterowanie przepływem dużego prądu, za pomocą prądu znacznie mniejszego. Wykorzystuje się je do wzmacniania małych sygnałów oraz przetwarzania informacji w postaci cyfrowej. Nazwa "tranzystor" pochodzi z połączenia słów transfer i rezystor.
Poniżej przedstawiony został pierwszy tranzystor, zbudowany w 1948 roku metodą ostrzową. Jego konstruktorami byli J. Bardeen oraz W.H. Brattain.

Pierwszy tranzystor bipolarny zbudował rok później inny amerykański fizyk - W.B. Shockley. Cała ta trójka za wynalezienie tranzystora otrzymała w 1956 roku Nagrodę Nobla.

Nazwa bipolarne dotyczy tranzystorów, w których transport ładunków odbywa się za pośrednictwem obu rodzajów nośników jakie istnieją w półprzewodniku, tzn. elektronów i dziur. Półprzewodniki, w których na skutek nieregularności sieci krystalicznej przeważają nośniki typu dziurowego nazywa się półprzewodnikami typu p (niedomiarowymi), gdy przeważają nośniki elektronowe nazywa się je półprzewodnikami typu n (nadmiarowymi).

Tranzystor bipolarny składa się z trzech obszarów półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa, co powoduje powstanie dwóch złączy: p-n i n-p.

Istnieją dwie możliwe konfiguracje złączy p-n i n-p prowadzące do powstania dwóch rodzajów tranzystorów bipolarnych.

Zasada działania tranzystora bipolarnego omówiona zostanie na podstawie tranzystora NPN:

Przez złącze BE tranzystora npn przepływają nośniki większościowe ładunku, w tym przede wszystkim elektrony swobodne z emitera (typ n) do bazy. Również dziury z obszaru bazy (typ p) przepływają przez złącze do emitera. Prąd dziurowy jest znacznie mniejszy ze względu na mniejszą liczbę dziur, wynikającą z mniejszej objętości emitera. Mniejsza część elektronów swobodnych po osiągnięciu obszaru bazy wypełnia istniejące tam dziury, czyli podlega procesowi rekombinacji. Znacznie większa część elektronów swobodnych po znalezieniu się w obszarze bazy jest przyciągana przez kolektor i przepływa przez złącze BC spolaryzowane zaporowo, tak jak własne nośniki mniejszościowe bazy. Wypływające z emitera elektrony swobodne tworzą prąd emitera I_E, który rozdziela się w obszarze bazy na mały prąd bazy I_B i duży prąd kolektora I_C.

Bardzo ważnym jest aby strata elektronów w bazie była jak najmniejsza. Miarą tego na ile prąd kolektora odpowiada prądowi emitera jest współczynnik a nazywany zwarciowym współczynnikiem wzmocnienia prądowego prądu emitera (współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WB), definiowany jako:

gdzie I_C0 jest prądem złącza kolektorowego spolaryzowanego zaporowo przy I_B=0.

Konstrukcja tranzystora bipolarnego, a głównie małe rozmiary bazy sprawiają, że stosunek między prądem kolektora, a prądem bazy jest stały. Stosunek I_C/ I_B nazywa się współczynnikiem wzmocnienia prądowego prądu bazy (współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WE) i oznacza się symbolem b.

I_E = I_C + I_B
I_C = bI_B

Zależność pomiędzy obydwoma współczynnikami opisuje równanie:

Stały stosunek I_C/ I_B oznacza, ze pewnej wartości prądu bazy I_B odpowiada określona wartość prądu kolektora I_C. Można zatem zmieniać prąd bazy po to aby uzyskiwać b-krotnie większe zmiany prądu kolektora. Uzyskuje się zatem wzmocnienie przez tranzystor mocy sygnału sterującego. Większą moc sygnału w obwodzie kolektora otrzymuje się kosztem mocy czerpanej z zasilacza.

Dla sygnałów zmiennoprądowych o małych amplitudach tranzystor jest czwórnikiem liniowym. Czwórnik opisywany jest za pomocą czterech wielkości wyrażających napięcia i prądy na jego wejściu i wyjściu. Aby móc opisać go za pomocą układu równań dwóch zmiennych należy dwie z czterech wielkości czwórnika opisać za pomocą dwóch pozostałych. W zależności od tego, które ze zmiennych uznane zostaną za zmienne zależne, a które za zmienne niezależne otrzymać można 6 różnych układów równań. Najczęściej wykorzystywane są jednak układy z parametrami:

U₁ = z₁₁I₁ + z₁₂I₂
U₂ = z₂₁I₁ + z₂₂I₂

I₁ = y₁₁U₁ + y₁₂U₂
I₂ = y₂₁U₁ + y₂₂U₂

U₁= h₁₁I₁+ h₁₂U₂
I₂= h₂₁I₁+ h₂₂U₂

Wykorzystane w tych równaniach parametry h, mają następujący sens fizyczny:

Tranzystory, tak zresztą jak inne elementy elektroniczne, mają charakterystyczne dla siebie parametry graniczne, tzn. takie których przekroczenie grozi uszkodzeniem tranzystora. Są to:

U_EBOmax - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
U_CBOmax - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
U_CEOmax - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
I_cmax - maksymalny prąd kolektora
I_Bmax - maksymalny prąd bazy
P_stmax - maksymalna dopuszczalna moc strat

Parametry takie jak I_cmax, U_CEOmax, P_strmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy, który nosi również nazwę "dozwolonego obszaru pracy aktywnej" w skrócie SOA (Safe Operating Area).
Na poniższym wykresie charakterystyki wyjściowej tranzystora pokazano przykład dozwolonego obszaru pracy tranzystora:

Oprócz parametrów granicznych w katalogach podawane są również często i inne parametry. W poniższej tabelce podane zostały parametry dla przykładowych tranzystorów.

Parametry tranzystorów bipolarnych w znacznym stopniu zależą również od temperatury. Prąd zerowy I_CBO jest w przybliżeniu wykładniczą funkcji temperatury i przy jej wzroście o 10K w przybliżeniu podwaja swoją wartość. Tranzystory krzemowe - ze względu na małą wartość I_CBO - mogą być stosowane aż do temperatury ok. 473 K (200 C). Współczynnik wzmocnienia prądowego wzrasta na ogół ze wzrostem temperatury. Wzrost ten jest rzędu kilku procent na stopień kelwina. Przy stałej wartości prądu bazy, napięcie baza-emiter U_BE za wzrostem temperatury maleje.

Tranzystor składa się z dwóch złączy PN, które mogą być spolaryzowane w kierunku zaporowym lub przewodzenia. W związku z tym można wyróżnić cztery stany pracy tranzystora.

Najważniejszym z tych nich jest obszar pracy aktywnej, gdyż to właśnie w tym obszarze tranzystor wykazuje swoje właściwości wzmacniające, które są wykorzystywane praktycznie.

Tranzystor pracujący w układach analogowych musi być w stanie aktywnym, a w układach cyfrowych - w stanach zatkania lub nasycenia.

Tranzystor jako element trójkońcówkowy, czyli trójnik może być połączony w układzie elektronicznym w rozmaity sposób. W matematycznym opisie tranzystora - trójnika - traktuje się go zwykle jako czwórnik, przyjmując jedną z końcówek jako wspólną dla wejścia i wyjścia. W zależności od tego, którą z końcówek wybieramy za wspólną, rozróżnia się konfiguracje:

1. Układ ze wspólnym emiterem OE (WE)

2. Układ ze wspólną bazą OB. (WB)

3. Układ ze wspólnym kolektorem OC (WC)

Wybór układu pracy jest zależny od przeznaczenia i rodzaju zastosowanego tranzystora.

Tranzystor pracujący w układzie OE jest najczęściej używany w układach elektronicznych ponieważ charakteryzuje się:

- dużym wzmocnieniem prądowym
- dużym wzmocnieniem napięciowym
- dużym wzmocnieniem mocy

Napięcie wyjściowe w OE jest odwrócone w fazie o 180 st. w stosunku do napięcia wejściowego. Rezystancja wejściowa jest rzędu kilkuset omów do kilku kW (RWE = RB || rb'e), a wyjściowa wynosi zwykle kilka - kilkadziesiąt k W (RWY = RC || rec).

Tranzystor pracujący w układzie OB. ma:

- małą rezystancję wejściową
- bardzo dużą rezystancje wyjściową
- wzmocnienie prądowe bliskie jedności

Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo dużych częstotliwościach granicznych, niekiedy nawet rzędu GHz.

Tranzystor pracujący w układzie OC charakteryzuje się:

- dużą rezystancją wejściową (co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej częstotliwości)
- wzmocnieniem napięciowym równym jedności (stąd jest nazywany również wtórnikiem emiterowym)
- dużym wzmocnieniem prądowym

Podstawowe charakterystyki

Tranzystor pracujący w dowolnym układzie pracy charakteryzują prądy przez niego płynące i napięcia panujące na jego zaciskach. W związku z tym można określić cztery rodziny statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych. Które przedstawione zostały na poniższych rysunkach:

1) Charakterystyka wyjściowa tranzystora, przedstawiająca zależność prądu kolektora I_C od napięcia kolektor-emiter U_CE przy doprowadzonym napięciu wejściowym baza-emiter U_BE i stałym prądzie bazy I_B. Z charakterystyki tej można stwierdzić iż powyżej pewnego napięcia prąd kolektora prawie nie zależy od napięcia U_CE, oraz że do wywołania dużej zmiany prądu kolektora DI_C wystarczy mała zmiana napięcia baza-emiter DU_BE
2) Charakterystyka przejściowa przedstawia prąd kolektora I_C jako funkcję napięcia baza-emiter U_BE, oraz I_B =const. Charakterystyka ta ma charakter wykładniczy.
3) Charakterystyka wejściowa opisuje zależność prądu bazy I_B od napięcia baza-emiter U_BE, przy stałym napięciu kolektor-emiter U_CE. Charakterystyka ta, podobnie jak i następna jest wykorzystywana rzadziej od dwóch wcześniejszych.
4) Charakterystyka zwrotna przedstawia zależność prądu kolektora od prądu kolektora I_C od prądu bazy I_B, przy U_CE=const Widać na niej, że prąd kolektora jest w pewnym stopniu proporcjonalny do prądu bazy.

Znając charakterystykę wejściową i wyjściową (podawane w katalogach), można wyznaczyć dwie pozostałe poprzez rzutowanie na oś odpowiednich punktów należących do znanych charakterystyk. Postać charakterystyki wejściowej i wyjściowej jest taka sama, jak charakterystyki złącza półprzewodnikowego polaryzowanego odpowiednio w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym.

Schematy zastępcze tranzystora bipolarnego w różnych układach pracy

Schematy zastępcze tranzystora wykorzystuje się wówczas, gdy należy przeprowadzić analizę pracy danego układu elektronicznego. Wyboru właściwego schematu dokonuje się w zależności od wielkości występujących sygnałów. Poniżej przedstawione zostały schematy zastępcze tranzystorów dla parametrów małosygnałowych, w różnych układach pracy.

W układzie WE (OE):

W układzie WB (OB):

W układzie WK (OC):

Technologia wytwarzania tranzystorów

Trudność wytwarzania tranzystorów bipolarnych wynika z faktu, iż aby tranzystor wzmacniał, tzn. żeby niewielkie zmiany napięcia bazy powodowały duże zmiany prądu płynącego między kolektorem a emiterem, obszar bazy musi być niezwykle cienki. Pierwszą stosowaną w produkcji technologią była technologia ostrzowa polegająca na trawieniu płytki germanowej strumieniem kwasu do uzyskania grubości rzędu mikrometrów. Tak powstawała baza. Do obu jej stron przymocowywano druciki materiału domieszkującego - emiter i kolektor. Tranzystory te miały dobre właściwości w zakresie wysokich częstotliwości, lecz ich produkcja była trudna i kosztowna. Lepszą metodą okazała się proces epitaksjalny, który w swojej udoskonalonej formie jest stosowany do dziś. Tranzystor warstwowy, wykonany w technologii epitaksjalnej, jest wykonany całkowicie wewnątrz płytki półprzewodnika (zazwyczaj krzemu lub arsenku galu). W dużym obszarze kolektora typu n (mowa o tranzystorze npn) znajduje się obszar p (baza), a w nim emiter. Metalizowane powierzchnie zewnętrzne obszarów są połączone z wyprowadzeniami obudowy cienkimi złotymi drucikami. Proces epitaksjalny polega na dyfuzji domieszek do kryształu poprzez fotograficznie naniesioną maskę. Maska pozwala domieszkować ściśle określone miejsca kryształu. Potem maskę usuwa się i nakłada następną, służącą do wykonania kolejnych obszarów struktury. Proces powtarza się tyle razy, ile warstw wymaga dany przyrząd. Na zakończenie napyla się warstwę izolacyjną i pola kontaktowe (też przy pomocy masek). Tranzystory warstwowe są tanie i odporne na urazy mechaniczne. Produkuje się wiele typów ; dla małych i wielkich częstotliwości (rzędu gigaherców), małej i dużej mocy, tranzystory przełączające, impulsowe, sterowane światłem (optotranzystory) i inne.

Znaczenie tranzystorów dla obecnej techniki jest olbrzymie, o czym świadczy chociażby fakt, iż od ponad pół wieku nikomu nie udało się zrealizować innego elementu elektronicznego, który miałby tak szerokie zastosowanie. Tranzystory są używane wszędzie, od najprostszego wzmacniacza lub generatora do najbardziej skomplikowanego komputera. Procesory tych urządzeń zawierają w sobie miliony tranzystorów. Warto też podkreślić, że pierwszy komputer, może bardziej maszyna licząca, został zrealizowany na lampach elektronowych, które były pierwowzorami tranzystorów. Cechowały się podobnymi parametrami, ale były bardziej zawodne niż obecne tranzystory, choć miały lepsze charakterystyki przenoszenia. Obecnie producenci, którzy zajmują się sprzętem audio ( przede wszystkim chodzi o wzmacniacze gitarowe) wracają do lamp i ponownie konstruują piece gitarowe na lampach elektronowych.

Stan tranzystora	Kierunki polaryzacji złączy tranzystora
Stan tranzystora	Złącze emiter-baza	Złącze kolektor-baza
Zatkanie	Zaporowy	Zaporowy
Przewodzenie aktywne	Przewodzenia	Zaporowy
Nasycenie	Przewodzenia	Przewodzenia
Przewodzenie inwersyjne	Zaporowy	Przewodzenia