Jak funguje tranzistor?

Jak funguje tranzistor?

Definice tranzistoru

Tranzistor je definován jako polovodičové zařízení používané k zesilování nebo přepínání elektronických signálů.

Existuje několik druhů tranzistorů, ale zaměříme se na NPN tranzistor v běžném emitorovém režimu. Tento typ má silně dotovanou a širokou emitorovou oblast, která obsahuje mnoho volných elektronů (majoritní nosiče).

Kolektorová oblast je široká a mírně dotovaná, takže má méně volných elektronů než emitor. Bázová oblast je velmi tenká a lehce dotovaná, s malým počtem děr (majoritních nosičů). Teď připojíme baterii mezi emitor a kolektor. Emitterový terminál tranzistoru je spojen s negativním terminálem baterie. Proto se emitor-bázová spojka stane předpojena a bázová-kolektorová spojka zpětně pojená. V této podmínce žádný proud tímto zařízením neproudí. Před tím, než se pustíme do skutečného chodu zařízení, připomeňme konstrukční a dotované detaily NPN tranzistoru. Zde je emitorová oblast širší a velmi silně dotovaná. Proto je koncentrace majoritních nosičů (volných elektronů) v této oblasti tranzistoru velmi vysoká.

Bázová oblast, naopak, je velmi tenká, ve výši několika mikrometrů, zatímco emitorová a kolektorová oblast jsou ve výši milimetrů. Dotace střední p-typové vrstvy je velmi nízká a jako výsledek je v této oblasti velmi malý počet děr. Kolektorová oblast je širší, jak jsme již řekli, a dotace zde je mírná, takže v této oblasti je střední počet volných elektronů.

Napětí aplikované mezi emitorem a kolektorem klesá na dvou místech. Nejprve má emitor-bázová spojka přední bariérové napětí asi 0,7 voltů u křemíkových tranzistorů. Zbytek napětí klesá přes bázovou-kolektorovou spojku jako zpětná bariéra.

Bez ohledu na napětí přes zařízení zůstává přední bariérové napětí přes emitor-bázovou spojku vždy 0,7 voltů a zbytek zdrojového napětí klesá přes bázovou-kolektorovou spojku jako zpětné bariérové napětí.

To znamená, že kolektorové napětí nemůže překonat přední bariérové napětí. Proto volné elektrony v emitore nemohou projít do báze. V důsledku toho se tranzistor chová jako vypnutý spínač.

Poznámka: – V této podmínce tranzistor ideálně nevede žádný proud, takže nebude žádné klesání napětí na externím odporu a celé zdrojové napětí (V) klesne přes spojky, jak je znázorněno na obrázku výše.

Teď se podívejme, co se stane, pokud aplikujeme kladné napětí na bázový terminál zařízení. V této situaci získá emitor-bázová spojka individuální přední napětí a určitě překoná přední potenciální bariéru, takže majoritní nosiče, tedy volné elektrony v emitorové oblasti, přejdou spojkou a dostanou se do bázové oblasti, kde mají velmi malý počet děr k rekombinaci.

Ale kvůli elektrickému poli přes spojku, volné elektrony migrující z emitorové oblasti získají kinetickou energii. Bázová oblast je tak tenká, že volné elektrony přicházející z emitore nedostanou dostatek času k rekombinaci a proto přejdou přes zpětně pojenou depleční oblast a nakonec se dostanou do kolektorové zóny. Jelikož je přítomna zpětná bariéra přes bázovou-kolektorovou spojku, nebude bránit toku volných elektronů z báze do kolektoru, protože volné elektrony v bázové oblasti jsou minoritní nosiče.

Tímto způsobem elektrony proudí od emitore k kolektoru a začíná proudit proud od kolektoru k emitoru. Protože v bázové oblasti jsou nějaké díry, některé elektrony přicházející z emitorové oblasti se s těmito dírami rekombinují a přispívají k bázovému proudu. Tento bázový proud je docela menší než proud od kolektoru k emitoru.

Některé elektrony z emitore přispívají k bázovému proudu, zatímco většina prochází kolektorem. Emitterový proud je součet bázového a kolektorového proudu. Takže emitterový proud je součet bázového a kolektorového proudu.

Teď zvýšme aplikované bázové napětí. V této situaci, díky zvýšenému přednímu napětí přes emitor-bázovou spojku, přijde z emitorové oblasti do bázové oblasti proporcionalně více volných elektronů s větší kinetickou energií. To způsobí proporcionalní zvýšení kolektorového proudu. Tímto způsobem můžeme ovládat malým bázovým signálem poměrně velký kolektorový signál. To je základní princip fungování tranzistoru.