S rastúcimi nárokmi na elektronické zariadenia rástla ich zložitosť, rozmery, váha a samozrejme i cena. Kôli zložitosti rástla i poruchovosť a náročnosť na obsluhu. Snaha zvýšiť spoľahlivosť viedla ku zdvojovaniu dôležitých časti zariadení, takže tie boli ešte ťažkopádnejšie. Bolo samozrejme, že pre ďalší vývoj doterajšie prostriedky nestačia a bude nutné využitie nových, kvalitatívne odlišných materiálov a ich vlastnosti.

Polovodičový team.

A tak bol v januári 1946 v Bellových telefónnych laboratóriách v USA založený "polovodičový" team, ktorý hneď na začiatku výskumu urobil zásadné rozhodnutie, že svoju pozornosť zameral na kryštály kremíka a germánia a úplne ignoroval ostatné materiály používané v predchádzajúcich výskumoch. Výsledkom výskumu bolo objavenie tranzistoru ktorý uskutočnili John Bardeen a Walter Houser Brattain v decembri 1947.

Prvý tranzitor.

Obidvom vynálezcom sa vtedy podarilo vyrobiť prvý model zosilňovača v pevnej fáze, schopný činnosti. Brattain umiestnil kontakty na dva prúžky zlatej fólie uložené tesne vedľa seba a zalisované do povrchu germánia. Pri zapojení do elektrického obvodu zistil prírastok energie. O objasnenie fyzikálneho pochodu na P-N prechodoch a úlohe, ktorú hraje vysielanie (emitovanie) pohyblivých nosičov nábojov na jednej strane a ich prijímanie (zbieranie) na protiľahlej strane, sa postaral predovšetkým William Shockley , Svoju analýzu zakončil vynálezom prechodového (plošného) tranzistora. Za tento výskum a objav tranzistorového efektu získal spolu s Walterom H. Brattainom a Johnom Bardeenom v roku 1956 Nobelovu cenu za fyziku. Po tomto objave hrotového tranzistora a po prácach ktoré uskutočnil William Bradford Shockley o plošnom tranzistore sa všetok záujem priemyslu a výskumu sústredil na rozpracovanie základov bipolárnych tranzistorov. V roku 1952 Bellove laboratória predali patentné práva na tranzistor každej spoločnosti, ktorá bola ochotná za ne zaplatiť. V tom istom roku sa podarilo hrúbku doštičky bázy, znížiť na 10 mikromilimetrov a tým sa podarilo zvýšiť medzný kmitočet tranzistorov na 10 MHz. Hromadnej výrobe tranzistorov už nič nestálo v ceste. V roku 1954 bol vyrobený prvý difúzny germániový tranzistor s medzným kmitočtom 500 MHz a o rok neskôr aj kremíkový.

Prvé komerčne vyrábané kremíkové tranzistory (1954)

Nástup tranzistorov do obvodov priniesol oproti elektrónkam výhody ako sú malé geometrické rozmery, vysoká odolnosť proti otrasom a pádom, odpadá príkon na žhavenie, tranzistor má nižšie prevádzkové napätie a skoro neobmedzenú dobu funkcie. Tranzistory dnes pracujú spoľahlivo v mnohých aplikáciách ako diskrétne prvky, tak aj súčasť integrovaných obvodov.

Zosilňovací efekt tranzistora.

Štruktúra bipolárneho tranzistora

Bipolárny tranzistor je trojvrstvová polovodičová súčiastka. Každá vrstva tranzistora je vyvedená na elektródu, ktoré majú tieto názvy: E – emitor, B – báza, C – kolektor. Tranzistor sa skladá z dvoch materiálov typu N oddelených materiálom typu P (NPN tranzistor), alebo z dvoch vrstiev materiálu typu P oddelených materiálom typu N (PNP tranzistor). Emitor je bohato dotovaná časť so stredne veľkou vrstvou a je určená na emitovanie elektrónov . Vrstva emitora musí mať podstatne väčšiu koncentráciu prímesí ako vrstva bázy. Báza je stredne dotovaná úzka vrstva, určená na prechod elektrónov. Hrúbka prostrednej bázy má byť veľmi malá, menšia ako difúzna dĺžka dier emitorovej vrstvy PNP tranzistora resp. difúzna dĺžka elektrónov emitorovej vrstvy tranzistora NPN. Kolektor je slabo dotovaná veľká vrstva určená na zachytávanie elektrónov.

Schematické značky a štruktúry tranzistorov NPN a PNP.

V zobrazenej štruktúre na obrázku vyššie sú dva PN priechody. V elektrických obvodoch každý z týchto priechodov môže byť zapojený v priepustnom alebo nepriepustnom smere. Zmenou polarít a veľkosti vonkajších napájacích zdrojov možno dosiahnuť prechod režimu činnosti tranzistora do štyroch rôznych oblasti.

Režimy tranzistora

a) Nevodivý režim: Obidva priechody sú polarizované v nepriepustnom smere. Tranzistorom prechádza iba nepatrný prúd. Prúdy ktoré tečú emitorom a kolektorom sú zvyškové prúdy oboch prechodov samostatne. Režim uzavretia tranzistora.

b) Nasýtený (saturovaný) režim: Obidva priechody tranzistora sú polarizované v priepustnom smere. Tranzistorom prechádza maximálny prúd. Tranzistor sa chová ako jeden uzol so skratovanými priechodmi. Oblasť saturácie tranzistora.

Saturovaný a nevodivý režim nachádza uplatnenie v tranzistorových spínačoch a v tranzistorových logických obvodov.

c) Aktívny režim (normálny): Priechod E-B je polarizovaný priepustne, priechod B-C je polarizovaný nepriepustne. Tento režim sa používa tam, kde je potrebné dosiahnuť veľké zosilnenie a v najrýchlejších logických obvodov nazývaných ECL (Emitter Coupled Logic).

d) Inverzný režim: Priechod B-C je polarizovaný priepustne, odtiaľ injektované elektróny sú strhnuté záverne polarizovaným priechodom B-E. Prúdový zosilňovací činiteľ v inverznom zapojení α1 je oveľa menší. V tomto zapojení dosahuje tranzistor malé zosilnenie, ale aj napriek tomu nachádza uplatnenie v niektorých aplikáciách.

Nevodivý režim

Nevodivý režim

Nasýtený (saturovaný) režim

Nasýtený (saturovaný) režim

Aktívny režim

Aktívny režim.

Výstupná charakteristika tranzistora.

Na obrázku vyššie vidno výstupnú charakteristiku tranzistora NPN v zapojení so spoločným emitorom. Takto vyobrazená výstupná charakteristika sa prakticky nepoužíva a slúži len pre lepšiu predstavu vyznačených pracovných oblastí. V prvom kvadrante je napätie U_CE > 0. Ak zväčšujeme prúd I_B, prúd I_C začne stúpať. Pre napätie U_CE U_BE je tranzistor v aktívnej oblasti a kolektorový prúd je závislý od napätia U_CE a rovný I_C = β_F.I_B. Pre napätie U_CE U_BE je tranzistor v oblasti saturácie (nasýtenia) a celkové napätie medzi emitorom a kolektorom je malé. Ak by sme znížili napätie U_CE do záporných hodnôt v rozmedzí U_BEU_CE 0V tranzistor zostáva ešte v saturácii. Pre ešte nižšie napätia U_CE prechádza tranzistor do inverznej oblasti a prúd I_C je daný I_C = -(β_R + 1)I_B. Pre prúd I_B= 0 je tranzistor v oblasti vypnutia.

Princíp zosilňovacieho efektu tranzistora

K vysvetleniu zosilňovacieho efektu tranzistora.

Bližšie si rozoberieme tranzistorovú štruktúru NPN, ktorá je zapojená v aktívnom režime. Usporiadanie pri ktorom tranzistor vykazuje zosilňovacie vlastnosti je podmienené vonkajšími zdrojmi napätia. Ich požadovaná veľkosť a polarita zabezpečí, že priechod B-E je polarizovaný priepustne a priechod B-C záverne. Vďaka polarizácii prechodu emitor-báza v priepustnom smere dochádza k tomu, že sa majoritné nosiče injektujú (vstrekujú) z emitora do oblasti bázy. V báze dochádza k rozptyľovaniu nosičov. Cestou cez bázu rada elektrónov zrekombinuje, lebo majoritnými nosičmi v báze sú diery, avšak vzhľadom k tomu, že hrúbka bázy je malá v porovnaní s difúznou dĺžkou, veľké percento elektrónov sa dostane do bezprostrednej blízkosti prechodu báza –kolektor. Báza musí mať malú hrúbku aby nosiče náboja injektované do bázy nerekombinovali skôr ako sa dostanú do kolektora. Vplyvom napätia kolektorového priechodu sú menšinoví nosiči - elektróny priťahované vrstvou kolektora. Vzhľadom k tomu, že sa v báze zrekombinuje len malé percento z celkového prúdu elektrónov, je bázový prúd veľmi malý a preto prúd pretekajúci kolektorom je takmer rovnako veľký ako prúd emitora.

Kolektorový prúd I_C je zmenšený o bázový (rekombinačný) prúd I_B, preto platí:

I_c = I_e - I_b

Pokiaľ na emitorový priechod nie je pripojené napätie (rozpojený obvod U₁), tečie kolektorovým obvodom malý prúd. Tento prúd nazývame zvyškový kolektorový prúd tranzistora a označujeme ho I_CB0.

I_c ( I_e = 0 ) = I_CB0

Hodnota prúdu je závislá na koncentrácii minoritných nosičov vo vrstvách, ktoré vytvárajú kolektorový priechod, na teplote a na priloženom napätí kolektorového priechodu. Ak začne tiecť prúd emitora (pripojíme zdroj U₁), zvýši sa hodnota kolektorového prúdu o zložku α.I_E. Súčiniteľ α sa nazýva jednosmerný prúdový zosilňovací súčiniteľ. Kolektorový prúd tranzistora potom bude:

I_c = α.I_{E +} I_CB0

Emitorový priechod má malý odpor. Na vytvorenie emitorového prúdu stačí malé napätie U₁. Kolektorový prúd má takmer rovnakú hodnotu ako emitorový prúd, tečie cez veľký odpor kolektorového priechodu, aj cez veľký zaťažovací rezistor R_Z . Ak R_Z >> R_g , podiel úbytkov napätia na rezistoroch R_Z a R_g predstavuje napäťové zosilnenie:

Vzťah dokazuje princíp zosilňovacieho efektu tranzistora. Prúdové zosilnenie tranzistora je:

Výkonové zosilnenie je súčin prúdového a napäťového zosilnenia:

A_P = A_I * A_U > 1

Základné zapojenia tranzistora

Podľa toho, ktorá elektróda (E,B,C) tranzistora bude spoločne využitá pre vstup a výstup, rozoznávame tri základné zapojenia tranzistora:

• zapojenie so spoločnou bázou ( SB )
• zapojenie so spoločným emitorom ( SE )
• zapojenie so spoločným kolektorom ( SC )

Základné zapojenia tranzistora.

Zapojenie so spoločným emitorom SE sa používa najčastejšie. Vstupný signál sa privádza medzi bázu a spoločnú elektródu - emitor. Výstupný signál je vzhľadom k vstupnému fázovo natočený o 180° (je v protifáze). Charakteristickou vlastnosťou tranzistoru v zapojení so spoločným emitorom je jeho výkonové zosilnenie (je dané súčinom napäťového a prúdového zosilnenia) je najväčšie zo všetkých uvedených zapojení, dosahujúce hodnoty až 20 000.

Zapojenie so spoločným kolektorom SC má veľký vstupný odpor ( 1 MΩ a viac).Výstupný odpor je malý (v rozmedzí niekoľko desiatok až stoviek ohmov). Výstupné napätie je so vstupným vo fáze. Pretože výstupné napätie tu má približne rovnakú veľkosť ako vstupné, nazýva sa toto zapojenie tiež emitorový sledovač. Používa sa tam, kde vyžadujeme pomerne veľký vstupný a malý výstupný odpor.

Zapojenie so spoločnou bázou SB. Ani tu nedochádza k fázovému natočeniu prechádzajúceho signálu. Dnes sa používa skôr výnimočne, v minulosti sa bežné zapojenie SB používalo vo vysoko-frekvenčných obvodoch kvôli vyššej medznej frekvencii a umožnilo dosiahnuť zvlášť malý vstupný odpor, ktorý bol podmienkou ku stabilnej činnosti vysokofrekvenčného zosilňovača.

Pri porovnaní vyššie uvedených zapojení tranzistorov zistíme, že najvýhodnejšie vlastnosti má zapojenie so spoločným emitorom SE. Iba u tohoto zapojenia sa stretávame s prúdovým, napäťovým i výkonovým zosilnením. Rozdiel medzi veľkosťou vstupného a výstupného odporu je u zapojenia SE najmenší (to je výhodné pri spojovaní niekoľkých tranzistorových zosilňovacích stupňov). Zapojenie SC má vstupný odpor o dosť väčší než výstupný, zapojenie SB má naopak vstupný odpor o dosť menší.

Zdroj : uniza.sk