Wynalazek tranzystora otworzył nowy rozdział w historii techniki. Współczesna elektronika opiera się przede wszystkim na tranzystorach – nie tylko występują one w postaci dyskretnej, ale stanowią one także budulec układów scalonych. Co więcej, istnieje ich kilka rodzajów. Do szczególnie popularnych rodzajów tranzystorów, należą tranzystory bipolarne (BJT), które są sterowane prądowo oraz tranzystory unipolarne (MOSFET), które są sterowane napięciowo. Kiedy przypatrzymy się ich poszczególnym cechom, łatwiej będzie nam dokonać odpowiedniego wyboru przy prototypowaniu urządzeń elektronicznych.
Tranzystory bipolarne – budowa i zasada działania
Pierwszy działający tranzystor bipolarny został wynaleziony w 1948 roku przez zespół inżynierów z firmy Bell Telephone Laboratories pod kierownictwem Williama Shockleya. Wynalazek ten stanowi ulepszenie tranzystora ostrzowego, skonstruowanego przez tych samych ludzi rok wcześniej. Nazwa “bipolarny” oznacza, że w przewodzeniu prądu w takim tranzystorze biorą udział zarówno dziury jak i elektrony. Tak jak każdy inny tranzystor, tranzystor bipolarny może być zastosowany do wzmacniania sygnałów elektrycznych, a także jako statyczny przełącznik sterowany elektrycznie. Struktura tranzystora bipolarnego jest podzielona na trzy warstwy. Są nimi:
- warstwa emitera – silnie domieszkowana
- warstwa bazy – częściowo domieszkowana
- warstwa kolektora – słabo domieszkowana.
Tranzystor bipolarny jest tranzystorem złączowym i zgodnie z modelem Ebersa-Molla składa się on z dwóch złączy półprzewodnikowych typu p-n, tj. ze złącza emiter-baza oraz złącza kolektor-baza. W zależności od spolaryzowania tych złączy (sposobu przyłożenia napięcia o odpowiedniej biegunowości) tranzystor bipolarny może być spolaryzowany na trzy sposoby:
- stan odcięcia;
- stan aktywny;
- stan nasycenia.
W stanie odcięcia oba złącza są spolaryzowane zaporowo, a w stanie nasycenia – w kierunku przewodzenia. Natomiast w stanie aktywnym, złącze emiter-baza jest spolaryzowane zaporowo, a złącze kolektor-baza – w kierunku przewodzenia. Typowo rozróżniamy tranzystory bipolarne NPN polaryzowane napięciem dodatnim oraz tranzystory PNP, polaryzowane napięciem ujemnym.
Tranzystory unipolarne – budowa i zasada działania
Tranzystory unipolarne mają w zasadzie ten sam cel stosowania co tranzystory bipolarne, ale budowa ich struktury półprzewodnikowej jest inna i działa nieco inaczej. Tranzystor unipolarny składa się z trzech warstw, które są obficie domieszkowane, tj. dren, źródło i bramka. Dren i źródło są umiejscowione w górnej części półprzewodnika. Warstwy te są względem siebie fizycznie oddzielone warstwą izolatora tlenkowego. Na górnej stronie tej warstwy jest umieszczona metalowa płytka, która stanowi bramkę tranzystora. Zasada działania tranzystora unipolarnego wykorzystuje efekt sterowania polem elektrycznym. Bramka izolowana elektrycznie od drenu i źródła jest elektrodą sterującą. Przyłożenie odpowiedniej wartości progowej napięcia polaryzacji pomiędzy bramkę a źródło, powoduje wytworzenie pola elektrycznego, które im silniejsze, tym bardziej rozszerza kanał dren-źródło powodując zmniejszenie jego rezystancji. Typowo rozróżniamy tranzystory unipolarne z kanałem typu N, w którym przeważają elektrony oraz tranzystory unipolarne z kanałem typu P, w których przeważają dziury elektronowe.
Elektronika – tranzystory bipolarne i unipolarne
Dobierając tranzystory do naszej aplikacji, warto zwrócić uwagę na ich cechy ogólne oraz parametry techniczne w notach aplikacyjnych. Tranzystory bipolarne wykazują bardzo dobrą odporność na wyładowania elektrostatyczne, kosztują niewiele, a także łatwo ustawić ich punkt pracy. Zastosowania tranzystorów bipolarnych obejmują m.in. sterowanie zasilaniem cewek przekaźników elektromechanicznych, sterowanie diodami LED, a także wzmacniacze i generatory. Prostota sterowania tranzystorami bipolarnymi pozwala na ich zastosowanie zarówno przy wzmacnianiu sygnałów jak i dwustanowym przełączaniu w obwodach. Tranzystory bipolarne mają także dużą wytrzymałość na przebicie elektryczne na kanale kolektor-emiter. Niemniej warte uwagi są także tranzystory unipolarne. Ich mocną stroną są bardzo krótkie czasy przełączania – podczas gdy tranzystory bipolarne mogą optymalnie pracować w zakresie częstotliwości do setek kiloherców, tranzystory unipolarne świetnie spełniają swoją rolę przy przełączeniach w zakresie megaherców. Tranzystory unipolarne wykazują także niższe straty mocy względem tranzystorów bipolarnych i można je łączyć ze sobą równolegle, zwiększając w ten sposób przepustowość prądową i redukując straty mocy na rezystancji kanału dren-źródło. Ponadto, ich koszty miniaturyzacji są mniejsze – nie bez powodu stanowią one główne elementy tworzące struktury procesorów komputerowych. Niemniej jednak, są one także droższe i bardziej podatne na uszkodzenia wskutek wyładowań elektrostatycznych.
Tranzystory bipolarne i unipolarne można wykorzystać na wiele sposobów w elektronice, ale warto zwrócić uwagę na ich cechy i parametry przed dobraniem do naszego projektu – szczegóły w naszym artykule na blogu Botland!
