Zasady teoretyczne
Tranzystory (zwane dalej tranzystorami) dzielą się na dwa typy w zależności od materiału: tranzystory germanowe i tranzystory krzemowe. Każdy typ ma dwie formy strukturalne: NPN i PNP. Jednak najczęściej stosowane są tranzystory krzemowe NPN i germanowe PNP. (Gdzie N oznacza ładunek ujemny; półprzewodniki typu N- powstają przez dodanie fosforu do-krzemu o wysokiej czystości w celu zastąpienia niektórych atomów krzemu, generując wolne elektrony do przewodzenia prądu pod stymulacją napięciową. P oznacza ładunek dodatni; bor jest dodawany w celu zastąpienia krzemu, tworząc dużą liczbę dziur ułatwiających przewodzenie.) Poza różnicą w polaryzacji zasilania, zasady ich działania są takie same. Poniżej przedstawiono jedynie obecną zasadę wzmacniania tranzystorów krzemowych NPN.
Tranzystor NPN składa się z dwóch półprzewodników typu N- umieszczonych warstwowo z półprzewodnikiem typu P-. Złącze PN utworzone pomiędzy obszarem emitera i bazą nazywane jest złączem emitera, a złącze PN utworzone pomiędzy obszarem kolektora i bazą nazywane jest złączem kolektora. Trzy przewody nazywane są emiterem (e), bazą (b) i kolektorem (c).
Gdy potencjał w punkcie b jest o kilka dziesiątych wolta wyższy niż potencjał w punkcie e, złącze emitera jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia. I odwrotnie, gdy potencjał w punkcie C jest o kilka woltów wyższy niż potencjał w punkcie b, złącze kolektora jest spolaryzowane zaporowo. Dlatego też zasilanie kolektora Ec musi być wyższe niż zasilanie bazy Eb.
W produkcji tranzystorów stężenie większości nośników w obszarze emitera jest celowo zwiększane niż w obszarze bazowym. Jednocześnie obszar bazowy jest bardzo cienki, a zawartość zanieczyszczeń jest ściśle kontrolowana. Zatem po przyłożeniu mocy, z powodu polaryzacji złącza emitera w kierunku przewodzenia, nośniki większościowe (elektrony) w obszarze emitera i nośniki większościowe (dziury) w obszarze podstawy łatwo dyfundują do siebie przez złącze emitera. Ponieważ jednak koncentracja elektronów jest znacznie większa niż w dziurach, prąd płynący przez złącze emitera jest przede wszystkim przepływem elektronów; ten przepływ elektronów nazywany jest prądem elektronowym emitera.
Ponieważ obszar podstawy jest bardzo cienki i z powodu odwrotnego polaryzacji złącza kolektora, większość elektronów wtryskiwanych do obszaru podstawy przechodzi przez złącze kolektora i wchodzi do obszaru kolektora, tworząc prąd kolektora Icn. Tylko niewielka liczba (1-10%) elektronów rekombinuje z dziurami w obszarze podstawy. Dziury utracone w wyniku rekombinacji są uzupełniane przez podstawowy zasilacz Eb, tworząc w ten sposób prąd bazowy Ibn. Zgodnie z zasadą ciągłości prądu:
Tj.=Ib + Ic
Oznacza to, że dodając bardzo mały Ib do podstawy, można uzyskać większy Ic na kolektorze. Jest to tak-tak zwany efekt wzmocnienia prądu. Ic i Ib zachowują pewną proporcjonalną zależność, tj.:
1=Ic/Ib
Gdzie: 1 -- nazywany współczynnikiem wzmocnienia DC,
Stosunek zmiany prądu kolektora ΔIc do zmiany prądu bazy ΔIb wynosi:
= △Ic/△Ib W tym wzorze nazywany jest współczynnikiem wzmocnienia prądu przemiennego. Ponieważ wartości 1 i nie różnią się znacząco przy niskich częstotliwościach, czasami dla wygody nie są one ściśle rozróżniane, a wartość wynosi w przybliżeniu dziesiątki do ponad stu.
1=Ic/Ie (Ic i Ie to wielkości prądu w ścieżce prądu stałego)
W tym wzorze: 1 nazywany jest także współczynnikiem wzmocnienia prądu stałego, powszechnie stosowanym w obwodach-wzmacniacza bazowego, opisującym zależność pomiędzy prądem emitera i prądem kolektora.
=△Ic/△Tj
W tym wyrażeniu jest to wspólny-współczynnik wzmocnienia prądu przemiennego. Podobnie i 1 nie różnią się znacząco przy małych wejściach sygnałowych.
Istnieje następująca zależność pomiędzy dwoma współczynnikami wzmocnienia opisującymi bieżące zależności:
Efekt wzmocnienia prądu tranzystora w rzeczywistości wykorzystuje niewielką zmianę prądu bazowego do kontrolowania większej zmiany prądu kolektora.
Tranzystor jest urządzeniem wzmacniającym prąd, ale w zastosowaniach praktycznych często stosuje się rezystor w celu przekształcenia efektu wzmocnienia prądu tranzystora na efekt wzmocnienia napięcia.
Zasada wzmocnienia
1. Emisja elektronów z emitera do bazy
Zasilanie Ub jest doprowadzane do złącza emitera przez rezystor Rb,-przewodząc złącze emitera. Nośniki większościowe (wolne elektrony) w obszarze emitera w sposób ciągły przechodzą przez złącze emitera do obszaru podstawy, tworząc prąd emitera Ie. Jednocześnie większość nośnych w obszarze bazowym dyfunduje również do obszaru emitera. Ponieważ jednak stężenie większości nośników jest znacznie niższe niż w obszarze emitera, prąd ten można pominąć. Dlatego złącze emitera można uznać przede wszystkim za przepływ elektronów.
2. Dyfuzja i rekombinacja elektronów w obszarze podstawowym
Po wejściu do obszaru bazowego elektrony początkowo skupiają się w pobliżu złącza emitera, stopniowo tworząc gradient stężenia elektronów. Pod wpływem tego gradientu strumień elektronów dyfunduje z obszaru podstawy w kierunku złącza kolektora, gdzie jest wciągany do obszaru kolektora przez pole elektryczne złącza kolektora, tworząc prąd kolektora Ic. Niewielka część elektronów (ze względu na cienki obszar podstawy) łączy się z dziurami w obszarze podstawy. Stosunek rozproszonego przepływu elektronów do przepływu elektronów rekombinacyjnych określa zdolność wzmacniania tranzystora.
3. Zbieranie elektronów w obszarze kolektora
Ze względu na duże napięcie wsteczne przyłożone do złącza kolektora, pole elektryczne generowane przez to napięcie wsteczne zapobiegnie dyfuzji elektronów z obszaru kolektora do obszaru podstawy. Jednocześnie będzie przyciągał elektrony, które dyfundowały w pobliże złącza kolektora, do obszaru kolektora, tworząc w ten sposób główny prąd kolektora Icn. Dodatkowo nośniki mniejszościowe (dziury) w obszarze kolektora również będą dryfować w kierunku obszaru bazowego, tworząc odwrotny prąd nasycenia, oznaczony przez Icbo. Jego wartość jest bardzo mała, ale jest niezwykle wrażliwy na temperaturę.
