mini|250px|Fizički izgled tranzistora kao diskretnih elemenata.
mini|desno|250px|Ukrašena kopija prvog tranzistora otkrivenog u tvrtci Bell Labs 23. prosinca 1947.
Tranzistor (engl. transistor, od trans[fer] [res]istor: prijenosni otpornik) je aktivni poluvodički element s trima elektrodama. Razlikuju se bipolarni i unipolarni tranzistori. Promjenom ulazne struje bipolarnoga tranzistora ili ulaznoga napona unipolarnoga tranzistora upravlja se električnom strujom u izlaznom krugu. U analognim sklopovima tranzistori se primjenjuju ponajprije za pojačanje električnih signala, a u digitalnim sklopovima kao upravljane sklopke. Tranzistor se koristi i za stabilizaciju napona, modulaciju signala i mnoge druge primjene. Osnovni je tvorni element mnogih elektroničkih sklopova, integriranih krugova i elektroničkih računala. Pod pojmom tranzistor najčešće se podrazumijeva ranije otkriveni bipolarni tranzistor, a kada se govori o unipolarnom tranzistoru redovito se naglašava o kojoj se vrsti unipolarnog tranzistora radi. Prednost je tranzistora da je malih dimenzija i da je mali potrošak električne energije.
Bipolarni tranzistor sastoji se od triju slojeva poluvodiča, s kontaktima emitera (E), baze (B) i kolektora (C). Postoje NPN tranzistori i PNP tranzistori (poluvodiči). Kod NPN tranzistora baza P tipa poluvodiča napravljena je između emitera i kolektora koji su N tipa, dok su kod PNP tranzistora slojevi emitera, baze i kolektora suprotnoga tipa. U radu bipolarnoga tranzistora sudjeluju oba tipa nosilaca. U normalnom aktivnom području rada tranzistora emiter injektira nosioce u bazu. Manji dio nosilaca gubi se (rekombinira) u uskoj bazi, čineći malu struju baze, a veći dio prolazi kroz bazu u kolektor, uzrokujući struju kolektora. Kod NPN tranzistora osnovnu struju čine elektroni, a kod PNP tranzistora šupljine. Struje emitera, baze i kolektora međusobno su proporcionalne. U najčešće korištenom spoju zajedničkog emitera mala promjena ulazne struje baze uzrokuje veliku promjenu izlazne struje kolektora, čime se ostvaruje pojačavajuće djelovanje tranzistora u pojačanju signala. Bipolarni tranzistor upotrebljava se i kao sklopka. Ovisno o ulaznoj struji baze, tranzistor se prebacuje iz područja zapiranja u područje zasićenja i obratno; u području zapiranja radi kao isključena sklopka uz zanemarive struje, a u području zasićenja kao uključena sklopka uz mali pad napona između kolektora i emitera.
Povijest Naziv tranzistor potječe iz 1947., kada su američki istraživači John Bardeen, Walter Houser Brattain i William Bradford Shockley konstruirali prvi germanijski bipolarni tranzistor. Prvi silicijski tranzistor bio je proizveden od tvrtke Texas Instruments 1954. Uslijedio je brz razvoj poluvodičke tehnologije i brojne vrste novih vrsta različitih bipolarnih tranzistora. Prvi unipolarni MOS (eng. Metal Oxide Semiconductor) tranzistor proizveden je već 1960.
Prvi tranzistor je uglavnom bio građen od kristala germanija. U metalnu ili crno obojenu staklenu kapicu, široku 3 do 7 mm, smještena je tanka pločica izrezana iz kristala N germanija. Na pločicu je s jedne i druge strane nanesena kapljica indija. Ta kapljica indija služi kao elektroda. Elektroda na koju se dovodi slaba struja zove se emiter (E), a elektroda kroz koju se propušta jača struja drugog strujnog kruga zove se kolektor (C). Treća elektroda je germanijeva pločica, na koju je spojena priključna žica. To je takozvana baza (B) tranzistora. Sve je smješteno u cjevčicu hermetički zatvorenu, kroz čije dno ulaze tri žice. Na cjevčici je obojena točkica koja označuje priključak kolektora. Ti se tranzistori označuju slovima PNP, jer od emitera prema kolektoru imamo P germanij, N germanij i opet P germanij.
Takav tranzistor sastoji se od dviju kristalnih dioda. Baza i kolektor čine takozvanu kolektorsku diodu, a baza i emiter emitersku diodu. Te dvije diode u stvari su srasle jedna u drugu. Stavimo između emitera E i kolektora C jednog PNP tranzistora određeni električni napon UC. Emiter je spojen s pozitivnim, a kolektor s negativnim polom izvora struje. Stoga struja u kolektorskom krugu neće teći jer je smjer propusta struje kolektorske diode suprotan smjeru propusta struje emiterske diode. No pustimo li preko baze (B) struju Ib, teći će struja i preko kolektora. Kolektorska struja IC može biti i 100 puta jača od struje koja prelazi preko baze. Na taj način možemo mijenjanjem slabe pomoćne struje IB regulirati vrlo jake struje IC, koje teku kroz tranzistor preko kolektora. Pomoćnu struju IB možemo mijenjati uzimanjem većeg ili manjeg broja galvanskih članaka ili mijenjanjem električnog otpora R. Svakoj promjeni struje IB odgovara promjena struje IC. Omjer jakosti kolektorske struje IC i struje IB koja teče preko baze zove se faktor strujnog pojačanja tranzistora β:
Tranzistor dakle funkcionira kao elektronska cijev, pa se može i umjesto nje upotrijebiti. Pri tom emiter odgovara katodi, bez mrežice, a kolektor anodi. Kod elektronske cijevi anodna se struja regulira prednaponom na mrežici, a kod tranzistora se kolektorska struja regulira strujom koja teče preko baze. Razlika je u tome što je kod elektronske cijevi anoda pozitivna, dok je kod tranzistora kolektor negativan.Velimir Kruz: "Tehnička fizika za tehničke škole", "Školska knjiga" Zagreb, 1969.
Bipolarni tranzistor
desno|200px
Bipolarni su tranzistori građeni tako da dopiranjem čistog poluvodiča, npr. silicija ili germanija, nastaje struktura u kojoj se između dva područja istog tipa vodljivosti (P ili N) nalazi područje suprotnog tipa vodljivosti (N ili P). Ovisno o tome moguća su dva tipa bipolarnih tranzistora koji se označavaju kao: PNP(pozitivno-negativno-pozitivno) NPN(negativno-pozitivno-negativno)
Kod bipolarnih tranzistora razlikujemo: bazu [B] emiter [E] kolektor [C] na koje su spojeni izvodi pomoću kojih se tranzistor spaja u vanjski električni krug. Baza i emiter čine u normalnom aktivnom načinu rada propustno polariziran PN spoj (kod NPN tranzistora), za razliku od kolektora i baze koji u normalnom aktivnom načinu rada čine nepropustno polariziran PN spoj.
Princip rada tranzistora se zasniva na injekciji manjinskih nosilaca iz emitera u bazu i njihovom transportu do kolektora. Kako je napon na spoju baza-emiter manji od napona na spoju kolektor-baza, a također je i struja koja teče u bazu manja od struja emitera i kolektora znači da tranzistor omogućuje upravljanje potrošnjom u krugu veće snage pomoću kruga u kojem se troši manja snaga. Ovisno o tome koja je elektroda za oba kruga zajednička tranzistor se može koristiti u tri različita spoja.
U spoju sa zajedničkom bazom ostvaruje se samo pojačanje napona, u spoju sa zajedničkim kolektorom samo pojačanje struje, a spoju sa zajedničkim emiterom pojačava se i napon i struja, pa je pojačanje snage najveće.
Za učinkovit je rad tranzistora bitno da struja koja teče u bazu bude što manja. Dva faktora koja na to utječu su faktor injekcije i transportni faktor. Faktor injekcije ovisi o odnosu broja nosilaca koji se injektiraju iz emitera u bazu prema broju nosilaca koji se injektiraju iz baze u emiter. Povoljan se odnos postiže kada je emiter znatno više dopiran od baze.
Transportni faktor ovisi o broju injektiranih nosilaca koji se rekombiniraju u bazi, a za njega je bitno da baza bude dovoljno tanka kako bi nosioci stigli do kolektorskog spoja prije nego što se rekombiniraju.
Bilo da se radi o PNP ili NPN tipu tranzistora oba obavljaju istu funkciju. Razlika je u polaritetima vanjskih napona i struja, te u vrsti nosilaca električne struje. U PNP tipu tranzistora glavni su nosioci električne struje šupljine, a u NPN tipu tranzistora su to elektroni.
Parametri bipolarnog tranzistora
Bipolarni tranzistor primarno smatramo strujnim aktivnim izvorom gdje istosmjerna kolektorska struja ovisi o struji baze:
Bipolarni transistor kao aktivni električni izvor predstavljamo u elektroničkim krugovima nadomjesnim upravljanim strujnim izvorom.
Dinamičko strujno pojačanje
Za razliku od istosmjernog strujnog pojačanja koje definiramo kao:
dinamički faktor stujnog pojačanja hFE definiramo kao strujno pojačanje za mali električni signal u određenoj radnoj točki tranzistora:
Razmatramo li male izmjenične struje bipolarni tranzistor možemo predočiti aktivnim strujno upravljanim strujnim izvorom nazivne struje :
gdje je ic izmjenična komponenta kolektorske struje, hFE dinamički faktor strujnog pojačanja, a ib ulazna pobudna struja baze. Faktor strujnog pojačanja može poprimati vrijednosti od nekoliko desetaka do nekoliko stotina, ovisno o namjeni i tehnologiji izrade.
Ulazni dinamički otpor
Veličina ulaznog dinamičkog otpora određena je položajem radne točke na ulaznoj UBE/ IB karakteristici. Kako je struja baze u ovisnosti o naponu baza/emiter određena sa:
gdje je IB struja baze, Is reverzna struja zasićenja, UBE napon baza/emiter, k Boltzmanova konstanta, a T apsolutna temperatura u 0K. Slijedi da je ulazna dinamička vodljivost određena kao:
,
gdje je tada dinamički ulazni otpor jednak: ,
Dinamički ulazni otpor veličina je koja izrazito ovisi o radnoj točki tranzistora. U zapornom području je ulazni otpor velik, a u propustnom se brzo smanjuje naročito za napon baza/emiter UBE veći od praga vođenja koji je za silicijeve tranzistore negdje između O,5 i O,6 V. Kako će fizički veći tranzistori imati u pravilu i veću reverznu struju zasićenja, izlazni tranzistori snage imaju sukladno tome i manji dinamički ulazni otpor, što se vidi i iz njihove ulazne UBE/ IB karakteristike. Tranzistor u zasićenju radi kao uključena sklopka.
Unutarnji dinamički otpor
Unutarnji dinamički otpor određuje se kao omjer male promjene kolektorskog napona i male promjene kolektorske struje u radnoj točki tranzistora, a uz konstantnu struju baze:
Unutarnji dinamički otpor tranzistora je velik za sve suvremene silicijeve bipolarne tranzistore te je izlazni kolektorski izmjenični napon ovisan najvećim dijelom o veličini opteretnog otpora.
Naponsko pojačanje u spoju zajedničkog emitera
Bipolarni tranzistor predstavlja za izmjenični električni signal strujno upravljan električni izvor struje i predstavljamo ga nadomjestnim izvorom unutarnjeg otpora Ri i struje
,
gdje je hFE dinamički faktor strujnog pojačanja, a iul pobudna struja koja teče kroz bazu bipolarnog tranzistora. Međutim, u čestim okolnostima gdje je dinamički električni otpor koji se pojavljuje na ulaznim elektrodama bipolarnog tranzistora znatno veći od unutarnjeg otpora električnog izvora koji se priključuje na bazu i emiter bipolarnog tranzistora, ova jednakost se može prikazati u nešto drukčijem obliku
gdje je uul ulazni napon koji dolazi iz naponskog izvora, a Rul dinamički otpor na ulazu tranzistora. Pad napona uR na opteretnom otporu bit će ovisan o međusobnom odnosu opteretnog otpora i unutarnjeg otpora izvora
te je naponsko pojačanje pojačala s bipolarnim tranzistorom određeno prema jednakosti
Naponsko pojačanje elektroničkog sklopa s bipolarnim tranzistorima određeno je, dakle, prvenstveno faktorom dinamičkog strujnog pojačanja i dinamičkom ulaznom impedancijom bipolarnog tranzistora te međusobnim odnosom opteretnog otpora i unutarnjeg otpora izvora. Pojačanje ima negativan predznak jer povećanje ulaznog izmjeničnog napona na bazi tranzistora ima za posljedicu smanjenje kolektorskog napona na izlazu.
Ponašanje na višim frekvencijama
Ulazna impedancija
Ulaznu impedanciju bipolarnog tranzistora sačinjavaju njezin radni dio, ulazni otpor Rul i rezultantna ulazna kapacitivnost koju čini s jedne strane kapacitet baza/emiter Cbe, a s druge strane kapacitet kolektor/baza Ccb koji se preslikava u ulazni krug uvećan za naponski faktor pojačanja sklopa u koji je ugrađen bipolarni transistor (Millerov efekt):
gdje je tada ulazna impedancija određena jednakosti: . Ulazna impedancija triode je na taj način osjetno manja u usporedbi s tetrodom i pentodom kod kojih su drugom rešetkom ulazni i izlazni krug praktički potpuno odvojeni.
Izlazna impedancija