Tranzystor to jeden z najważniejszych elementów elektronicznych, który znajduje szerokie zastosowanie w elektronice, telekomunikacji, komputerach i wielu innych dziedzinach. Jest to trójwarstwowy układ półprzewodnikowy, który pełni rolę kluczowego elementu w układach elektronicznych.
Tranzystor składa się z trzech warstw półprzewodników: warstwy bazowej, warstwy emitora i warstwy kolektora. Pomiędzy nimi występują dwie złączone pn. Warstwa bazowa jest złączona z emitem za pomocą jednego złącza pn, natomiast warstwa bazowa jest złączona z kolektorem za pomocą drugiego złącza pn.
Działanie tranzystora opiera się na zasadzie kontroli przepływu prądu przez złącza pn. Głównym zadaniem tranzystora jest wzmacnianie, przełączanie i regulacja sygnałów elektrycznych. W zależności od rodzaju tranzystora (np. bipolarny, unipolarny), sposób działania może się różnić.
Tranzystor bipolarny ma dwa złącza pn, a prąd płynie zarówno przez emiter jak i kolektor. Zakładając odpowiednie napięcia na złączach pn i na warstwie bazowej, można kontrolować przepływ prądu w obwodzie. Dzięki temu tranzystor może być wykorzystywany do wzmacniania sygnału lub jako przełącznik.
Podstawowe zasady działania
Tranzystor jest podstawowym elementem elektronicznym, który jest odpowiedzialny za sterowanie przepływem prądu w obwodzie. Zasada działania tranzystora opiera się na wykorzystaniu właściwości półprzewodników i efektu polowego.
Tranzystor składa się z trzech warstw: emitera, bazy i kolektora. Warstwy te są wykonane z różnych materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem czy german. Przekrój tranzystora może mieć różne kształty, np. prostokątny lub kulisty.
Podstawowym zadaniem tranzystora jest wzmacnianie lub tłumienie sygnałów elektrycznych. Sygnał wejściowy podawany jest na bazę tranzystora, który następnie steruje przepływem prądu w warstwie kolektorowej. Wynikowy sygnał jest pobierany z warstwy emiterowej.
W zależności od rodzaju tranzystora, można wyróżnić tranzystory bipolarnego złącza (BJT) oraz tranzystory efektu polowego (FET). Tranzystory BJT sterowane są prądem bazowym, natomiast tranzystory FET sterowane są napięciem bramki.
Podstawową zasadą działania tranzystora jest kontrolowanie przepływu prądu przez warstwę kolektorową poprzez zmianę prądu bazy lub napięcia bramki. Dzięki temu, tranzystor może pełnić rolę przekaźnika sygnałów elektrycznych i wzmacniacza sygnałów.
Prąd elektronów w tranzystorze poliwodnym
Prąd elektronów w tranzystorze poliwodnym może płynąć w dwóch kierunkach – od emitera do kolektora lub od kolektora do emitera. Prąd płynie, gdy tranzystor jest odpowiednio włączony lub odpowiednio wyłączony. Wynika to z faktu, że tranzystor poliwodny działa na zasadzie polaryzacji warstw – w zależności od przyłożonego napięcia, obszary z nadmiarem elektronów lub nadmiarem dziur mogą być przewodzące lub nieprzewodzące.
Tryb nasycenia
W trybie nasycenia, tranzystor poliwodny jest włączony i prąd elektronów może swobodnie płynąć od emitera do kolektora. Przyłączony prąd bazowy pozwala na przepływ większej ilości prądu kolektorowego. W trybie nasycenia, tranzystor poliwodny zachowuje się jak jedno zamykające się przełączniki – przepuszcza prąd w pełni.
Tryb zaporowy
W trybie zaporowym, tranzystor poliwodny jest wyłączony i prąd elektronów nie może płynąć między emiterem a kolektorem. Przy tej konfiguracji napięć, obszary z nadmiarem elektronów i nadmiarem dziur są izolowane od siebie przez obszar o typie przewodnictwa n. W trybie zaporowym, tranzystor poliwodny zachowuje się jak otwarty przełącznik – blokuje przepływ prądu.
Pływający napięcie w tranzystorze bipolarnym
Tranzystor bipolarny, znany również jako tranzystor NPN lub PNP, jest powszechnie używanym elementem w elektronice. Jedną z ważnych cech tego tranzystora jest tzw. pływające napięcie.
Pływające napięcie jest zjawiskiem występującym, gdy tranzystor NPN lub PNP jest używany poza swoją charakterystyką linową, czyli jako wzmacniacz w trybie nasycenia lub odcinania. W tych trybach tranzystor działa jako całkowicie przewodzący lub całkowicie nieprzewodzący.
Kiedy tranzystor jest w trybie nasycenia, to oznacza, że prąd bazy jest wystarczająco duży i tranzystor jest w pełni przewodzący. W takich warunkach, napięcie kolektora jest bliskie zeru i niezależne od napięcia bazy. To jest właśnie pływające napięcie – napięcie, które może się zmieniać w zależności od obciążenia tranzystora.
Podobnie, gdy tranzystor jest w trybie odcinania, oznacza to, że prąd bazy jest wystarczająco mały i tranzystor jest całkowicie nieprzewodzący. W takim przypadku, napięcie kolektora jest bliskie napięciu zasilania i również pływające, ponieważ może się różnić w zależności od obciążenia tranzystora.
Pływające napięcie w tranzystorze bipolarnym ma zastosowanie w różnych aplikacjach, takich jak wzmacniacze audio i sygnałowe, generatory impulsów czy układy komutacji. Jednak jest to również ważne zjawisko, które musi być uwzględnione podczas projektowania i analizy układów elektronicznych z użyciem tranzystorów bipolarnych.
Kluczowe komponenty tranzystora
Tranzystor jest jednym z najważniejszych komponentów elektronicznych, który pełni kluczową rolę w wielu urządzeniach, takich jak komputery, telewizory i telefony komórkowe. Tranzystory są używane do wzmacniania i regulacji sygnałów elektrycznych oraz do sterowania przepływem prądu.
Trzy podstawowe komponenty tranzystora to:
- Emiter: Jest to wewnętrzna część tranzystora, przez którą wpływa prąd do tranzystora.
- Kolektor: Jest to również wewnętrzna część tranzystora, przez którą prąd opuszcza tranzystor.
- Stan bazy: Jest to kontrolowana część tranzystora, która reguluje przepływ prądu pomiędzy emiterem a kolektorem.
Tranzystory można podzielić na trzy główne typy:
- Tranzystory bipolarnego unipolarnego (BJT): Takie tranzystory mają dwie różne dopasowane do siebie polaryzacje PN, nazywane regionem bazowym i emiterem, które kontrolują przepływ prądu.
- Tranzystory unipolarnego polowego (FET): Tranzystory tego typu mają tylko jedną polaryzację PN, zwanej bramką, która kontroluje przepływ prądu.
- Tranzystory unipolarnego złącza izolacyjnego (JFET): Tranzystory te używają izolatora, aby kontrolować przepływ prądu.
Przy wyborze odpowiedniego tranzystora ważne jest, aby wziąć pod uwagę rodzaj zastosowania, wymagane parametry elektryczne oraz parametry fizyczne, takie jak moc i temperatura. Zrozumienie kluczowych komponentów tranzystora jest kluczowe dla efektywnego projektowania układów elektronicznych.
Emiter, baza i kolektor
Emiter, baza i kolektor to trzy główne złącza tranzystora bipolarnego, które odgrywają kluczową rolę w jego działaniu. Tranzystor bipolarny jest trójwarstwowym półprzewodnikowym układem, który może kontrolować przepływ prądu między kolektorem a emiterem za pomocą niewielkiego prądu podawanego na bazę. Właściwości tranzystora pozwalają na szerokie zastosowanie w elektronice, od wzmacniaczy po układy scalone.
Emiter jest jednym z złączy tranzystora i jest oznaczany jako E. Jest on odpowiedzialny za dostarczanie nośników ładunku (elektronów lub dziur) do obszaru bazy. Draguje on nośniki do bazy i kontroluje natężenie prądu, które jest przekazywane do kolektora. Emiter jest silnie domieszkowany, zazwyczaj wykonany z materiału typu n w przypadku tranzystorów NPN lub typu p w przypadku tranzystorów PNP.
Baza jest drugim złączem tranzystora i jest oznaczana jako B. To przez bazę przepływa mały prąd sterujący, który kontroluje przepływ większego prądu między emiterem a kolektorem. Prąd sterujący kontroluje, czy tranzystor jest w stanie nasycenia (włączony) czy w stanie odcięcia (wyłączony). Baza jest cienką warstwą półprzewodnikową, która jest słabiej domieszkowana w porównaniu do emitera i kolektora.
Kolektor jest trzecim złączem tranzystora i jest oznaczany jako C. To przez kolektor przepływa większy prąd kolektora, który jest kontrolowany przez prąd podawany na bazę. Kolektor jest również silnie domieszkowany i jego zadaniem jest zbieranie nośników ładunku, które przechodzą z emitera przez bazę. Prąd kolektora jest wynikiem przenoszenia naładunku przez przewodzenie większości nośników ładunku z emitera.
| Złącze | Oznaczenie | Rola |
|---|---|---|
| Emiter | E | Dostarcza nośniki ładunku do bazy |
| Baza | B | Kontroluje przepływ prądu między emiterem a kolektorem |
| Kolektor | C | Zbiera nośniki ładunku z emitera i przewodzi większość prądu kolektora |
