4.5 Tranzistor

Bipolární tranzistory

Název tranzistoru vychází ze základní vlastnosti prvku, kterou je schopnost rídící elektrody báze malým proudem měnit odpor řízeného obvodu mezi kolektorem a emitorem. Činnost tranzistoru je založena na vzájemné interakci mezi dvěma přechody PN. V prvním přiblížení si lze tranzistor představit jako dvě diody zapojené proti sobě. Dioda báze - emitor se zapojuje v propustném směru a dioda báze - kolektor je polarizována závěrně. Protože báze je extrémně tenká a emitor je velmi silně dotován, dojde při průchodu proudu mezi bází a emitorem k zahlcení báze nosiči náboje. Ve všech vrstvách tranzistoru pak budou volné nosiče náboje, což umožní průchod proudu i přes závěrně polarizovaný přechod báze - kolektor.

Proud protékající kolektorem může být až tisíckrát vyšší než řídící proud tekoucí bází. Tranzistor pracuje tedy jako zesilovač proudu. Podobně jako u diody i ve značce tranzistoru ukazuje šipka směr protékajícího proudu, což usnadňuje zapamatování správného zapojení tranzistoru.

obr. 58 - Orientace obvodových veličin u PNP a NPN tranzistoru

Charakteristiky tranzistoru

Na vstupu se tranzistor chová jako dioda v propustném směru, a proto je závislost vstupního proudu I_B na vstupním napětí prakticky shodná s charakteristikou diody. Ze sklonu vstupní charakteristiky lze určit statický a dynamický vstupní odpor tranzistoru.

Bipolární tranzistor zesiluje proud, a proto se nejčastěji kreslí proudová převodní charakteristika jako závislost výstupního proudu na vstupním. Ze sklonu této charakteristiky lze odečíst statické a dynamické proudové zesílení. Protože křivka se blíží přímce, která prochází počátkem, obě hodnoty proudového zesílení tranzistoru se téměř neliší. Výrobci často uvádějí přímou závislost proudového zesílení h_21E na výstupním proudu I_C.

Ze vstupní a proudové převodní charakteristiky lze sestrojit napěťovou převodní charakteristiku. Sklon této charakteristiky určuje strmost tranzistoru. Obě převodní charakteristiky nejsou lineární ani v pracovní oblasti a jsou zakřiveny opačným směrem. Pro dosažení minimálního zkreslení proto není vhodný ani tvrdý a ani měkký zdroj signálu. Optimální je impedančně přizpůsobený zdroj.

Vstupní charakteristiky jsou poměrně málo závislé na změnách ve výstupním obvodu, a proto se většinou kreslí pouze jediná charakteristika. Ve výstupních charakteristikách je proud tranzistorem funkcí vstupního proudu (napětí) a výstupního napětí. Pro zobrazení funkce dvou proměnných do dvourozměrné plochy je nutné zvolit jednu proměnnou konstantní. Jako konstantní parametr se volí vstupní veličina. Z charakteristik vyplývá, že při buzení z tvrdého napěťového zdroje zesílení roste a při buzení ze zdroje proudu zesílení s rostoucím vstupním proudem klesá. Z hlediska linearity zesílení je výhodnější měkčí zdroj.

Jednotlivé výstupní charakteristiky jsou téměř rovnoběžné s osou výstupního napětí. Vyplývá z toho, že pro velikost výstupního proudu I_C je rozhodující vstupní veličina ( I_B nebo U_BE) a na změně výstupního napětí U_CE proud téměř nezávisí.

Tranzistor se chová na výstupní straně jako zdroj proudu s velmi velkým vnitřním odporem. Velikost dynamické vnitřní vodivosti opět určuje sklon charakteristiky pro zvolený pracovní bod.

Volba pracovního bodu tranzistoru

Pokud se jedním tranzistorem zesiluje střídavý signál, je opět nutné pootevřít tranzistor stejnosměrným posuvem (tzv. zesilovač třídy A). Bez tohoto klidového proudu by totiž tranzistor pracoval jako výkonový usměrňovač. Optimální velikost klidového vstupního proudu I_BP a následně i výstupního proudu I_CP je obtížné určit. Při malém i velkém proudu I_C klesá proudové zesílení. S rostoucím proudem narůstá prudce i vlastní šum tranzistoru, který navíc závisí i na vnitřnícm odporu generátoru signálu. Rovněž narůstá zbytkový proud tranzistorem. Při malých proudech zase nelze dosáhnout velkého napěťového a výkonového zisku tranzistoru.

Volba vhodného pracovního bodu je proto vždy kompromisem a liší se podle umístění tranzistoru v zesilovacím řetězci. Na vstupu se pracuje s velmi malými signály, takže je nutné volit pracovní bod tak, aby se dosáhlo co největšího zesílení, popř. dobré linearity zesilovače.

Šum tranzistoru se skládá z tepelného šumu, výstřelového a blikavého šumu a popisuje se šumovým činitelem F, což je podíl výkonů signál/šum na vstupu ku výkonům signál/šum na výstupu. Často se tento poměr vyjadřuje v decibelech jako tzv. šumové číslo F_dB. Pro velmi hrubý odhad průběhu šumu lze použít rovnici:

Mezní a tranzitní kmitočet

Elektrony a díry se polovodičem prodírají poměrně malou rychlostí a s rostoucím kmitočtem tranzistor ztrácí schopnost zesilovat proud. Při vysokých kmitočtech je navíc nutné uvažovat komplexní charakter parametrů tranzistorů. Například pro proudové zesílení platí:

kde h₂₁₀ je zesílení pro velmi nízký kmitočet. Modul (velikost) komplexního zesílení se určí z Pythagorovy věty:

Při nízkých kmitočtech lze zanedbat druhý člen jmenovatele a zesílení je přibližně konstantní (h₂₁≈ h₂₁₀). Od mezního kmitočtu f _MEZ lze naopak zanedbat jedničku a zesílení je nepřímo úměrné kmitočtu:

(92)

Z této rovnice lze určit i tzv. tranzitní kmitočet f_T, při kterém klesne zesílení na jedničku a tranzistor přestane zesilovat:

Praktičtější je určení f_T z libovolného bodu na klesající části charakteristiky:

Vliv teploty na vlastnosti tranzistoru

Vlastnosti polovodičových prvků jsou značně teplotně závislé. S rostoucí teplotou vzrůstá závěrný proud přechodem a zmenšuje se prahové napětí přechodu. Teoreticky je sice možné udržovat konstantní teplotu celého zařízení termostatem, anebo jak u elektronek zvolit velmi vysokou provozní teplotu zařízení, takže relativně malé teplotní změny okolí se neprojeví, ale nejjednodušší je zvolit takové zapojení, které minimalizuje vliv teplotních změn. K teplotní kompenzaci se používají buď prvky s opačnou teplotní závislostí, anebo se využívá stabilizačních účinků zpětné vazby.

U starších germaniových tranzistorů protékal závěrně polarizovaným přechodem kolektor-báze poměrně velký zbytkový proud I_CB0. Tento proud vyvolal na vnitřním odporu vstupního zdroje R_B úbytek napětí, který se přičítal ke vstupnímu napětí. Protože zbytkový proud se při zvýšení teploty o deset stupňů zdvojnásobí, bylo by nutné pro minimalizaci vlivu teploty použít poměrně tvrdý vstupní zdroj s malým R_B.

Křemíkové tranzistory mají zbytkový proud přechodu velmi malý a proto jej lze včetně teplotního nárůstu zanedbat. Rozhodujícím faktorem u křemíku je posuv charakteristiky. Napětí v propustném směru se zmenšuje s rostoucí teplotou přibližně se strmostí 2 mV/K. Aby se neměnil s teplotou i proud diodou báze-emitor, je nutné, aby zatěžovací přímka protínala charakteristiku diody téměř kolmo. Tomu odpovídá velmi měkký zdroj, takže u křemíkových tranzistorů je naopak vhodné zapojení velkého odporu R_B.

Princip funkce bipolárního tranzistoru:

obr. 64 - Princip funkce přechodu NPN

Na obrázku vidíme velmi zjednodušeně základní strukturu bipolárního tranzistoru. Bipolární tranzistor nazýváme tak proto, že se v jeho funkci účastní nosiče náboje obou polarit. Bipolární tranzistor se skládá ze dvou přechodů PN, které jsou odděleny je velmi tenkou vrstvou polovodiče. Podle toho, zda střední vrstva je typu P nebo typu N rozeznáváme bipolární tranzistory typu NPN nebo PNP

Základní zapojení bipolárního tranzistoru je rovněž znázorněno na obrázku 3.26. Spočívá v tom, že jeden přechod PN je pólován v propustném směru vůči střední části a zbývající vůči téže části v závěrném směru. Vnější elektrodu tranzistoru přiléhající k přechodu pólovanému v propustném směru nazýváme emitorem , střední část bází a zbývající elektrodu kolektorem.

Typy PNP  a NPN  se rozlišují směrem šipky u emitoru. Někdy se kroužky znázorňující kryt tranzistoru nekreslí, nicméně to na funkci nic nemění.

Jako příklad využití zde uvádím zapojení se společným emitorem. Na tomto obrázku je zakreslen jednostupňový tranzistorový zesilovač se společným emitorem.

obr. 65 - Zapojení se společným emitorem

Zapojení se společným emitorem se používá nejčastěji, má poměrně velký vstupní a výstupní odpor, velké napěťové, proudové a výkonové zesílení. Obrací fázi vstupního signálu o 180° (mění polaritu U)

Napěťové zesílení:

Zisk:

Simulaci tohoto zapojení si můžete stáhnout zde.

Zapojení se společnou bází:

obr. 66 - Zapojení se společnou bází

Zapojení se společnou bází má malý vstupní a velký výstupní odpor, velké napěťové a výkonové zesílení, ale malé proudové zesílení.

Zapojení se společným kolektorem:

obr. 67 - Zapojení se společným kolektorem

Zapojení se společným kolektorem - emitorový sledovač - má velký vstupní a malý výstupní odpor (používáme jej jako impedanční transformátor), malé napěťové, ale velké proudové a výkonové zesílení.

Emitorové U sleduje napěťové průběhy v bázi, proto toto zapojení nazýváme také emitorový sledovač.

Unipolární tranzistor

Vedle bipolárního tranzistoru existuje i tranzistor unipolární. Potřeba aktivního prvku v pevné fázi s vysokým vstupním odporem vedla k objevu a konstrukci tzv. tranzistorů řízených polem, jinak nazývaných FET (z anglického field effect transistor). Jsou to tranzistory, jejichž fyzikální princip funkce je odlišný od principu, na kterém pracují bipolární tranzistory. Řídicí elektrodou tranzistorů typu FET teče buď jen velmi malý proud ekvivalentní proudu diody v závěrném směru, nebo je tato řídicí elektroda izolovaná od řízeného obvodu vrstvičkou SiO2, takže jí neteče prakticky žádný proud.

Unipolární tranzistor nemá dva polovodičové přechody a při řízení činnosti využívá nosiče náboje pouze jednoho druhu. Proud nosičů nepotřebuje vstupní proud, ovládá se elektrickým polem – napětím. Odtud dostaly tranzistory název „tranzistory řízené elektrickým polem“. Běžně je označujeme zkratkou FET, která je složena z počátečních písmen anglických slov „Field effect tranzistors“.

Výstupní proud FET se řídí výhradně elektrickým polem, tj. obejde se bez proudu vstupní elektrody. Znamená to zcela odlišný způsob činnosti uvnitř tranzistoru. S tím dále souvisí vstupní odpor. U tranzistorů FET je vstupní odpor nesrovnatelně vyšší, v porovnání s bipolárnímu tranzistory. Dalšími výhodami jsou velmi malý šum i při vysokých kmitočtech malý odběr I a v neposlední řadě i jednoduchou výrobní technologii zajišťující velkou hustotu integrace v integrovaných obvodech.

Tranzistor FET si můžeme představit také jako polovodičový rezistor, třebaže nelineární, na rozdíl od běžného rezistoru. V takovém případě FET ovlivňuje průchod proudu, stejně jako rezistor, je-li zařazen do obvodu. Jeho vodivost (odpor) řídíme změnou elektrického pole.

Zpět