Bipolární tranzistor je polovodičové zařízení, které je v moderních elektronických obvodech široce používáno k zesílení a přepínání signálů. Jeho práce je založena na interakci tří elektrod: základny, emitoru a kolektoru. Princip fungování bipolárního tranzistoru je založen na řízení proudu základny pro řízení proudu kolektoru.
Tranzistory lze klasifikovat podle počtu P-n přechodů, které jsou v nich přítomny. Bipolární tranzistory se skládají ze dvou přechodů – p-n-p a n-p-n. Přechod p-n se skládá z polovodičových materiálů typu p a n, které mají různé úrovně nečistot. Právě taková struktura umožňuje tranzistoru pracovat jako zesilovač signálu tím, že jej prochází dvěma přechody.
Řízením proudu základny může bipolární tranzistor zvýšit nebo snížit proud kolektoru. Může fungovat jako klíč, který přepíná signály, a jako zesilovač, který zvyšuje amplitudu signálu.
Zvláštností bipolárních tranzistorů je jejich vysoká rychlost přepínání a možnost použití v širokém frekvenčním rozsahu. Díky tomu jsou efektivní při vytváření elektroniky pro vysoké frekvence, jako je rádio a televize.
Bipolární tranzistory mají také vysoký zisk a malý vstupní odpor. To jim umožňuje být účinným nástrojem pro zesílení slabých signálů a připojení k téměř jakýmkoli zdrojům.
Principy fungování bipolárního tranzistoru
Emitární přechod je přechod mezi emitorem a základnou bipolárního tranzistoru. Aplikováním napětí na emitor se vytvoří elektrické pole, které způsobí emise elektronů a děr. Emitární přechod má velký vliv na provoz tranzistoru a zabraňuje zarovnání základny.
Základna je neutrální oblast mezi emitorem a kolektorem. Přívod napětí do základny řídí přenos nosičů náboje mezi emitorem a kolektorem. Závislost proudu kolektoru na proudu základny je nelineární a exponenciálně roste se zvýšením napětí na základně.
Kolektorový přechod je přechod mezi kolektorem a základnou. Sběrná oblast má velkou šířku a další nečistoty, které umožňují větší oblast přenosu náboje. Kolektorový přechod je zodpovědný za sběr a zvýšení proudu, který vstupuje na emitorový přechod.
Princip fungování bipolárního tranzistoru spočívá v řízení proudu přes základnu pomocí malého řídicího proudu. Když je kladné napětí přiváděno na základnu, slabý proud základny způsobí velký proud kolektoru a zesiluje signál. Bipolární tranzistor je tedy zesilovač signálu.
Zařízení a základní prvky
Mezi hlavní prvky bipolárního tranzistoru patří:
- Emitor: je to elektroda, přes kterou je do tranzistoru přiváděn hlavní proud nosičů náboje (elektronů nebo děr) v závislosti na typu tranzistoru. Emitor má obvykle velkou plochu, aby poskytoval větší hustotu proudu.
- Základ: je to elektroda, která reguluje průchod hlavního proudu nosičů náboje. Proud protékající základnou řídí proud emitoru, což z základny dělá klíčový prvek pro řízení tranzistoru.
- Kolektor: je to elektroda, která shromažďuje hlavní proud nosičů náboje, který prošel emitorem a základnou. Kolektor má obvykle velkou plochu, která poskytuje větší proudovou hustotu a efektivní chlazení.
Základním principem fungování bipolárního tranzistoru je řízení proudu protékajícího základnou pomocí malého řídicího proudu. Když je na základnu přiváděn proud, tranzistor přejde do aktivního režimu provozu a proud emitoru se stane úměrným řídicím proudem. Malé změny řídicího proudu mohou způsobit velké změny proudu emitoru, díky čemuž jsou bipolární tranzistory užitečné pro zesílení signálů a řízení elektrických obvodů.
Funkce v režimu saturace
V nasyceném režimu je zařízení schopno přepínat velké proudy, i když proud základny může být řádově menší. Proud kolektoru závisí na základním proudu a dalších parametrech tranzistoru. Hodnota nasyceného proudu kolektoru je dána parametry tranzistoru a vnějším odporem. V režimu nasycení má tranzistor nízký odpor mezi kolektorem a emitorem. Proto se pro použití tranzistoru jako klíče často používá režim saturace.
Tranzistor v režimu saturace lze použít k zesílení signálu nebo přepínání velkých proudů s malými řídicími signály. Je důležité poznamenat, že v tomto režimu se tranzistor přepíná dostatečně rychle a má krátkou dobu přepínání, což umožňuje jeho použití v mnoha elektronických zařízeních.
Provoz v režimu odstávky
Když je napětí na bázi tranzistoru pod určitou hodnotou (nazývanou mezní napětí), elektronický proud z emitoru nemůže projít chudou vrstvou základny a dosáhnout kolektoru. To má za následek nedostatek kolektorového proudu, a tedy i nedostatek výstupního signálu.
Režim odříznutí se používá například při odpojení tranzistoru v obvodu zisku nebo k vytvoření logické jednotky v digitálních obvodech.
Důležitě: V režimu odříznutí emitorový proud a základní proud prakticky chybí.
Chcete-li zajistit přechod do režimu odpojení, musíte na základnu tranzistoru podat napětí pod mezním napětím, které závisí na konkrétním typu a parametrech tranzistoru.
Je důležité si uvědomit, že funkční vlastnosti práce tři elektrody bipolárního tranzistoru v režimu separace se mohou lišit v závislosti na konkrétním konstrukčním provedení tranzistoru a jeho aplikaci ve schématu.