Bipolární tranzistor

Bipolární tranzistor je druh tranzistoru. Jde o elektronickou součástku tvořenou třemi oblastmi polovodiče s různým typem vodivosti v uspořádání NPN nebo PNP, které vytvářejí dvojici přechodů PN. Prostřední oblast se nazývá báze (B), krajní emitor (E) a kolektor (C, výjimečně K). Ke každé z oblastí je zapojen vývod. Při vhodném zapojení je velikost elektrického proudu tekoucího mezi emitorem a kolektorem řízena malými změnami proudu tekoucího mezi bází a emitorem. Bipolární tranzistory se používají jako zesilovače, spínače a invertory. Vyrábějí se jako samostatné součástky nebo jako prvky integrovaných obvodů. Ve složitých integrovaných obvodech však převládá používání unipolárních tranzistorů.

Schematické značky

PNP

NPN

Schematické značky bipolárních tranzistorů

Pro zobrazení ve schématech se používají dvě provedení značky bipolárního tranzistoru. Pokud jde o samostatnou součástku, pak je „funkční část tranzistoru“ v kružnici, ze které vedou tři vývody (označené Báze, Colector/Kolektor a Emitor).

Pokud je funkční část zapouzdřena společně s dalšími prvky (v integrovaném obvodu, hybridním modulu a pod.), pak se používá schéma bez kružnice.

Typ tranzistoru (PNP/NPN) je označen šipkou. Směr šipky je konzistentní s vodivým směrem PN přechodů (tedy u PNP tranzistoru lze naměřit vodivý směr diody E→B a C→B. U NPN tranzistoru je vodivý směr PN přechodu obrácený).

Pro snadnější zapamatování platí mnemotechnické pomůcky v podobě dvou rýmovaček, a to: „eN Pé eN, šipka ven“ nebo „eN Pé eN, z kola ven“.

Princip činnosti bipolárního tranzistoru

Bipolární tranzistor je třívrstvá součástka složená z různě dotovaných oblastí. Emitor je o několik řádů více dotován než báze, má mnohem více volných nosičů náboje. V případě NPN tranzistoru elektronů, a ty zaplaví tenkou oblast báze. Uvažujme tranzistor typu NPN v zapojení se společným emitorem. Zvyšováním kladného napětí mezi bází a emitorem (tj. kladný pól zdroje na bázi a záporný na emitoru) se ztenčuje oblast bez volných nosičů na rozhraní báze a emitoru. Okolo napětí 0,6 V až 0,7 V pro křemík (Si) a 0,2 V až 0,3 V pro germanium (Ge) začíná PN přechod báze–emitor vést elektrický proud. Tato část tranzistoru se chová jako klasická dioda a to z důvodu, že má v této části naprosto totožnou konstrukci (PN přechod).

Přivedením kladného napětí mezi kolektor a emitor začnou být přebytečné elektrony odsávány z báze směrem ke kolektoru. Přechod báze–kolektor je polarizován v závěrném směru. Přebytek elektronů je následně posbírán ve vyprázdněné oblasti přechodu kolektor–báze.

Podmínky pro správnou funkci tranzistoru

• Tenká vrstva báze – Podstata tranzistorového jevu.
• Emitor dotovaný více než báze – Způsobuje převahu volných nosičů náboje z emitoru. Při otevření přechodu báze–emitor se tak zachovává délka báze a elektrony vstříknuté do báze z emitoru nestíhají rekombinovat.
• Báze dotovaná více než kolektor – Čím větší je rozdíl dotací, tím větší napětí může tranzistor spínat, ale má také větší sériový odpor.

V bipolárním tranzistoru vedou proud také díry. Ty se zákonitě pohybují opačným směrem, ale plní stejnou úlohu jako elektrony. Proto se tomuto typu tranzistoru říká „bipolární“.

Základní zapojení

V elektronických obvodech může být tranzistor zapojen čtyřmi základními způsoby. Podle elektrody, která je společná pro vstupní i výstupní signál se rozlišuje zapojení se

• společným emitorem (SE) – obrací fázi, proudové a napěťové zesílení je mnohem větší než 1
• společnou bází (SB) – neobrací fázi, malé proudové zesílení (Ai<1), velmi malá vstupní impedance, velké napěťové zesílení (velikostně podobné jako zapojení SE), zapojení se využívá ve spínačích nebo ve stabilizátorech ve zdrojích
• společným kolektorem (SC) (= emitorový sledovač) – neobrací fázi, velký vstupní odpor, velké proudové zesílení, menší napěťové zesílení (<1), využívá se ve sledovačích daného obvodu
• regulační stupeň (RS)

Nejčastěji se používá zapojení se společným emitorem (SE), viz obrázek. Na první pohled emitor není uzemněn, ale podstatný je pohled z hlediska přenosu změn signálu. Z tohoto pohledu je rezistor R4 pro nastavení stejnosměrného pracovního bodu pro střídavý signál zkratován velkou paralelní kapacitou kondenzátoru C3. Důležitou informaci o vlastnostech tranzistoru podávají jeho vstupní a výstupní charakteristiky. Celková charakteristika se zakresluje do kartézské soustavy souřadnic.

Matematický popis tranzistoru

K výpočtu zesilovacího činitele (jako například h_21E) se používá tzv. hybridních rovnic.

${\displaystyle u_{1}=h_{11}\cdot i_{1}+h_{12}\cdot u_{2}}$

${\displaystyle i_{2}=h_{21}\cdot i_{1}+h_{22}\cdot u_{2}}$

Můžeme dosadit např. pro zapojení SE:

${\displaystyle u_{BE}=h_{11}\cdot i_{B}+h_{12}\cdot u_{CE}}$

${\displaystyle i_{C}=h_{21}\cdot i_{B}+h_{22}\cdot u_{CE}}$

z toho např. ${\displaystyle h_{11}}$:

${\displaystyle h_{11}={\frac {u_{BE}}{i_{B}}}}$ při ${\displaystyle u_{CE}=0\to u_{CE}=konst.}$

Stejně tak platí vztah ${\displaystyle I_{E}=I_{C}+I_{B}}$ Toto je vlastně obecný první Kirchhoffovův zákon.

${\displaystyle h_{11}}$ = diferenciální vstupní odpor při výstupu nakrátko

${\displaystyle h_{12}}$ = diferenciální zpětný napěťový přenos při vstupu naprázdno

${\displaystyle h_{21}}$ = diferenciální proudový přenos při výstupu nakrátko (někdy uváděn jako ${\displaystyle h_{FE}}$ nebo ${\displaystyle \beta }$

${\displaystyle h_{22}}$ = diferenciální výstupní vodivost při vstupu naprázdno

Můžeme také počítat s admitančními rovnicemi:

${\displaystyle i_{1}=y_{11}\cdot u_{1}+y_{12}\cdot u_{2}}$

${\displaystyle i_{2}=y_{21}\cdot u_{1}+y_{22}\cdot u_{2}}$

Poznámka: Všimněte si psaní malých a velkých písmen. Velká označují statické hodnoty a malá dynamické – tzn. že velká písmena vyjadřují chování v ustáleném stavu při stejnosměrných veličinách, kdežto malá písmena určují chování (okamžité hodnoty) při střídavých veličinách. Toto je nutno brát v potaz.

Odkazy

Literatura

• Valsa J.: Teoretická elektrotechnika I; VUT Brno, 1997
• Brančík L.: Elektrotechnika I; VUT Brno
• Dědková J: Elektrotechnický seminář; VUT Brno
• Musil V., Brzobohatý J., Boušek J., Prchalová I.: Elektronické součástky; VUT Brno, 1996
• Mikulec M., Havlíček V.: Základy teorie elektrických obvodů 1; ČVUT, 1997
• Stránský J. a kol.: Polovodičová technika I – učebnice pro elektrotechnické fakulty; SNTL; 1982
• Blahovec A.: Elektrotechnika I; Informatorium, 1997
• Blahovec A.: Elektrotechnika II; Informatorium, 1997
• Blahovec A.: Elektrotechnika III; Informatorium, 1997
• Maťátko J.: Elektronika; Idea Servis, 1997
• Syrovátko M.: Zapojení s polovodičovými součástkami; SNTL, 1987
• FROHN M., OBERTHÜR W. A KOL. Elektronika – polovodičové součástky a základní zapojení. Praha: BEN - technická literatura, 2006. ISBN 80-7300-123-3. 
• Vobecký J., Záhlava V.: Elektronika – součástky a obvody, principy a příklady; Grada Publishing; 2001
• DOLEČEK, J. Moderní učebnice elektroniky 1. část. Praha: BEN - technická literatura, 2005. ISBN 80-7300-146-2. 
• DOLEČEK, J. Moderní učebnice elektroniky 2. část. Praha: BEN - technická literatura, 2005. ISBN 80-7300-161-6. 
• DOLEČEK, J. Moderní učebnice elektroniky 3. část. Praha: BEN - technická literatura, 2005. ISBN 80-7300-184-5. 
• DOLEČEK, J. Moderní učebnice elektroniky 4. část. Praha: BEN - technická literatura, 2006. ISBN 80-7300-185-3. 

Související články

• Tranzistor
• Unipolární tranzistor
• Fototranzistor
• Integrovaný obvod
• Tyristor

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu bipolární tranzistor na Wikimedia Commons
• Bipolární tranzistor v učebnici Praktická elektronika ve Wikiknihách