Spis treści:
- 1 Tranzistor - vše, co potřebujete vědět
- 2 Tranzistory - polovodiče v pohybu
- 3 Tranzistory - nástupci elektronek
- 4 Jaké jsou základní funkce tranzistorů v elektronických obvodech?
- 5 Tranzistory v integrovaných obvodech
- 6 Bipolární tranzistory
- 7 Klíčové parametry bipolárních tranzistorů
- 8 Pracovní stavy bipolárních tranzistorů
- 9 Unipolární tranzistory
- 10 Příklady použití tranzistorů
Tranzistor - vše, co potřebujete vědět
Tranzistor je jedním ze základních stavebních prvků téměř všech elektronických zařízení kolem nás – ať se na něj podíváte z kterékoli strany!
Tranzistory - polovodiče v pohybu
Tento článek představuje nejdůležitější aspekty konstrukce a principu činnosti tranzistorů používaných v elektronických obvodech.
Tranzistory - nástupci elektronek
Vynález tranzistoru na konci 40. let 20. století. Sedmdesátá léta minulého století byla úspěchem, který zcela změnil směr vývoje technologií na celém světě, což je patrné dodnes. V mnoha aplikacích tranzistory vytlačily elektronky, i když ne ve všech – milovníci elektroakustických zařízení dávají přednost zvuku zesilovačů, v nichž je alespoň výkonový stupeň postaven na elektronkách. Elektronky jsou také ideální pro mikrovlnné technologie a vojenská komunikační zařízení. Nicméně ve srovnání s přístroji vakuové technologie, tranzistory mnohem nižší spotřebu proudu a jejich malé rozměry umožňují zmenšit velikost krytů elektronických přístrojů. Kromě toho mohou tranzistory existovat jako jednotlivé diskrétní prvky. Na nich je založená vnitřní struktura téměř každého integrovaného obvodu, a to jak operační zesilovačjejichž vnitřní struktura obvykle obsahuje desítky tranzistorů (např. operační zesilovač LM741 obsahuje 20 tranzistorů), a také procesory pro osobní počítače, kde možnosti dnešního litografického procesu umožňují sestavit obvody s až 20 tranzistory. desítky miliard tranzistorů! Proto se tranzistory nacházejí téměř všude – v pračkách, televizorech, autech, telefonech, počítačích, robotech, elektrickém nářadí, hračkách, letadlech, audio zařízeních a mnoha, mnoha dalších zařízeních.
Jaké jsou základní funkce tranzistorů v elektronických obvodech?
Tranzistory plní v elektronických obvodech v podstatě dvě funkce – spínání a zesilování elektrických signálů. V procesu spínání lze pomocí tranzistorů řídit zapínání a vypínání toku elektronů v libovolné části elektronického obvodu podle stupně jejího rozšíření. Naproti tomu proces zesílení signálu pomocí tranzistorů zahrnuje ukládání a přenos těchto signálů s nízkou amplitudou za účelem jejich zesílení. Tato vlastnost se používá mimo jiné. v radioelektronice.
Tranzistory v integrovaných obvodech
Dalším významným technologickým krokem po vynálezu tranzistorů byl vývoj integrovaných obvodů, které se skládají z mnoha miniaturních tranzistorů. Vytváření prototypů elektronických obvodů z diskrétních součástek je stále populární, mezi které patří jednotlivé tranzistory, např. v audio zesilovačích. Tato praxe probíhala také v době, kdy již byly k dispozici integrované obvody, ale byly příliš drahé na to, aby se mohly uplatnit v masové výrobě elektronických zařízení.
Bipolární tranzistory
Jedním z nejběžnějších typů tranzistorů v moderní elektronice jsou bipolární tranzistory (BJT), známé také jako přechodové tranzistory. Tyto tranzistory jsou kombinací dvou polovodičových přechodů typu p-n, které dohromady tvoří třívrstvou strukturu. Na hranici samotného přechodu p-n se setkávají díry (p) a elektrony (n). Jednotlivé vodivé oblasti v bipolárním tranzistoru jsou vyvedeny ven prostřednictvím emitoru (E), báze (B) a kolektor (C). Z hlediska polarity se bipolární tranzistory dělí na:
- tranzistory n-p-n – polovodič typu p tvoří bázi tranzistoru a je vložen mezi dvě vrstvy typu n;
- tranzistory p-n-p – polovodič typu N tvoří bázi tranzistoru a je vložen mezi dvě vrstvy typu P.
Každý bipolární tranzistor má dva přechody – přechod báze-emitor (B-E) a přechod báze-kolektor (B-C). Bipolární tranzistory jsou proudově řízené součástky. Přivedením vhodného napětí na bázi vzhledem k emitoru přes omezovací odpory polarizujete tento přechod a přinutíte proud protékat jeho obvodem. V závislosti na typu tranzistoru je tok proudu v tranzistoru n-p-n spouštěn kladným napětím a v tranzistoru p-n-p záporným napětím. Opačná polarita napětí způsobí, že tranzistor přejde do zpětného chodu.
Klíčové parametry bipolárních tranzistorů
Bipolární tranzistor a jevy v něm lze pro praktické účely popsat pomocí následujících parametrů:
UBE – napětí báze-emitor – při jeho překročení tranzistor přejde do vodivého stavu;
IB – proud báze – proud tekoucí do báze tranzistoru, řídí tok kolektorového proudu;
IC – kolektorový proud – se rovná násobku proudu báze a zesílení tranzistoru;
IE – emitorový proud – proud tekoucí z emitoru, který je součtem proudu báze a proudu kolektoru;
hFE – proudový zesilovací činitel tranzistoru.
Pracovní stavy bipolárních tranzistorů
Bipolární tranzistor může být ve třech provozních stavech.
- Stav vypnutí – pokud je napětí báze-emitor menší než cca. 0,7 V, bází neprotéká žádný proud a odpor přechodu kolektor – emitor ukazuje na stav téměř otevřeného obvodu, takže tranzistor nevede.
- Aktivní stav – pokud je napětí báze-emitor alespoň cca. 0,7 V protéká bází proud a odpor přechodu kolektor-emitor se výrazně sníží. Hodnota kolektorového proudu ve vodivém stavu je úměrná proudu báze. Poměr kolektorového proudu k proudu báze určuje proudové zesílení tranzistoru. V tomto provozním režimu funguje tranzistor jako jednoduchý proudový zesilovač.
- Stav nasycení – pokud je napětí báze-emitor větší než cca. 0,7 V, pak se odpovídajícím způsobem zvýší proud báze. Odpor přechodu kolektor-emitor se pak ještě více sníží. V tomto případě je hodnota proudu protékajícího kolektorem nejvyšší. Takový tranzistor se chová jako spínač, který zkratuje obvod přes minimální možný odpor přechodu kolektor-emitor. Za těchto podmínek je hodnota emitorového proudu blízká hodnotě kolektorového proudu, protože řídicí proud báze je obvykle malý.
Unipolární tranzistory
Kromě bipolárních tranzistorů jsou mezi elektroniky velmi uznávané a oblíbené unipolární tranzistory, známé také jako tranzistory s polem účinku (FET). Na rozdíl od bipolárních tranzistorů jsou to zařízení řízená napětím. Vodivostní kanál tranzistoru může být vyroben buď z polovodiče typu n, nebo z polovodiče typu p. Podél vodivého kanálu drain-source se nachází řídicí elektroda, tzv. hradlo, která je vyrobena z polovodiče s opačným typem vodivosti. V tranzistoru s polem s kanálem typu n je tedy hradlo vyrobeno z polovodiče typu p, a u tranzistoru s polem a kanálem typu p je hradlo vyrobeno z polovodiče typu n. Mezi nejdůležitější podtypy tranzistorů s polem účinku patří tranzistory MOSFET a J-FET, jejichž hlavní rozdíl spočívá v konstrukci hradla. Přiložením vhodného prahového napětí mezi hradlo a zdroj tranzistoru s polem se tranzistor přepne do vodivého stavu, přičemž tranzistor s polem typu n se spouští kladným napětím a tranzistor s polem typu p záporným napětím.
Hradlo je izolováno od kanálu drain-source tenkou vrstvou oxidu křemíku. Překročení přípustného řídicího napětí (obvykle kolem 20 V) vede ve většině případů k nevratnému poškození tranzistoru. Z tohoto důvodu jsou tyto tranzistory také citlivé na elektrostatický výboj, a proto by měly být skladovány ve vhodně chráněných ESD kontejnerech.
Příklady použití tranzistorů
Rozsah praktických aplikací tranzistorů je téměř neomezený. Pomocí těchto součástek, výběrem správných pomocných prvků (např. diod, rezistorů, kondenzátorů) a jejich správnou kombinací můžete vytvářet různé elektronické obvody. Mezi nejoblíbenější aplikace tranzistorů patří. audio zesilovače, ve kterých mohou být předzesilovací i výkonový stupeň vyrobeny na tranzistorech, přičemž je třeba mít na paměti, že čím větší je výkon tranzistorů ve výkonovém stupni, tím větší chladič je třeba zvolit. Tranzistory lze použít také k výrobě akustických generátorů a složitých řídicích systémů, jako jsou relé a stykače.
