Fizički izgled tranzistora kao diskretnih elemenata

Tranzistor je poluvodički elektronički element i koristi se za pojačavanje električnih signala, kao elektronička sklopka, za stabilizaciju napona, modulaciju signala i mnoge druge primjene. Osnovni je tvorni element mnogih elektroničkih sklopova, integriranih krugova i elektroničkih računala.

Tranzistori se prema načinu rada dijele u dvije glavne grupe: bipolarne tranzistore (eng. BJT – Bipolar Junction Transistor) kod kojih vodljivost ovisi o manjinskim nositeljima električnog naboja (elektronima u NPN ili šupljinama u PNP tipu) te unipolarne tranzistore (eng. FET – Field Effect Transistor) kod kojih vodljivost ovisi samo o većinskim nositeljima električnog naboja (elektronima u N-kanalnom ili šupljinama u P-kanalnom tipu).

Pod pojmom tranzistor najčešće se podrazumijeva ranije otkriveni bipolarni tranzistor, a kada se govori o unipolarnom tranzistoru redovito se naglašava o kojoj se vrsti unipolarnog tranzistora radi.

Povijest

Premda je bilo i ranijih istraživanja, zasluga za otkriće tranzistora pripala je 1947. godine Williamu Shockleyu. Prvi tranzistori bili su izvedeni od dotiranog germanija, a prvi silicijski tranzistor bio je proizveden od tvrtke Texas Instruments 1954. godine. Uslijedio je brz razvoj poluvodičke tehnologije i brojne vrste novih vrsta različitih bipolarnih tranzistora. Prvi unipolarni MOS (Metal Oxide Semiconductor) tranzistor proizveden je već 1960. godine.

Bipolarni tranzistor

Bipolarni su tranzistori građeni tako da dopiranjem čistog poluvodiča, npr. silicija ili germanija, nastaje struktura u kojoj se između dva područja istog tipa vodljivosti (P ili N) nalazi područje suprotnog tipa vodljivosti (N ili P). Ovisno o tome moguća su dva tipa bipolarnih tranzistora koji se označavaju kao:

• PNP(pozitivno-negativno-pozitivno)
• NPN(negativno-pozitivno-negativno)

Kod bipolarnih tranzistora razlikujemo:

• bazu [B]
• emiter [E]
• kolektor [C]

na koje su spojeni izvodi pomoću kojih se tranzistor spaja u vanjski električni krug. Baza i emiter čine u normalnom aktivnom načinu rada propustno polariziran PN spoj (kod NPN tranzistora), za razliku od kolektora i baze koji u normalnom aktivnom načinu rada čine nepropustno polariziran PN spoj.

Princip rada tranzistora se zasniva na injekciji manjinskih nosilaca iz emitera u bazu i njihovom transportu do kolektora. Kako je napon na spoju baza-emiter manji od napona na spoju kolektor-baza, a također je i struja koja teče u bazu manja od struja emitera i kolektora znači da tranzistor omogućuje upravljanje potrošnjom u krugu veće snage pomoću kruga u kojem se troši manja snaga. Ovisno o tome koja je elektroda za oba kruga zajednička tranzistor se može koristiti u tri različita spoja.

U spoju sa zajedničkom bazom ostvaruje se samo pojačanje napona, u spoju sa zajedničkim kolektorom samo pojačanje struje, a spoju sa zajedničkim emiterom pojačava se i napon i struja, pa je pojačanje snage najveće.

Za učinkovit je rad tranzistora bitno da struja koja teče u bazu bude što manja. Dva faktora koja na to utječu su faktor injekcije i transportni faktor. Faktor injekcije ovisi o odnosu broja nosilaca koji se injektiraju iz emitera u bazu prema broju nosilaca koji se injektiraju iz baze u emiter. Povoljan se odnos postiže kada je emiter znatno više dopiran od baze.

Transportni faktor ovisi o broju injektiranih nosilaca koji se rekombiniraju u bazi, a za njega je bitno da baza bude dovoljno tanka kako bi nosioci stigli do kolektorskog spoja prije nego što se rekombiniraju.

Bilo da se radi o PNP ili NPN tipu tranzistora oba obavljaju istu funkciju. Razlika je u polaritetima vanjskih napona i struja, te u vrsti nosilaca električne struje. U PNP tipu tranzistora glavni su nosioci električne struje šupljine, a u NPN tipu tranzistora su to elektroni.

Parametri bipolarnog tranzistora

Izlazne karakteristike tipičnog bipolarnog tranzistora koji se ugrađuje u sklopove koji služe kao naponska pojačala, i druge različite namjene, radno područje označeno je plavom bojom

Bipolarni tranzistor primarno smatramo strujnim aktivnim izvorom gdje istosmjerna kolektorska struja ovisi o struji baze:

Bipolarni transistor kao aktivni električni izvor predstavljamo u elektroničkim krugovima nadomjesnim upravljanim strujnim izvorom.

Dinamičko strujno pojačanje

Za razliku od istosmjernog strujnog pojačanja koje definiramo kao:

dinamički faktor stujnog pojačanja h_FE definiramo kao strujno pojačanje za mali električni signal u određenoj radnoj točki tranzistora:

Razmatramo li male izmjenične struje bipolarni tranzistor možemo predočiti aktivnim strujno upravljanim strujnim izvorom nazivne struje :

gdje je i_c izmjenična komponenta kolektorske struje, h_FE dinamički faktor strujnog pojačanja , a i_b ulazna pobudna struja baze. Faktor strujnog pojačanja može poprimati vrijednosti od nekoliko desetaka do nekoliko stotina, ovisno o namjeni i tehnologiji izrade.

Ulazni dinamički otpor

Izlazni tranzistor snage 2N 3055

Veličina ulaznog dinamičkog otpora određena je položajem radne točke na ulaznoj U_BE/ I_B karakteristici. Kako je struja baze u ovisnosti o naponu baza/emiter određena sa:

gdje je I_B struja baze, I_s reverzna struja zasićenja, U_BE napon baza/emiter, k Boltzmanova konstanta, a T apsolutna temperatura u ⁰K. Slijedi da je ulazna dinamička vodljivost određena kao:

gdje je tada dinamički ulazni otpor jednak:

Dinamički ulazni otpor veličina je koja izrazito ovisi o radnoj točki tranzistora. U zapornom području je ulazni otpor velik, a u propustnom se brzo smanjuje naročito za napon baza/emiter U_BE veći od praga vođenja koji je za silicijeve tranzistore negdje između O,5 i O,6 V. Kako će fizički veći tranzistori imati u pravilu i veću reverznu struju zasićenja, izlazni tranzistori snage imaju sukladno tome i manji dinamički ulazni otpor, što se vidi i iz njihove ulazne U_BE/ I_B karakteristike. Tranzistor u zasićenju radi kao uključena sklopka.

Unutarnji dinamički otpor

Unutarnji dinamički otpor određuje se kao omjer male promjene kolektorskog napona i male promjene kolektorske struje u radnoj točki tranzistora, a uz konstantnu struju baze:

Unutarnji dinamički otpor tranzistora je velik za sve suvremene silicijeve bipolarne tranzistore te je izlazni kolektorski izmjenični napon ovisan najvećim daijelom o veličini opteretnog otpora.

Naponsko pojačanje u spoju zajedničkog emitera

Bipolarni tranzistor predstavlja za izmjenični električni signal strujno upravljan električni izvor struje i predstavljamo ga nadomjestnim izvorom unutarnjeg otpora R_i i struje

gdje je h_FE dinamički faktor strujnog pojačanja, a i_ul pobudna struja koja teče kroz bazu bipolarnog tranzistora. Međutim, u čestim okolnostima gdje je dinamički električni otpor koji se pojavljuje na ulaznim elektrodama bipolarnog tranzistora znatno veći od unutarnjeg otpora električnog izvora koji se priključuje na bazu i emiter bipolarnog tranzistora, ova jednakost se može prikazati u nešto drukčijem obliku

gdje je u_ul ulazni napon koji dolazi iz naponskog izvora, a R_ul dinamički otpor na ulazu tranzistora. Pad napona u_R na opteretnom otporu bit će ovisan o međusobnom odnosu opteretnog otpora i unutarnjeg otpora izvora

te je naponsko pojačanje pojačala s bipolarnim tranzistorom određeno prema jednakosti

Naponsko pojačanje elektroničkog sklopa s bipolarnim tranzistorima određeno je, dakle, prvenstveno faktorom dinamičkog strujnog pojačanja i dinamičkom ulaznom impedancijom bipolarnog tranzistora te međusobnim odnosom opteretnog otpora i unutarnjeg otpora izvora. Pojačanje ima negativan predznak jer povećanje ulaznog izmjeničnog napona na bazi tranzistora ima za posljedicu smanjenje kolektorskog napona na izlazu.

Ponašanje na višim frekvencijama

Ulazna impedancija

Ulaznu impedanciju bipolarnog tranzistora sačinjavaju njezin radni dio, ulazni otpor R_ul i rezultantna ulazna kapacitivnost koju čini s jedne strane kapacitet baza/emiter C_be, a s druge strane kapacitet kolektor/baza C_cb koji se preslikava u ulazni krug uvećan za naponski faktor pojačanja sklopa u koji je ugrađen bipolarni transistor (Millerov efekt):

gdje je tada ulazna impedancija određena jednakosti:

Ulazna impedancija triode je na taj način osjetno manja u usporedbi s tetrodom i pentodom kod kojih su drugom rešetkom ulazni i izlazni krug praktički potpuno odvojeni.

Izlazna impedancija

Unutarnji, odn. izlazni dinamički otpor elektronske cijevi na nižim i srednjim frekvencijama određen je karakteristikama razmatrane elektronske cijevi, gdje će trioda u tom smislu imati relativno mali unutarnji otpor, tetroda osjetno veći, a pentoda najveći. Razmjerno veličini unutarnjeg otpora rasti će i mogućnost naponskog pojačanja elektronske cijevi te će pentoda imati najmanje za red veličine veće naponsko pojačanje. Pri višim frekvencijama valja računati na utjecaj svih međuelektrodnih kapaciteta što će se očitovati kao pad pojačanja pri višim frekvencijama, a uslijed djelovanja međuelektrodnih kapaciteta koji se u izlaznom krugu pojavljuju kao kapacitivno opterećenje ovisno o frekvenciji.

Unipolarni tranzistor

Kod unipolarnih tranzistora, za razliku od bipolarnih, u vođenju struje sudjeluje samo jedna vrsta električnog naboja (ili elektroni ili šupljine). Nazivaju se tranzistori sa efektom polja (engl. Field-effect transistor, skraćeno FET, a njem. Feldeffekt Transistor). Svojstvo im je da imaju izrazito veliki ulazni otpor te ih možemo smatrati naponski upravljanim aktivnim izvorom.

Unipolarni tranzistori ovisno o tehnologiji izrade mogu biti

• Spojni (engl. Junction field-effect transistor, skraćeno JFET, a njem. Sperrschicht-FET)
• S izoliranim zasunom (engl. Insulated gate FET, skraćeno IGFET
• Metal oksidni (engl. metal oxide semiconductor FET, skraćeno MOSFET, a njem. Isolierschicht-FET).
• Vertikalni metal oksidni (engl. vertical metal oxide semiconductor FET, skraćeno VMOSFET)

Unipolarni tranzistori mogu još obzirom na tip poluvodiča biti n-kanalni ili p-kanalni, a obzirom na dopiranje mogu biti izvedeni kao obogaćen ili osiromašen tip.

Fototranzistor

Znatno veću osjetljivost na svjetlost u usporedbi s fotodiodama imaju fototranzistori.Međutim, brzina rada im je znatno manja od brzine rada fotodiode. Vrijeme uključenja, a posebno isključenja, znatno je duže, reda veličine nekoliko mikrosekundi, dok kod fotodiode može biti manje od nanosekunde. Djelovanje fototranzistora slično je djelovanju običnih bipolarnih tranzistora s tim da se struja baze stvara osvjetljenjem PN spoja baza-kolektor. Fototranzistor se može predočiti s pomoću spoja bipolarnog tranzistora i fotodiode spojene između kolektora i baze. Kad je tranzistor neosvjetljen njime teče samo vrlo mala tamna struja koju čini preostala struja kolektora reda veličine od nekoliko nanoampera do nekoliko desetaka nanoampera.

Literatura

• Jelaković T. “Tranzistorska audiopojačala”, Školska knjiga, Zagreb, 1973.
• Stuart J.R. “An approach to audio amplifier design”, Wireless World, August 1973
• David Bodanis (2005). Electric Universe. Crown Publishers, New York. ISBN 0-7394-5670-9.
• J. Chelikowski, “Introduction: Silicon in all its Forms”, Silicon: evolution and future of a technology (Editors: P. Siffert, E. F. Krimmel), p.1, Springer, 2004 ISBN 3540405461.
• Streetman, Ben (1992). Solid State Electronic Devices. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. pp. 301–305. ISBN 0-13-822023-9.
• Amos S W & James M R (1999). Principles of Transistor Circuits. Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-4427-3.
• Horowitz, Paul & Hill, Winfield (1989). The Art of Electronics. Cambridge University Press. ISBN 0-521-37095-7.
• Riordan, Michael & Hoddeson, Lillian (1998). Crystal Fire. W.W Norton & Company Limited. ISBN 0-393-31851-6. The invention of the transistor & the birth of the information age
• Warnes, Lionel (1998). Analogue and Digital Electronics. Macmillan Press Ltd. ISBN 0-333-65820-5.