10. Tranzistor Tranzistor patří k důležitým polovodičovým součástkám. Jedná se o třívrstvou polovodičovou součástku se třemi vývody, která má zesilovací schopnost. Základní materiály při výrobě tranzistorů jsou křemík a germanium. Podle technologie výroby rozlišujeme dva druhy tranzistorů- unipolární a bipolární. U unipolárních tranzistorů se na vedení proudu podílí jeden typ nosičů- většinové nosiče a aktivní oblastí je značná část tranzistoru. Jsou založeny na řízení pohybu nosičů náboje elektrickým polem, přičemž vedení proudu se uskutečňuje v tzv. kanále jedním typem nosičů- většinovými elektrony nebo dírami. Užívá se pro ně zkratka FET. Vodivost tohoto tranzistoru je řízena dvojím způsobem: Ø Změnou průřezu vodivého kanálu rozšiřováním přechodu PN nebo MS. Ø Změnou koncentrace většinových nosičů v kanále. V současnosti se rozdělují unipolární tranzistory do tří základních typů: Ø Tranzistory s přechodovým hradlem označované zkratkou JFET. Ø Tranzistory s izolovaným hradlem označované IGFET (v praxi IGFET nebo zkráceně MOS) Ø Tenkovrstvé tranzistory s izolovaným hradlem TFT. Ty v poslední době nachází uplatnění v plochých televizních obrazovkách. Protože je proud v unipolárních tranzistorech přenášen majoritními nosiči, jsou tyto prvky odolnější vůči změnám teploty a dopadajícímu ionizujícímu záření než bipolární tranzistory. Pro nepřítomnost menšinových nosičů jsou zapínací a vypínací body unipolárních struktur dány především parazitními kapacitami, které musí být nabity a vybity při každém sepnutí a vypnutí. Tyto kapacity jsou teplotně nezávislé. To je výhoda oproti bipolárním součástkám. Nesetkáváme se u nich s jevy akumulace (hromadění) menšinových nosičů a jejich postupnou rekombinací. Na obrázku máme schematické značky a popis vývodů (obr. 18). Obr. 18 Schematické značky unipolárních tranzistorů S (source) – zdroj, emitor G(gate)- řídící elektroda D(drain)- odtok, sběrná elektroda, kolektor B- báze(většinou spojení s G) U bipolárních tranzistorů se na vedení el. proudu podílejí oba typy nosičů tzv. většinové i menšinové. Aktivní částí tranzistoru je jen jeho malá část- přechody a přilehlé oblasti přechodů. Jsou založeny na principu injekce (vstřikování) a extrakce(odsávání) nosičů náboje. Jedná se o třívrstvou polovodičovou součástku, která v podstatě představuje antisériovou kombinaci přechodů PN uspořádaných v jediném monokrystalu tak, že jedna z oblastí je oběma přechodům společná. Tato oblast se nazývá báze (B). Další dvě oblasti jsou opačným typem vodivosti než báze a nazývají se emitor (E) a kolektor (C). Podle uspořádání vrstev rozlišujeme dva typy těchto tranzistorů: PNP a NPN. (obr. 19). Obr. 19 Bipolární typy tranzistorů (znázornění analogie s diodami, pořadí vrstev a schematické značení) Použití tranzistoru v obvodech: Ø Jako elektronické spínače. Ø Jako nízkofrekvenční zesilovače. Ø Stabilizátory napětí. Tranzistory mohou být v obvodu zapojeny třemi různými způsoby: zapojení se společnou bází, zapojení se společným kolektorem a zapojení se společným emitorem. V praxi se nejčastěji používá zapojení se společným emitorem .protože při tomto zapojení dochází ke napěťovému i proudovému zesílení . Na obrázku máme zapojení tranzistoru jako spínače (obr. 20). Obr. 20 Tranzistor zapojený jako spínač U1- vstupní napětí U2- provozní napětí U[BE]- napětí báze- emitor U[Besat]- saturační napětí báze- emitor I[c]- proud kolektoru I[B]- proud báze B[min]- minimální poměr stejnosměrných proudů R[v] – předřadný odpor báze R[L ]– odpor zátěže Prochází- li proud tranzistorem, je roven součet proudů I[B ]a I[C ]proudu emitoru: Ie = I[B ]+ I[C ] Další parametr je napětí báze- emitor tzv. řídící napětí. Toto napětí U[BE ]musí být větší než prahové napětí odpovídajícího polovodičového materiálu. Např. u křemíku může být až 0,8 V. Pokud toto napětí nepřesahuje příslušnou hranici, je tranzistor zavřen. U tranzistoru jako spínače jsou jen dva provozní stavy- tranzistor vede(je otevřen) nebo nevede (je zavřen). Otevřený tranzistor má mezi kolektorem a emitorem malý odpor. Zavřený tranzistor má mezi kolektorem a emitorem velký odpor. Tím je zátěž připojena nebo odpojena. Pokud připojíme k tranzistoru vstupní napětí U1, prochází bází proud I[b]. Proud báze řídí v tranzistoru proud kolektorový I[c., ]který prochází zátěží. Proud báze je tranzistorem zesílen, a proto je to spínací zesilovač. Proud kolektoru je funkcí proudu báze Ic = f (I[B]). V praxi je třeba určit hodnotu R[V], který omezuje proud do báze. Základním parametrem tranzistoru je proudový zesilovací činitel : při U[CE ]= konst. Veličina DIc je změna kolektorového proudu způsobená změnou proudu do báze DI[B]. při konstantním napětí U[CE] mezi kolektorem a emitorem. Parametr h[21E] je u běžných hodnota řádově asi 10 ^2. Jeho hodnotu pro různé typy tranzistorů nalezneme v katalogu součástek (např.katalog GM ELECTRONIC). Minimální proud báze I[Bmin, ]který je nutný k zapnutí je možno přečíst z výstupní charakteristiky. Lze ho spočítat i z hodnot v katalogu.(hodnoty h[21E ] a I[c]). K bezpečnému sepnutí tranzistoru se používá proud I[B ]= k . I[Bmin.][ ]Přičemž k je činitel přebuzení. Volí se 2 až 5, čímž se zaručí jisté a rychlé zapnutí. Protože tranzistor není ideální spínač, zůstává mezi emitorem a kolektorem zbytkové napětí U[Cesat] asi 0,2V. Platí: