Bipoláris tranzisztor

A bipoláris tranzisztor felépítése és működési elve

A bipoláris tranzisztor (ezt a tranzisztortípust nevezik egyszerűen tranzisztornak) egy kisméretű monokristály darabon létrehozott két azonos, és közte egy vékony, ezzel ellentétes vezetési típusú rétegből áll. Minden réteg rezisztív érintkezővel van ellátva. A két lehetséges felépítés: p-n-p illetve n-p-n tranzisztor. Az n-p-n tranzisztort feszültségmentes állapotban az 1. ábra mutatja. Mindkét p-n átmenetnél hasonló kiürített réteg jön létre, mint a dióda esetében.

1. ábra: n-p-n tranzisztor feszültségmentes állapotban

A tranzisztor elektródái az emitter (E), bázis (B), és a kollektor (C, magyar szövegben néha: K). Sokszor az emitter-bázis réteg között kialakult diódát „emitterdiódának”, a kollektor-bázis réteg közötti diódát „kollektordiódának” nevezik.

A tranzisztor működéséhez az szükséges, hogy emitterdiódája nyitó irányban, kollektordiódája záró irányban legyen előfeszítve (2. ábra).

2. ábra: n-p-n tranzisztor előfeszített állapotban

A bázisra az emitterhez képest nyitó irányú feszültséget kapcsolnak. Ennek hatására (a dióda nyitóirányú működésénél leírt módon) az emitter-bázis átmenetnél a kiürített réteg és a potenciálgát megszűnik, ezért nincsen akadálya annak, hogy a határrétegen a többségi töltéshordozók áthaladjanak. Az n típusú emitterből a bázisrétegbe jutott elektronok (lévén a bázisréteg p típusú) ott kisebbségi töltéshordozók.

A kollektordióda záró irányban van előfeszítve. Ezért a bázis-kollektor határrétegnél kiürített réteg és potenciálgát alakul ki. A potenciálgát elektrosztatikus hatásánál fogva megakadályozza a többségi töltéshordozók átjutását, ugyanekkor azonban az ellentétes töltésű, kisebbségi töltéshordozóknak a határrétegen való áthaladását segíti, azokat „átszippantja”.

Jelen esetben a bázisrétegben az emitter által injektált nagy számú kisebbségi töltéshordozó (elektron) van jelen. A bázisréteget olyan keskenyre (kisebb, mint 25 μm) készítik, hogy a bázis-kollektor határrétegen kialakult potenciálgát a bázisba érkezett elektronoknak minél nagyobb részét (95-99,9 %-át) „szippantsa át” a kollektorba.

Így az emitterből érkező elektronok (emitteráram) döntő hányada a kollektoron távozik (kollektoráram), és csak a bázisban rekombinálódott kis része adja a bázisáramot. (Mindebből következik, hogy az emitteráram a kollektoráram és a bázisáram összege.)

A tranzisztor lényeges jellemzője az alfa-val jelölt áramátviteli tényező, amely a kollektoráram és az emitteráram hányadosa. Szokásos értéke 0,95...0,999.

Az áramátviteli tényező a tranzisztor kialakításától, és a gyártási technológiától is függő érték, amely a technológia apró eltérései miatt azonos tranzisztortípus nem egy technológiai eljárásban készült példányai között is jelentősen különbözik („szór”).

Az áram a nyitóirányban előfeszített, kis ellenállású emitter-bázis diódán folyik be a tranzisztorba, és (nagyjából ugyanez az áram) a záró irányban előfeszített, nagy ellenállású kollektor-bázis diódán távozik. Mivel a teljesítmény P = I² R, a kollektordióda nagyobb teljesítményt ad le, mint amennyit az emitterdióda felvesz, azaz a tranzisztor teljesítményt erősít. Ez a tranzisztorhatás. A teljesítménykülönbséget a kollektorfeszültséget szolgáltató energiaforrás fedezi.

Kapcsolási rajzon a tranzisztor jelölését a 3. ábra mutatja.

n-p-n______________________p-n-p

3. ábra: Tranzisztor rajzjele

A bipoláris tranzisztor karakterisztikái

A tranzisztor legjellegzetesebb karakterisztikái a bemenő (UBE - IE) és a kimenő (UCE - IC) karakterisztikák.

A bemenő karakterisztika a bázis-emitter feszültség és a kialakuló emitteráram közötti kapcsolatot mutatja (4. ábra). Mivel a tranzisztor üzemelésekor a bázis-emitter dióda nyitóirányban van előfeszítve, ez nem más, mint egy dióda nyitóirányú karakterisztikája.

A valóságban a kollektor-emitter feszültség változása is befolyásolja az adott UBE feszültségnél kialakuló IE áramot (feszültségvisszahatás), mert hatására változik a lezárt kollektor-bázis határrétegnél kialakult kiürített réteg szélessége, amelynek bázis oldali része mintegy „levonódik” a nagyon keskeny bázisréteg szélességéből („bázisszélesség moduláció”). Az így kialakuló feszültségvisszahatás azonban olyan csekély mértékű, hogy a további vizsgálatainkban elhanyagolhatónak tekintjük. Így a bemenő karakterisztika ugyanúgy egyetlen görbéből áll, mint a dióda esetében.

4. ábra: Szilícium npn tranzisztor UBE - IE karakterisztikája

Tekintettel arra, hogy a kollektoráram és az emitteráram közelítőleg megegyezik, azt lehet mondani, hogy a tranzisztor UBE - IE karakterisztikája gyakorlatilag megegyezik UBE - IC karakterisztikájával.

A tranzisztor kimenő karakterisztikája azt mutatja, hogy a kollektor-emitter feszültség (változatlan bázisáram mellett) miként hat a kollektoráramra (5. ábra).

5. ábra: Szilícium npn tranzisztor UCE - IC karakterisztikája

Tekintettel arra, hogy a kollektoráram az emitteráram (és ezzel együtt a bázisáram) függvénye, a kimenő karakterisztikaként több görbét adnak meg, melyek különböző bázisáramok esetén mutatják a kollektoráramnak a kollektor-emitter feszültségtől való függését.

Ideális esetben a kollektor-emitter feszültség nem befolyásolná a kollektoráramot, vagyis az ideális tranzisztor kimenő karakterisztikái vízszintes egyenesek lennének (a vízszintes tengelyen növekvő feszültség nem idézné elő a függőleges tengelyen az áram növekedését).

Ténylegesen azonban több különféle, a tárgyaltnál bonyolultabb jelenség miatt a kollektorfeszültség növekedésekor a kollektoráram is nő.

A tranzisztor kivitele és bekötése

A tranzisztorok méretét, kivitelét alapvetően az a teljesítmény határozza meg, amelyet a tranzisztor képes disszipálni (hővé alakítani).

A kis teljesítményű tranzisztorok miniatűr műanyag vagy fém tokban kerülnek forgalomba. Nagyfrekvenciás célra készült tranzisztornál sokszor (mint árnyékoló burát) a fém tokot is kivezetik.

A tranzisztoron disszipálódó hő a kollektoron keletkezik, ezért a tranzisztor kollektorát közepes, vagy nagyobb teljesítmény esetén hűteni kell. Közepes teljesítményű tranzisztor kollektorát belülről a fém házra szerelik. Szükség esetén a házra a hősugárzó felületet növelő fém „hűtőcsillag” húzható.

A nagyobb teljesítményre méretezett tranzisztor kollektorát szintén a tok részét képező fém felületre szerelik, amely lehetővé teszi, hogy a tranzisztort hűtőbordára erősítsék. Így a működés során keletkező hőt a tranzisztor hővezetéssel adja át a hűtőbordának, amely azt nagy felületével a környezetbe sugározza.

A 6. ábra különféle teljesítményű és tokozású tranzisztorokat mutat. Bal oldalon kis teljesítményű, felül műanyag, alatta fém tokozású tranzisztort láthatunk. A fölső sorban balról a második egy valamivel nagyobb teljesítményű fémtokos tranzisztor (erre a tokra szükség esetén hűtőcsillag húzható). Az alatta látható műanyag tokozású tranzisztor igen nagy frekvenciákra készült. Az ábra jobb oldalán három, közepes, ill. nagyobb teljesítményű tranzisztort láthatunk két nézetben. Figyeljük meg, hogy a teljesítménnyel nő a méret, és annak a fém felületnek a mérete is, amely a hűtőbordával érintkezhet (a tranzisztor fém részén lévő lyuk teszi lehetővé a hűtőbordára csavarral való felszerelést). A tranzisztor fém hűtőfelülete a kollektorral van összekötve, ezért ha a hűtőborda nem kerülhet a kollektor potenciáljára, elektromosan szigetelve kell felerősíteni. Ilyenkor a hűtőborda és a tranzisztor közé hővezető pasztával bekent csillám szigetelőlemezt helyeznek, a felerősítő csavart a tranzisztor fém részétől e célra szolgáló hengeres műanyag szerelvénnyel szigetelik.

6. ábra: Kis és közepes teljesítményű tranzisztorok

A tranzisztorok kivezetéseinek bekötése típusonként változhat, kétség esetén a gyártó katalógus adatlapja alapján tájékozódhatunk. A 7. ábra bal oldalán a kis teljesítményű tranzisztorok legáltalánosabb bekötését (néhány, ilyen bekötésű tranzisztortípus felsorolásával) láthatjuk, az ábra jobb oldala a közepes, ill. nagyobb teljesítményű tokok szokásos bekötését mutatja.

7. ábra: Tranzisztorok kivezetéseinek bekötése

Külső hivatkozások

• Tranzisztor helyettesítés kereső