VIŠE O TRANZISTORIMA

10.sij.2023

UVOD

Tranzistori su aktivni poluvodički elementi od kojih su izgrađeni mnogi elektronički sklopovi i integrirani krugovi. U analognim sklopovima koriste se za pojačanje električnog signala, a u digitalnim sklopovima kao sklopka. Glavni princip rada tranzistora je da manjom ulaznom strujom ili naponom na upravljačkoj elektrodi upravlja većom izlaznom strujom. Razlikujemo dvije vrste tranzistora. Ako tranzistorom upravljamo pomoću struje, govorimo o bipolarnom (BJT) tranzistoru, a ako upravljamo pomoću napona, onda govorimo o unipolarnom (FET) tranzistoru.

GRAĐA POLUVODIČA

Poluvodiči su izgrađeni uglavnom od silicija(Si), ima ga jako puno na Zemlji i jeftin je, i nekih drugih materijala. Atom silicija ima 4 valentna elektrona (elektroni u vanjskoj ljusci), kada se spoji s drugim atomima silicija tvori jake kovalentne veze. Takva struktura ne može provoditi struju (osim ako ne dovedemo vanjsku energiju u obliku topline) jer nema više slobodnih elektrona, da bismo imali struju trebamo slobodne elektrone koji se mogu gibati kroz materijal. Zato silicij dopiramo raznim drugim materijalima koji omogućavaju gibanje elektrona.
Pogledajte zanimljiv video o tome “Što je poluvodič?”

Na slici vidimo građu običnog silicija bez nečistoća i dvije slike s “nečistoćama”(drugim materijalima). Rekli smo da nam za provođenje struje trebaju elektroni koji se na neki način mogu gibati kroz materijal. U sredini je prikazan jedan način za dobivanje slobodnih elektrona i to atomom fosfora (žutom bojom), koji ima 5 valentnih elektrona. Od tih 5, 4 će tvoriti kovalentne veze i 1 preostaje kao slobodan elektron. Takva vrsta poluvodiča, gdje su većinski nosioci naboja elektroni, naziva se N-tip poluvodiča, a osim fosfora(P) mogu se korisiti još arsen(As) i antimon(Sb). Na slici desno, vidimo drugu vrstu izvedbe poluvodiča. Vidimo da jednom atomu fali 1 elektron za stvaranje četvrte kovalentne veze sa susjednim silicijem i na tom mjestu ostavlja “šupljinu”. Te šupljine omogućavaju drugim elektronima iz kovalentnih veza da uskoče na to mjesto, a na svom ostavljaju šupljinu. Ono najbitnije što je ostvareno time je upravo gibanje elektrona. Takva vrsta poluvodiča gdje su većinski nosioci naboja šupljine nazivamo P-tip poluvodiča. Osim Bora(B) koriste se još aluminij(Al) i galij(Ga).

BIPOLARNI TRANZISTORI

Bipolarni tranzistori građeni su na način da se između dva sloja istog tipa (P ili N) nalazi jedan tanji sloj suprotnog tipa vodljivosti. Dvije su vrste bipolarnih tranzistora: NPN i PNP(rjeđe se koristi). Imaju 3 nožice: kolektor(C), baza(B) i emiter(E) i ova vrsta tranzistora je strujom upravljana, što znači da manja struja koja teče bazom upravlja većom strujom kolektora i otprilike je Ic=β⋅Ib . Koeficijent β je faktor istosmjernog strujnog pojačanja i može iznositi od nekoliko desetaka pa sve do par stotina, ovisno o izradi tranzistora. Ovakva karakteristika može nam odlično poslužiti kada npr. Croduinom želimo upravljati teretom veće snage.
Bipolarni tranzistori se često koriste za izradu pojačala električnog signala, gdje se ovisno o spoju zajedničkog kolektora, baze ili emitera pojačava struja, napon ili oboje. Također, pomoću tranzistora možemo napraviti i logičke sklopove.

Na desnoj slici vidimo raspored nožica za jedan npn bipolarni tranzistor. To nije uvijek tako i svakako provjerite datasheet vašeg tranzistora.

NAČIN RADA BIPOLARNOG TRANZISTORA

Da bismo shvatili nešto, najbolje je to isprobati u praksi. Ovo se može izvesti i samo pomoću sklopke, ali svrha je da se shvati princip i dobije predodžba kako tranzistor radi. Na gornju crvenu liniju možete dovesti npr. +3.3V, a na donju +5V. Led-ici dodajte standardnih 330 ili 470 Ohma, a na bazu spojite otpornik puno veće vrijednosti, npr. 10 kOhma. Kada gumb nije pritisnut, bazom ne teče struja i tranzistor predstavlja prekid strujnog kruga(ledica ne svijetli). Pritiskom na gumb bazom će poteći struja od 260 uA koja će omogućiti većoj struji kolektora(8.6 mA) da poteče i ledica će zasvijetliti.

UNIPOLARNI TRANZISTORI

Unipolarni tranzistori označavaju se kraticom FET (engl. Field Effect Transistor; tranzistor upravljan električnim poljem). Kao i bipolarni tranzistori također imaju 3 elektrode: Drain(D; Dovod), Gate(G; Vrata), Source(S; Odvod).

Ovisno o tipu poluvodiča u kanalu razlikuju se n-kanalni i p-kanalni FET-ovi. Kanal je zapravo naziv za put od dovoda(D) do odvoda(S). Unipolarni su jer njihov rad određuje tok samo jednog tipa nosilaca naboja, elektrona kod n-kanalnih ili šupljina kod p-kanalnih FET-ova.
Još jedna podjela FET-ova je na obogaćene (engl. enhancement) i osiromašene (engl. depletion), a razlikuju se po tome što kada je napon između G i S nula (Vgs=0 V) obogaćeni FET neće voditi, prekid strujnog kruga, dok će kanal osiromašenog FET-a u tom slučaju voditi. Kao i bipolarni tranzistori, FET-ovi se koriste za pojačanje električnog signala ili kao sklopka. No, za FET-ove je značajno da ulazom(G) ne teče struja, dok kod bipolarnih imamo struju baze(B).
Ovisno o konstrukciji razlikujemo dvije vrste FET-ova: JFET(engl. Junction FET; spojni FET) i MOSFET(engl. Metal-Oxide-Semiconductor FET; metalnooksidni poluvodički FET).
Pogledajte vrlo zanimljiv video o FET-ovima. ——> Introduction to Field Effect Transistors

JFET
Svaki JFET radi u osiromašenom modu, dakle kanal je najprovodniji pri Vgs=0. JFET čini provodljivi kanal jednog tipa vodljivosti i na njega spojeni sloj suprotnog tipa vodljivosti. Taj pn spoj zaporno polariziramo i na taj način se širi osiromašeno područje koje „sužava“ vodljivi kanal, odnosno povećava se otpornost. Možemo to zamisliti kao promjenjivi otpornik koji ovisi o naponu. Uzmimo za primjer jedan n-kanalni JFET. Što je Vgs negativniji to se kanal više sužava i manje će struje teći kanalom.

MOSFET
Nešto više o MOSFET-ima proučite u našem prijašnjem tutorialu “Što je to MOSFET?“.