Tranzistor

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
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[editovat | editovat zdroj]

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[editovat | editovat zdroj]

JFET P-Channel Labelled.svg IGFET P-Ch Enh Labelled.svg IGFET P-Ch Dep Labelled.svg P-kanál
JFET N-Channel Labelled.svg IGFET N-Ch Enh Labelled.svg IGFET N-Ch Dep Labelled.svg 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 kovpolokov.
    • 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[editovat | editovat zdroj]

Související informace naleznete také v článku PN přechod.
BJT PNP symbol.svg BJT NPN symbol.svg
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[editovat | editovat zdroj]

  • 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[editovat | editovat zdroj]

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[editovat | editovat zdroj]

K výpočtu zesilovacího činitele (jako například h21E) 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[editovat | editovat zdroj]

  • 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[editovat | editovat zdroj]

  • 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[editovat | editovat zdroj]

Logo Wikimedia Commons
Wikimedia Commons nabízí obrázky, zvuky či videa k tématu