Tranzystor bipolarny – budowa

Tranzystor bipolarny (ang. BJT – bipolar junction transistor) składa się z trzech obszarów półprzewodnika ułożonych w taki sposób, że kolejne obszary tworzą ze sobą tzw. złącza półprzewodnikowe. Środkowa warstwa półprzewodnika jest podłączona do wyprowadzenia zwanego bazą, a dwa pozostałe obszary nazywamy emiterem i kolektorem. W przypadku tranzystorów NPN baza jest wykonana z półprzewodnika typu P, a kolektor i emiter – z półprzewodnika typu N. Dokładnie odwrotna sytuacja ma miejsce w przypadku tranzystorów typu PNP – dlatego też kierunki prądów i napięć w układach pracy tranzystorów PNP są dokładnie przeciwne, niż w przypadku elementów NPN. Całość ma postać płytki krzemowej (dawniej jako materiał podłoża używany był german), a domieszkowanie – czyli tworzenie obszarów o charakterystyce P i N – jest wykonywane w procesie chemicznym. Tranzystory bipolarne stanowią historycznie pierwszą grupę tranzystorów i są używane do dziś, choć w zdecydowanej większości zastosowań wyparte zostały przez tranzystory polowe (FET) w szczególności MOSFET.

Zasada działania tranzystora bipolarnego

Geometryczne ułożenie poszczególnych obszarów oraz ich wymiary powodują, że niewielki prąd bazy jest w stanie sterować wielokrotnie większym prądem płynącym przez kolektor. Stosunek prądu kolektora (IC) do prądu bazy (IB) określamy mianem wzmocnienia i oznaczamy grecką literą beta:

β = IC/IB .

Wzór ten możemy także zapisać w postaci ułatwiającej wyznaczenie prądu kolektora na podstawie prądu bazy:

IC = β * IB ,

bądź też wymaganego prądu bazy, niezbędnego do uzyskania zadanego prądu kolektora:

IB = IC / β.

Dla tranzystorów małej mocy współczynnik ten mieści się zazwyczaj w przedziale 100 – 300, a tranzystory średniej i dużej mocy zazwyczaj nie przekraczają wartości 100. Zwróć uwagę, że współczynnik wzmocnienia jest wielkością bezwymiarową, tj. nie ma swojej jednostki – wynika to z prostego faktu, że β jest po prostu stosunkiem dwóch wartości prądu. Czasem możesz spotkać się z jednostką [A/A], co jednak nie zmienia sytuacji – z matematycznego punktu widzenia „to samo podzielone przez to samo” daje w wyniku jedynkę.

Obszary pracy tranzystora

Jeżeli do bazy nie wpływa (w przypadku tranzystora NPN) lub nie wypływa z niej (w przypadku tranzystora PNP) żaden prąd, mówimy o stanie zatkania tranzystora. Możesz w uproszczeniu wyobrazić sobie taką sytuację jako brak obecności tranzystora w układzie – przez kolektor nie popłynie prąd, więc reszta układu „nie widzi” tranzystora. Aby tranzystor mógł się otworzyć (mianem otwarcia nazywamy stan, w którym przez kolektor płynie prąd), konieczne jest zapewnienie właściwych warunków pracy. W literaturze spotkasz się z określeniem „punkt pracy tranzystora”, które oznacza zestaw parametrów, opisujących stan tranzystora – prądy bazy, emitera i kolektora oraz napięcia pomiędzy poszczególnymi wyprowadzeniami.

W stanie otwarcia pomiędzy bazą a emiterem tranzystora panuje napięcie rzędu 0,5 – 0,7 V – poniżej tego zakresu tranzystor nie może się otworzyć. Napięcie to zmienia się stosunkowo niewiele nawet przy znacznym wzroście prądu bazy – tutaj właśnie daje o sobie znać nieliniowa, „diodowa” charakterystyka złącza PN (ściślej mówiąc – złącza baza-emiter). Jeżeli parametry pracy tranzystora spełniają zależność IC = β * IB , mówimy o pracy w obszarze aktywnym (liniowym) – wzrost prądu bazy powoduje proporcjonalny wzrost prądu kolektora. Tranzystor wzmacnia (prądowy) sygnał wejściowy, a praca w tym obszarze jest wykorzystywana właśnie we wszelkiego rodzaju wzmacniaczach.

Wzmacniacze tranzystorowe

Warto w tym miejscu dodać, że klasyczne wzmacniacze tranzystorowe są przeznaczone do wzmacniania napięcia, a nie prądu – w tym celu konieczne jest wyposażenie tranzystorów w odpowiednie układy polaryzacji, złożone z rezystorów (najczęściej także kondensatorów) i służące do ustalenia takich warunków pracy, w których wzmocnienie napięciowe (czyli stosunek napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego układu) będzie stałe i ściśle określone konstrukcyjnie.

Ważnym z praktycznego punktu widzenia pojęciem jest saturacja (nasycenie) tranzystora – zjawisko to występuje wtedy, gdy prąd bazy ma na tyle wysoką wartość, że jego dalsze zwiększanie nie ma wpływu na wartość prądu kolektora (przy ustalonym napięciu zasilania obwodu kolektora). Wtedy pomiędzy emiterem a kolektorem tranzystora panuje napięcie o wartości rzędu (przeważnie) od kilkudziesięciu do kilkuset miliwoltów – wyraźnie niższe, niż napięcie złącza baza-emiter. Ten tryb pracy tranzystora jest wykorzystywany w układach kluczujących, czyli przełączających.

Zastosowanie tranzystorów jako przełączników

W tym miejscu skupimy się na najprostszym sposobie zastosowania tranzystorów bipolarnych. Układy przełączające (kluczujące) mają fundamentalne znaczenie zarówno w układach sterowania różnego rodzaju obciążeniami (np. uzwojeniami silników elektrycznych, oświetleniem czy zasilaniem poszczególnych bloków urządzenia), jak i w technice cyfrowej. Tranzystor jako przełącznik może pracować w jednym z dwóch ściśle określonych stanów: zatkania (brak przepływu prądu przez kolektor) lub otwarcia (przepływ prądu przez kolektor).

Warto w tym miejscu dodać, że w stanie otwarcia prąd kolektora nie może przekraczać maksymalnej wartości określonej przez producenta danego tranzystora – niespełnienie tego warunku doprowadzi do uszkodzenia tranzystora poprzez przegrzanie jego delikatnej, krzemowej struktury, a nawet przepalenie połączeń wewnątrz obudowy elementu. Aby jednak poprawnie zastosować tranzystor jako klucz, trzeba spełnić jeszcze jeden warunek – tranzystor powinien koniecznie pracować w stanie saturacji, gdyż wtedy właśnie pomiędzy emiterem a kolektorem panuje najniższe możliwe napięcie. Oznacza to także najmniejsze straty mocy, liczonej jako iloczyn prądu kolektora i napięcia kolektor–emiter. Należy przy tym pamiętać, że każdy tranzystor bipolarny ma także określoną, maksymalną wartość prądu bazy, której także nie wolno przekraczać, gdyż doprowadziłoby to do nieodwracalnego uszkodzenia tranzystora.