Tranzistor

K čemu je?

Zjednodušeně se tranzistor používá pro zesílení signálu. Můžeme ho použít jako zesilovač nebo spínač. Pod tímto pojmem není jednoduché si něco představit. Pokud jste již pracovali s Arduinem, tak byste měli vědět, že jednotlivé piny mají proudový limit (20 mA). Pokud si chcete na jeden pin Arduina připojit LED, tak jí můžete ovládat bez problému, protože má odběr zhruba 20 mA. Co když se ale rozhodnete ovládat třeba 10 LED zapojených paralelně pomocí jednoho pinu Arduina? Proud bude 10x větší, neboli 200 mA, čímž můžeme jednoduše Arduino spálit.

V tuto chvíli je ideální použít tranzistor.

Typy tranzistorů

Tranzistory můžeme rozdělit na 2 základní typy - bipolární a unipolární.

Bipolární

Bipolární tranzistory (BJT) mají 3 vývody. Kolektor (C), báze (B), emitor (E).

Skládají se z 2 polovodičových přechodů. Jsou spínány proudem do báze, což znamená, že čím větší je proud do báze ($I_b$), tím větší je proud kolektorem ($I_c$). Proud kolektorem je udáván vzorcem: $I_c = I_b \cdot \beta$

Co je to $\beta$?

$\beta$ udává zesílení tranzistoru, jeho hodnota se pohybuje okolo 2 - 300, výkonové tranzistory (tranzistory, které spínají vyšší proudy) mívají zpravidla $\beta$ nižší. "Klasické tranzistory na KME" - BC547 mívají $\beta$ zhruba okolo 200 (podle datasheetu 110 - 800). V datasheetech se také může používat $h_{21}$ nebo $h_{FE}$ - znamená to to stejné jako $\beta$ - stejnosměrné zesílení.

Existuje také střídavé zesílení ($h_{fe}$), které udává zesílení tranzistoru pro střídavé signály. Většinou má podobnou hodnotu jako klasické stejnosměrné zesílení ($h_{FE}$). Pro BC547 je střídavé zesílení $h_{fe}$ v rozmezí 125 - 900.

Bipolární tranzistory se dělí na 2 typy:

NPN

NPN tranzistory se spínají kladným proudem do báze.

Jak si pamatovat schématickou značku?

Pro tranzistor NPN máme memotechnickou pomůcku. NPN, šipka ven.

U PNP se to nerýmuje, takže to je prostě naopak - šipka dovnitř.

PNP

PNP tranzistory se spínají záporným proudem do báze.

Unipolární

Unipolární tranzistory mají 3 vývody. Drain (D), Gate (G), Source (S). Zjednodušeně lze Drain (D), Gate (G) a Source (S) přirovnat ke kolektoru (C), bázi (B), a emitoru (E).

Jsou řízeny elektrickým polem. Jedná se o aktivní polovodičový prvek, který je schopen zesilovat signál (proud)

Jsou spínány napětím na gate (bráně).

Popis funkce unipolárních tranzistorů

Struktura unipolárního tranzistoru

Hlavní součástí unipolárního tranzistoru je dopovaný polovodičový krystal se dvěma elektrodami. První elektrodou zdroj (source) - označovaný písmenem S, druhou je odvod (drain), označovaný písmenem D. Mezi těmito elektrodami je vytvořen tzv. kanál, kterým protéká proud. Podél kanálu se nachází třetí elektroda - hradlo (gate), označené písmenem G.

Dělení unipolárních tranzistorů

Unipolární tranzsitory se dělí na několik skupin, zde jsou ty nejčastější:

JFET

Název JFET je zkratka pro: Junction Field Effect Transistor JFET je typ unipolárního tranzistoru s přechodovým polem (P-N spojem). Skládá se z polovodiče (typu N nebo P) a vrstev opačného dopování (P+ nebo N+), které tvoří p-n přechod. Proud teče kanálem mezi zdrojem (S) a vývodem (D), a brána (G) ho reguluje pomocí elektrického pole.

JFET funguje v režimech: lineárním, saturačním a lavinovém.

Na rozdíl od MOSFETu nemá izolovanou bránu, ale přímo P-N spoj, což ho činí citlivějším na vstupní signály.

MOSFET

Název MOSFET je zkratka pro: Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET je nejběžnější typ unipolárního tranzistoru. Jeho struktura zahrnuje substrát (B), source (S), drain (D), gate (G), polovodič (P nebo N) a izolační vrstvu (oxid). Proud teče kanálem mezi S a D, který se reguluje napětím mezi bránou a zdrojem (G-S).

Existují dva typy kanálů: Obohacený (enhancement mode): Kanál se vytvoří až při napětí G-S vyšším než prahové ($U_t$).

Vyčerpaný (depletion mode): Kanál existuje i při nulovém napětí G-S.

MOSFET funguje v nasyceném (saturated) a nenasyceném (unsaturated) režimu, v závislosti na napětí mezi zdrojem a vývodem. Je polarizovaný tak, aby proud tekl jen jedním typem nosičů. Oproti bipolárním tranzistorům má MOSFET rostoucí proud při vyšší teplotě, což brání přímému paralelnímu zapojení bez vyrovnávacích rezistorů (hrozí přehřátí a spálení).

IGFET

Název IGFET je zkratka pro: Insulated Gate Field Effect Transistor

IGFET je typ unipolárního tranzistoru s polem (field-effect transistor), který řídí vodivost polovodičového kanálu pomocí vyprázdněné oblasti (depletion region). Na rozdíl od JFET nemá přímý elektrický kontakt mezi bránou (gate) a polovodičovým materiálem – brána je oddělena tenkou izolační bariérou, která funguje jako dielektrikum kapacitoru. Tímto způsobem ovlivňuje napětí mezi bránou a zdrojem (gate-to-source) vyprázdněnou oblast elektrostaticky, bez přímého propojení.

Rozdíl mezi unipolárním a bipolárním tranzistorem