Tranzistor

Tranzistory

Tranzistor je polovodičová součástka, kterou tvoří dvojice přechodů PN. Jedná se v podstatě o spojení dvou polovodičových diod v jedné součástce, většinu vlastností tranzistoru však dvojicí diod nahradit nelze. Tranzistor je základem všech dnešních integrovaných obvodů, jako např. procesorů, pamětí atd.

Tranzistorový 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, v praxi se to projevuje zejména obrovskou mírou miniaturizace jednotlivých součástek a tím i neustálým zvyšováním koncentrace polovodičových součástek vztaženou na jednotku plochy.

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.

[editovat] Základní typy tranzistorů

• Bipolární - (BJT - Bipolar Junction Transistor) je ovládán připojením elektrického proudu na bázi. Velikostí tohoto proudu se ovládá proud v obvodu procházejícího mezi emitorem a kolektorem.

• Unipolární (FET)- využívají k řízení proudu mezi D a S (drain, source) elektrostatického pole, vytvořeného v obvodu řídící elektrody G (gate).
  • JFET - (Junction Field-Effect Transistor) Tranzistor s přechodovým hradlem.
  • MESFET - (MEtal Semiconductor FET) FET ve spojení se Schottkyho diodou (přechod kov-polovodič). Tento tranzistor má lepší dynamické vlastnosti.
  • MOSFET - (Metal Oxide Semiconductor FET) je polem řízený tranzistor, kde je vodivost kanálů mezi elektrodami Source a Drain ovládána elektrickým polem ve struktuře kov-oxid-polovodič. Tento tranzistor má možnost větší hustotu integrace ( integrované obvody ).
  • MISFET - (Metal Insulation Semiconductor FET)

[editovat] Princip činnosti

Popis funkce bipolárního tranzistoru: uvažujme jednoduché zapojení tranzistoru NPN jako zesilovače: Přivedeme-li napětí na bázi tranzistoru, dojde k vyzdvižení elektronů polovodiče do vodivostního pásu, a tím se přechod NPN stane vodivý. Proud prochází z kolektoru do emitoru a jeho charakteristika je až na velikost stejná jako v bázi. Poměr I(ke)/I(b) se označuje jako zesílení tranzistoru.

[editovat] Základní zapojení

Zapojení tranzistorového zesilovače se společným emitorem.

V elektronických obvodech může být tranzistor zapojen třemi základními způsoby. Podle elektrody, která je společná pro vstupní i výstupní signál se rozlišuje zapojení se společným emitorem (SE), společnou bází (SB) a společným kolektorem (SC). Nejčastěji se však používá zapojení se společným emitorem (SE), viz obrázek. Důležitou informaci o vlastnostech tranzistoru podávají jeho výstupní charakteristiky. Celková charakteristika se zakresluje do kartézského souřadnicového systému.

[editovat] Matematický popis tranzistoru

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

u₁ = h₁₁ i₁ + h₁₂ u₂

i₂ = h₂₁ i₁ + h₂₂ u₂

Můžeme dosadit např. pro zapojení SE :

u_BE = h₁₁ i_B + h₁₂ u_CE

i_C = h₂₁ i_B + h₂₂ u_CE

z toho např. h₁₁:

h₁₁ = u_BE / i_B při u_CE = 0, => U_CE = konst.

Stejně tak platí vztah I_E = I_C + I_B. Ten platí vždy a to v jakémkoli zapojení.

h₁₁ = Diferenciální vstupní odpor při výstupu nakrátko.

h₁₂ = Diferenciální zpětný napěťový přenos při vstupu naprázdno.

h₂₁ = Diferenciální proudový přenos při výstupu nakrátko. (někdy uváděn jako h_FE nebo β)

h₂₂ = Diferenciální výstupní vodivost při vstupu naprázdno.

Můžeme také počítat s Admitančními rovnicemi :

i₁ = y₁₁ u₁ + y₁₂ u₂
i₂ = y₂₁ u₁ + y₂₂ u₂

• POZNÁMKA - všímejte si malých a velkých písmen, neboť velká jsou statické hodnoty a malá jsou dynamické - tzn. že velká písmena vyjadřují chování v ustáleném stavu při stejnosměrných veličinách, kdežto malá písmena určují chování (okamžité hodnoty) při střídavých veličinách. Je nutné brát toto v potaz!

[editovat] Schematické značení tranzistorů

Pro označování tranzistorů v elektrotechnických schematech se používá jednoduchých grafických symbolů:

				P-kanál(báze)
				N-kanál(báze)
JFET	MOSFET-indukovaný kanál	MOSFET-vestavěný kanál	Bipolární

[editovat] Rozdělení tranzistorů podle výkonu

• slaboproudé tranzistory (ať už jako jednotlivé součástky, obvykle tzv. výkonové tranzistory, či součástky integrované v čipech a mikročipech kupř. v mikropocesorech), nejčastěji používané i velice běžné ve všech moderních elektronických systémech z oblasti výpočetní techniky, telekomunikační techniky, spotřební elektroniky apod.
• silnoproudé tranzistory, používané málo a to výhradně v oblasti silnoproudé elektroniky pouze pro velmi specializované technické aplikace (spolu se silnoproudými diodami a tyristory).

[editovat] Doporučená literatura

1. Valsa J.: Teoretická elektrotechnika I; VUT Brno, 1997
2. Brančík L.: Elektrotechnika I; VUT Brno
3. Dědková J: Elektrotechnický seminář; VUT Brno
4. Musil V., Brzobohatý J., Boušek J., Prchalová I.: Elektronické součástky; VUT Brno, 1996
5. Mikulec M., Havlíček V.: Základy teorie elektrických obvodů 1; ČVUT, 1997
6. Stránský J. a kol.: Polovodičová technika I – učebnice pro elektrotechnické fakulty; SNTL; 1982
7. Blahovec A.: Elektrotechnika I; Informatorium, 1997
8. Blahovec A.: Elektrotechnika II; Informatorium, 1997
9. Blahovec A.: Elektrotechnika III; Informatorium, 1997
10. Maťátko J.: Elektronika; Idea Servis, 1997
11. Syrovátko M.: Zapojení s polovodičovými součástkami; SNTL, 1987
12. Frohn M., Oberthür W. a kol.: Elektronika – součástky a základní zapojení; BEN, 2006
13. Vobecký J., Záhlava V.: Elektronika – součástky a obvody, principy a příklady; Grada Publishing; 2001
14. Doleček J.: Moderní učebnice elektroniky 1.; BEN, 2005
15. Doleček J.: Moderní učebnice elektroniky 2.; BEN, 2005
16. Doleček J.: Moderní učebnice elektroniky 3.; BEN, 2005
17. Doleček J.: Moderní učebnice elektroniky 4.; BEN, 2006

[editovat] Související články

Wikimedia Commons nabízí obrázky, zvuky či videa k tématu

Tranzistor

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