Tranzistor

Tento článek pojednává o elektrotechnické součástce. Další významy jsou uvedeny v článku rádio.

Tranzistory

Tranzistor je polovodičová součástka, kterou tvoří dvojice přechodů PN. Je základem všech dnešních integrovaných obvodů, jako např. procesorů, pamětí atd.

Základ činnosti

Základní vlastností tranzistoru je schopnost zesilovat – malé změny napětí nebo proudu na vstupu mohou vyvolat velké změny napětí nebo proudu na výstupu.

Tranzistorový jev (efekt) byl objeven a tranzistor vynalezen 16. prosince 1947 v Bellových laboratořích týmem ve složení William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain. Za tento objev jim byla roku 1956 udělena Nobelova cena za fyziku, jednalo se o velmi významný objev, který vedl k faktickému vědeckotechnickému převratu v oblasti aplikované elektrotechniky. Tím byl zároveň potvrzen dosavadní stálý trend miniaturizace jednotlivých a později integrovaných součástek, shrnutý Mooreovým zákonem jako v čase konstantní proces koncentrace polovodičových součástek.

Podle principu činnosti se tranzistory dělí na bipolární a unipolární. Polovodičové přechody tranzistoru vytvářejí strukturu odpovídající spojení dvou polovodičových diod v jedné součástce, většinu vlastností tranzistoru však dvojicí diod nahradit nelze. Každý tranzistor má (nejméně) tři elektrody, které se u bipolárních tranzistorů označují jako kolektor, báze a emitor, u unipolárních jako drain, gate a source. Podle uspořádání použitých polovodičů typu P nebo N se rozlišují dva typy bipolárních tranzistorů, NPN a PNP (prostřední písmeno odpovídá bázi). Unipolární tranzistory jsou označovány jako N-FET nebo P-FET.

Základní typy tranzistorů

			P-kanál
			N-kanál
JFET	MOSFET indukovaný	MOSFET zabudovaný

FET značky

• Bipolární – (BJT – Bipolar Junction Transistor) Jsou řízeny proudem tekoucím do báze.
• Unipolární – (FET – Field Effect Transistor) Jsou řízeny napětím (elektrostatickým polem) na řídící elektrodě (gate).
  • JFET – (Junction FET) Řídící elektroda je tvořena závěrně polarizovaným přechodem PN.
  • MESFET – (Metal Semiconductor FET) Řídící elektroda je tvořena závěrně polarizovaným přechodem kov–polokov.
  • MOSFET – (Metal Oxide Semiconductor FET) Řídící elektroda je izolována od zbytku tranzistoru oxidem.
  • MISFET – (Metal Insulated Semiconductor FET) Obecný název pro tranzistor s izolovanou řídící elektrodou. Izolantem nemusí být jen oxid (např. nitrid…).

Princip činnosti bipolárního tranzistoru

Související informace naleznete v článku PN přechod.

PNP	NPN

BJT značky

Bipolární tranzistor je třívrstvá součástka složená z různě dotovaných oblastí. Emitor je na rozdíl od báze o několik řádů více dotován, má mnohem více volných nosičů náboje. V případě NPN tranzistoru elektronů, a ty zaplaví tenkou oblast báze. Uvažujme tranzistor typu NPN v zapojení se společným emitorem. Zvyšováním kladného napětí mezi bází a emitorem (tj. kladný pól zdroje na bázi a záporný na emitoru) se ztenčuje oblast bez volných nosičů na rozhraní báze a emitoru. Okolo napětí 0,6 V až 0,7 V pro křemík (Si) a 0,2 V až 0,3 V pro germanium (Ge) začíná PN přechod báze-emitor vést elektrický proud. Tato část tranzistoru se chová jako klasická polovodičová dioda.

Přivedením kladného napětí mezi kolektor a emitor, začnou být přebytečné elektrony odsávány z báze směrem ke kolektoru. Přechod Báze kolektor je polarizován v závěrném směru. Přebytek elektronů je následně posbírán ve vyprázdněné oblasti přechodu kolektor-báze.

Podmínky pro správnou funkci tranzistoru

• Tenká vrstva báze – Podstata tranzistorového jevu.
• Emitor dotovaný více než báze – Způsobuje převahu volných nosičů náboje z emitoru. Při otevření přechodu báze–emitor se tak zachovává délka báze a elektrony vstříknuté do báze z emitoru nestíhají rekombinovat.
• Báze dotovaná více než kolektor – Čím větší je rozdíl dotací, tím větší napětí může tranzistor spínat, ale má také větší sériový odpor.

V bipolárním tranzistoru vedou proud také díry. Ty se zákonitě pohybují opačným směrem, ale plní stejnou úlohu jako elektrony. Proto se tomuto typu tranzistoru říká „bipolární“.

Základní zapojení

Zapojení tranzistorového zesilovače se společným emitorem.

V elektronických obvodech může být tranzistor zapojen čtyřmi základními způsoby. Podle elektrody, která je společná pro vstupní i výstupní signál se rozlišuje zapojení se

• společným emitorem (SE) - obrací fázi, proudové a napěťové zesílení je mnohem větší než 1
• společnou bází (SB) - neobrací fázi, malé proudové zesílení (Ai<1), velmi malá vstupní impedance, velké napěťové zesílení (velikostně podobné jako zapojení SE), zapojení se využívá ve spínačích nebo ve zdrojích v části stabilizátu
• společným kolektorem (SC) (= emitorový sledovač) - neobrací fázi, velký vstupní odpor, velké proudové zesílení, menší napěťové zesílení (<1), využívá se ve sledovačích daného obvodu
• regulační stupeň (RS)

Nejčastěji se používá zapojení se společným emitorem (SE), viz obrázek. Na první pohled emitor není uzemněn, ale podstatný je pohled z hlediska přenosu změn signálu. Z tohoto pohledu je rezistor R4 pro nastavení stejnosměrného pracovního bodu pro střídavý signál zkratován velkou paralelní kapacitou kondenzátoru C3. Důležitou informaci o vlastnostech tranzistoru podávají jeho vstupní a výstupní charakteristiky. Celková charakteristika se zakresluje do kartézské soustavy souřadnic.

Matematický popis tranzistoru

K výpočtu zesilovacího činitele (jako například h_21E) se používá tzv. hybridních rovnic.

$u_1 = h_{11} \cdot i_1 + h_{12} \cdot u_2$ $i_2 = h_{21} \cdot i_1 + h_{22} \cdot u_2$

Můžeme dosadit např. pro zapojení SE:

$u_{BE} = h_{11} \cdot i_B + h_{12} \cdot u_{CE}$ $i_C = h_{21} \cdot i_B + h_{22} \cdot u_{CE}$

z toho např. $h_{11}$: $h_{11} = \frac{u_{BE}}{i_B}$ při $u_{CE} = 0 \to u_{CE} = konst.$

Stejně tak platí vztah $I_E = I_C + I_B$ Toto je vlastně obecný první Kirchhoffovův zákon.

$h_{11}$ = diferenciální vstupní odpor při výstupu nakrátko

$h_{12}$ = diferenciální zpětný napěťový přenos při vstupu naprázdno

$h_{21}$ = diferenciální proudový přenos při výstupu nakrátko (někdy uváděn jako $h_{FE}$ nebo $\beta$

$h_{22}$ = diferenciální výstupní vodivost při vstupu naprázdno

Můžeme také počítat s admitančními rovnicemi:

$i_1 = y_{11} \cdot u_1 + y_{12} \cdot u_2$

$i_2 = y_{21} \cdot u_1 + y_{22} \cdot u_2$

• Poznámka: Všímněte si psaní malých a velkých písmen. Velká označují statické hodnoty a malá dynamické – tzn. že velká písmena vyjadřují chování v ustáleném stavu při stejnosměrných veličinách, kdežto malá písmena určují chování (okamžité hodnoty) při střídavých veličinách. Toto je nutno brát v potaz.

Rozdělení tranzistorů podle výkonu

• běžné tranzistory: slouží pro zpracování signálu (ať už jako jednotlivé „diskrétní“ součástky, či součástky v čipech a mikročipech integrovaných obvodů), jsou dnes základním prvkem spotřební i nespotřební elektroniky (televize, rádia, počítače, mobilní telefony…). Běžné tranzistory obvykle zpracovávají signál v jednotkách voltů. Proud přitom bývá nejvýše v řádu miliampérů. Snahou od počátku je a zůstává minimalizace jak obou elektrických veličin, tak ztrát energie v součástce a z toho vyplývající efektivita zpracování informace.

• výkonové tranzistory: jsou klíčovým prvkem používaným ve výkonové elektronice, například v oblasti spínaných zdrojů nebo frekvenčních měničů. Výkonová elektronika je rovněž klíčová při realizaci moderních zdrojů světla (úsporná žárovka, LED dioda), moderních trakčních vozidel s asynchronními motory, hybridních automobilů a elektromobilů, fotovoltaických a větrných elektráren. Současné výkonové tranzistory (viz IGBT) jsou schopny ve spínacím režimu pracovat s napětím až v řádu kilovoltů a s proudy v řádu stovek nebo tisíců ampér.

• středně výkonné tranzistory: mezi běžnými a výkonovými tranzistory - často jak parametry, tak fyzickou funkcí - jsou provozované v lineárním režimu a používají se například pro lineární regulátory napětí, nebo pro výkonové stupně audiozesilovačů.

Doporučená literatura

• Valsa J.: Teoretická elektrotechnika I; VUT Brno, 1997
• Brančík L.: Elektrotechnika I; VUT Brno
• Dědková J: Elektrotechnický seminář; VUT Brno
• Musil V., Brzobohatý J., Boušek J., Prchalová I.: Elektronické součástky; VUT Brno, 1996
• Mikulec M., Havlíček V.: Základy teorie elektrických obvodů 1; ČVUT, 1997
• Stránský J. a kol.: Polovodičová technika I – učebnice pro elektrotechnické fakulty; SNTL; 1982
• Blahovec A.: Elektrotechnika I; Informatorium, 1997
• Blahovec A.: Elektrotechnika II; Informatorium, 1997
• Blahovec A.: Elektrotechnika III; Informatorium, 1997
• Maťátko J.: Elektronika; Idea Servis, 1997
• Syrovátko M.: Zapojení s polovodičovými součástkami; SNTL, 1987
• FROHN M., OBERTHÜR W. A KOL.. Elektronika – polovodičové součástky a základní zapojení. Praha : BEN - technická literatura, 2006. ISBN 80-7300-123-3.  
• Vobecký J., Záhlava V.: Elektronika – součástky a obvody, principy a příklady; Grada Publishing; 2001
• DOLEČEK, J.. Moderní učebnice elektroniky 1. část. Praha : BEN – technická literatura, 2005. ISBN 80-7300-146-2.  
• DOLEČEK, J.. Moderní učebnice elektroniky 2. část. Praha : BEN – technická literatura, 2005. ISBN 80-7300-161-6.  
• DOLEČEK, J.. Moderní učebnice elektroniky 3. část. Praha : BEN – technická literatura, 2005. ISBN 80-7300-184-5.  
• DOLEČEK, J.. Moderní učebnice elektroniky 4. část. Praha : BEN – technická literatura, 2006. ISBN 80-7300-185-3.  

Související články

• Fototranzistor
• Integrovaný obvod
• Tyristor
• Bipolární tranzistor v učebnici Praktická elektronika ve Wikiknihách